陽 衛(wèi)，吳 漢，胡顯霜，陳 函，張啟龍

（六盤水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，貴州六盤水 553000）

0 引言

在當(dāng)前電子信息技術(shù)高速發(fā)展的背景下，各類電子設(shè)備不斷更新優(yōu)化，同時(shí)對(duì)電源的要求也在不斷提升。開關(guān)電源由于其具有可靠性、調(diào)壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、電路形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，在各類電子設(shè)備中受到廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)今電子技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究方向。以ARM Cortex-M4 為內(nèi)核的單片機(jī)是一款功能強(qiáng)大的單片機(jī)，STM32F401 是其典型代表之一，其具有高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，且4 開關(guān)Buck-Boost 電路是一種比較新的DC-DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1-5]，具有高效、穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于各種電子產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)。本文所涉及的4 開關(guān)Buck-Boost 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和輸出穩(wěn)定的直流電，具有高效率、高精度、高頻率等優(yōu)點(diǎn)，在各種電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。其研究背景主要包括：電源管理、可再生能源、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的需求；以及集成電路技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)4 開關(guān)Buck-Boost 電路高度智能化、小型化、低成本化等。

與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，4 開關(guān)Buck-Boost 有著更好的電性能和更廣泛的應(yīng)用范圍，且有助于提高電力轉(zhuǎn)換的效率和質(zhì)量[6-12]。本文旨在探索STM32 與4 開關(guān)Buck-Boost 電路的相互連接及控制方法，并結(jié)合INA226、4 針I(yè)2C OLED 模塊，實(shí)現(xiàn)電流、電壓等參數(shù)的測量與顯示。同時(shí)，其在電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用也具有重要意義。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示：輸入端接220 V∕50 Hz的交流電，通過變壓整流濾波以后得到較為平順的直流電，利用LM7812 和LM7805 芯片轉(zhuǎn)換得到穩(wěn)定的12 V 和5 V 電壓，其中12 V 電壓主要用于給MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路供電，5 V 的電壓分別為主控STM32 單片機(jī)、INA226、0.96寸I2C OLED屏幕等供電。主要電路部分由2 個(gè)NMOS 和2 個(gè)PMOS 組成一個(gè)類似于H 橋的4 開關(guān)Buck-Boost 升降壓電路，由STM32 單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)電路輸入4 路可調(diào)節(jié)占空比的PWM[13-18]，從而使得驅(qū)動(dòng)電路控制4 個(gè)MOS 管的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而輸出不同幅值的直流電壓。其中，按鍵主要用于控制系統(tǒng)的開∕關(guān)、調(diào)節(jié)PWM 的占空比以及切換顯示屏顯示功率、電壓、電流等信息。INA226主要用于電壓、電流輸出采集。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理如圖2 所示。可調(diào)開關(guān)電源主要由STM32主控芯片、OLED 顯示模塊、獨(dú)立按鍵及輔助電源等組成。輔助電源部分主要由LM7812 和LM7805 及變壓、整流、濾波電路構(gòu)成，電壓電流檢測模塊主要是INA226模塊和采樣電阻構(gòu)成，在實(shí)際應(yīng)用中采樣電阻的阻值需要盡可能小，耐壓值盡量大。MOS 管驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)IR2101，一個(gè)FR207 快恢復(fù)二極管、一個(gè)電容構(gòu)成。4開關(guān)DC-DC 轉(zhuǎn)換電路由兩個(gè)PMOS、兩個(gè)NMOS、一個(gè)儲(chǔ)能電感和一個(gè)電容組成，一個(gè)NMOS 和一個(gè)PMOS 工作在不同的開關(guān)狀態(tài)使得總體呈現(xiàn)升壓或降壓電路。

