【《数字控制DCDC变换器硬件设计案例综述》4200字】

数字控制DCDC变换器硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u1997数字控制DCDC变换器硬件设计案例 1316041.1总体设计 121191.2主控设计 29981.3辅助电源设计 3241751.4变换器主电路 429681.2.1MOS开关管选型 479401.2.2电感和电容的选定 4246951.4采样电路 69361.2.1电压采样 649651.2.2电流采样 7103561.5驱动电路 7194311.6EC11旋转编码器 9274821.7独立按键和复位按键电路 91.1总体设计本设计的数字控制电源总体的设计框图如图3-1所示，框图包括DCDC变换器、驱动电路、按键控制、显示和STM32F103C8T6主控芯片几部分组成。其中主要的部分是基于主控芯片STM32F103C8T6产生PWM波并通过软件和硬件结合实现按键控制和显示模块，同时通过ADC采样功能实现对变换器电路的输出进行电压采样和电流采样。在STM32内部有软件编写的PID控制器，可以通过处理电压和电流采样值来改变输出的PWM占空比，从而达到控制DCDC变换器开关器件的目的，最终使得输出电压无限靠近设定电压达到直流转换的目的。图3-1总体设计框图1.2主控设计系统的MCU的选择为意法半导体公司生产的STM32F103C8T6芯片作为数控电源的主控芯片。STM32F103C8T6的供电电压为2~1.6V，工作温度为-40℃~85℃，系统时钟频率最高为72MHz。在存储器方面，拥有64KB的Flash闪存和20KB的SRAM存储空间；芯片具有37个通用I/O口（PA0~PA15、PB0~PB15、PC13~PC15、PD0~PD1），晶体振荡器振荡频率在4至16MHz，RC震荡的出厂频率为8MHz；芯片有三种功能损耗模式的选择分别是睡眠模式、等待模式和终止模式；寄存器的通道多达16个，并且数据的变换时间可以达到微秒级别，两个12位的A/D转换器，且兼具高精度、实时性好、双重采样和保持能力，可以转换0至1.6V的电压；此系列的DMA配置为7个通道，所支持的外设包括五类：SPI、I2C、定时器、串口、A/D和D/A转换器等；有4个16位定时器包括高级定时器TIM1和普通定时器TIM2、TIM3和TIM4，每个定时器有多达4个通道可用于输入捕获、PWM输出、计数和输出比较。主控电路如图3-2所示，除了包括外设端口之外还包括供电电路、时钟电路、复位电路。主控芯片中端口的设置和