1.3 DC-DC變換電路工作原理

圖3 所示為開關(guān)Buck-Boost 原理，本文中的DC-DC變換電路存在3 種工作模式，即Buck、Boost、Buck-Boost模式，各工作模式的使用條件由系統(tǒng)的輸入電壓來確定，從而達(dá)到在不同輸入電壓的條件下使用不同的工作模式。在這3 種工作模式中，Q1 與Q2 組成Buck 橋臂，Q3 與Q4組成Boost 橋臂。由于開關(guān)管在開關(guān)時(shí)會(huì)存在開關(guān)損耗，導(dǎo)致輸出波形中會(huì)產(chǎn)生紋波，這時(shí)可以適當(dāng)提高PWM 的頻率或者增大后端電容C2 的容 量。在Buck 模 式時(shí)，Q1、Q2 互 補(bǔ) 通斷，Q3 常閉，Q4 常開；在Boost 模式時(shí)，Q1 常閉，Q2 常開，Q3、Q4互補(bǔ)通斷。Q1、Q3為PMOS，在此電路中為低電平導(dǎo)通，高電平截止；Q2、Q4 為NMOS，在此電路中為高電平導(dǎo)通，低電平截止。導(dǎo)通特性總結(jié)如表1所示。

圖3 開關(guān)Buck-Boost原理

表1 MOS管導(dǎo)通特性總結(jié)

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序流程如圖4 所示，系統(tǒng)上電的時(shí)候，先對(duì)所有的外設(shè)和內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行初始化，OLED 展示開機(jī)頁面等等一系列的操作。由于此設(shè)計(jì)中沒有包含PID閉環(huán)控制，所以輸入的電壓需要在進(jìn)行實(shí)物調(diào)試時(shí)，給定準(zhǔn)確的輸入電壓幅值，然后系統(tǒng)再進(jìn)行判斷使用何種模式。再者，由于本文采用12 V 交流輸出的變壓器（實(shí)際輸出會(huì)偏高一點(diǎn)），所以特意將DC∕DC 變換電路（4開關(guān)Buck-Boost電路）、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路使用單獨(dú)的穩(wěn)壓芯片來分開，這樣會(huì)使得控制回路受到DC∕DC 變換電路的影響較小，但在實(shí)際中也會(huì)使得DC∕DC 變換部分電路的輸入電壓達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)DC12 V。

2 電源參數(shù)計(jì)算

在完成本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，為了保證本文能夠輸出可調(diào)電壓，需要對(duì)MOS 管的死區(qū)時(shí)間、驅(qū)動(dòng)電路的傳輸時(shí)間進(jìn)行理論計(jì)算，具體計(jì)算方法是根據(jù)選擇的元器件而得出。詳細(xì)計(jì)算過程如下。

圖4 程序流程

2.1 開關(guān)管死區(qū)時(shí)間計(jì)算

MOS 管的死區(qū)時(shí)間是指在MOS 管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間，由于電荷注入和抽出的延遲，使得MOS 管處于不能導(dǎo)通和截止的狀態(tài)，從而影響電路的正常工作。因此，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，需要正確計(jì)算MOS 管的死區(qū)時(shí)間，以保證電路的穩(wěn)定性和可靠性。由于本文采用的驅(qū)動(dòng)電路具備MOS管驅(qū)動(dòng)IC自帶死區(qū)關(guān)斷的功能，除了硬件關(guān)斷，在軟件設(shè)計(jì)中也加入了互補(bǔ)死區(qū)時(shí)間。所以死區(qū)計(jì)算在本文中是極其重要的，如果輸入輸出的PWM控制信號(hào)沒有死區(qū)余量，會(huì)導(dǎo)致上下橋臂的MOS 管在某一時(shí)刻同時(shí)導(dǎo)通。本文使用以下公式來計(jì)算死區(qū)時(shí)間：

式中：td_off_max為最大關(guān)斷延時(shí)時(shí)間；td_on_min為最小開通延遲時(shí)間；tpdd_max為驅(qū)動(dòng)電路最大傳輸延遲時(shí)間；tpdd_min為驅(qū)動(dòng)電路最小傳輸延遲時(shí)間。

2.2 開關(guān)管開關(guān)時(shí)間

本文使用IRF9530（P）和IRF540N（N）來作為主要的開關(guān)管器件，查看開關(guān)管對(duì)應(yīng)型號(hào)參數(shù)如表2～3所示。

表2 IRF9530開關(guān)參數(shù)

表3 IRF540N開關(guān)參數(shù)

在開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)已知，上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通時(shí)。此時(shí)由表2～3 可知開關(guān)管的參數(shù)如下：IRF9530 的關(guān)斷時(shí)間為31 ns+39 ns=70 ns；IRF9530 的開通時(shí)間為12 ns+52 ns=64 ns；IRF540N 的關(guān)斷時(shí)間為53 ns+43 ns=96 ns；IRF540N的開通時(shí)間為11 ns+44 ns=55 ns。

在4 開關(guān)Buck-Boost 電路中，由于半橋是由一個(gè)PMOS 和一個(gè)NMOS 組成的，可知最小開通延遲時(shí)間為：td_on_min= 70 ns + 55 ns = 125 ns = 0.125μs。則最大關(guān)斷延遲時(shí)間為：td_off_max= 64 ns + 96 ns = 160 ns = 0.16μs。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路傳輸時(shí)間

驅(qū)動(dòng)電路傳輸時(shí)間是指信號(hào)從驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出到達(dá)MOS 管控制端的時(shí)間，即延遲時(shí)間。圖5 所示為Proteus仿真的波形圖（在PWM 頻率為10 kHz 時(shí)），是PWM 信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路以后輸入與輸出對(duì)比所得到的波形，黃色為輸入，藍(lán)色為輸出。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路傳輸延遲時(shí)間

由此可知，信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后，當(dāng)輸入高電平PWM在100.25μs - 99.40μs = 0.85μs 時(shí)，才有輸出；而當(dāng)輸入PWM 由高電平轉(zhuǎn)換至低電平時(shí)，輸入的PWM 在57.27μs - 56.35μs = 0.92μs 后才輸出。所以此時(shí)可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電路最大傳輸延遲時(shí)間：

tpdd_max=57.27μs - 56.35μs = 0.92μs

最小傳輸延遲時(shí)間：

tpdd_min=100.25μs - 99.40μs = 0.85μs

將td_on_min、td_off_max、tpdd_max、tpdd_min代入式（1）計(jì)算得出死區(qū)時(shí)間為：

tdead=(0.035μs + 0.07μs) × 1.2 = 0.126μs

因?yàn)楸疚睦肞WM控制占空比，因此應(yīng)將所得到的死區(qū)時(shí)間轉(zhuǎn)化為PWM所對(duì)應(yīng)的占空比數(shù)值。在定時(shí)器的配置中，PWM 的頻率由自動(dòng)重裝載值即計(jì)數(shù)值（ARR）和預(yù)分頻值（PSC）還有該定時(shí)器所在的時(shí)鐘總線的頻率來確定。其基本公式為：

由STM32F401RCT6數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，本文中所使用的通用定時(shí)器TIM5的時(shí)鐘頻率f時(shí)鐘主頻= 84 MHz，在軟件配置的時(shí)候設(shè)定的ARR 和PSC 分別為84 000 000 /649 000和0，所以此時(shí)的PWM 頻率Fpwm= 129.3 kHz。由周期計(jì)算公式T= 1∕f可得一個(gè)周期的時(shí)間為7.73μs，所以死區(qū)時(shí)間tdead對(duì)應(yīng)的占空比數(shù)值為1.630，約等于2（此處約等于2 是由于定時(shí)器的占空比數(shù)值類型只能輸入整型）。由于中心對(duì)齊計(jì)數(shù)模式的死區(qū)時(shí)間分別分給了上升沿和下降沿一側(cè)，所以此時(shí)需要設(shè)置死區(qū)的占空比數(shù)值為2 × 2 = 4。

3 可調(diào)開關(guān)電源調(diào)試測試

圖6 所示為可調(diào)開關(guān)電源大小設(shè)計(jì)實(shí)際電路，在實(shí)際電路中，由于LM7812 和LM7805 穩(wěn)壓芯片的負(fù)載較大，導(dǎo)致發(fā)熱較為嚴(yán)重，但是對(duì)本文的可調(diào)電壓沒有影響。在經(jīng)過多次調(diào)試后增加了一個(gè)散熱風(fēng)扇，主要是對(duì)LM7812和LM7805穩(wěn)壓芯片和4開關(guān)Buck-Boost電路進(jìn)行散熱處理。其中4開關(guān)Buck-Boost電路是自己設(shè)計(jì)的PCB板子，目的就是為該電路模塊化，方便攜帶及調(diào)試。在電壓電流采集模塊上，使用10 個(gè)100 Ω 電阻并聯(lián)來組成一個(gè)大小在10 Ω的采樣電阻來對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行采樣。

系統(tǒng)上電后，首先單片機(jī)會(huì)先執(zhí)行各模塊的初始化程序，并將開機(jī)信息顯示在OLED 屏幕上。等待系統(tǒng)穩(wěn)定后，利用數(shù)字萬用表對(duì)電路進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7所示。

從以上測試結(jié)果可知，在PWM 頻率為129.3 kHz時(shí)，儲(chǔ)能電感取值為47 μH，電容為1 000 μF 時(shí)，測試輸出電壓范圍在1.48～13.48 V，如圖7（a）所示。這一測試結(jié)果驗(yàn)證了本文基于STM32 的4 開關(guān)Buck-Boost 電路數(shù)控可調(diào)開關(guān)電源大小的可行性。又因?yàn)殡娐吩谠O(shè)計(jì)過程中考慮不足，還有很多待完善之處，如圖7（b）所示，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓在高于10.93 V時(shí)，稍有小幅度波動(dòng)，但不影響開關(guān)電源的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32 可調(diào)節(jié)輸出電壓大小的開關(guān)電源，其主要采用的是4 開關(guān)Buck-Boost 電路變換電壓的方式并且是以PWM為驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)調(diào)節(jié)占空比的方式進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。并結(jié)合INA226 采集模塊、4 針I(yè)2C OLED 模塊，實(shí)現(xiàn)電流、電壓等參數(shù)的測量與實(shí)時(shí)顯示。本文中還對(duì)4 開關(guān)Buck-Boost 的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，在本文中計(jì)算得出為0.126 μs。最后根據(jù)電路原理圖制作出實(shí)物，經(jīng)調(diào)試測試得出該設(shè)計(jì)電壓的范圍為1.4～13 V 的可調(diào)電壓輸出，滿足了一定的設(shè)計(jì)要求。但本文主要有以下幾點(diǎn)不足。

（1）軟硬件設(shè)計(jì)方面。硬件設(shè)計(jì)中存在一些不足，如電路噪聲和干擾問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。軟件設(shè)計(jì)方面，程序的穩(wěn)定性和可靠性還需要進(jìn)一步測試和優(yōu)化。同時(shí)，需要更加完善的異常處理機(jī)制，使系統(tǒng)功能更加完善。

（2）電源噪聲方面。由于硬件電路元件布局不當(dāng)，會(huì)使得電路產(chǎn)生電源噪聲，后續(xù)可以進(jìn)一步修改并完善。

（3）發(fā)熱方面。系統(tǒng)中的穩(wěn)壓芯片LM7812和LM7805由于負(fù)載較多，因此發(fā)熱會(huì)稍微嚴(yán)重，在后續(xù)改進(jìn)中適當(dāng)增加穩(wěn)壓芯片的使用，減少單個(gè)穩(wěn)壓芯片的負(fù)載。

（4）體積方面。由于變壓、整流和濾波電路的元件使用之初沒有考慮到體積因素，從而導(dǎo)致樣機(jī)的體積稍大，在后續(xù)的改進(jìn)中可以采用當(dāng)前體積較小的模塊來直接代替這一部分的電路。除此之外，樣機(jī)中采用的主要模塊都是現(xiàn)成的，雖然是方便了一點(diǎn)，但是體積還是稍大。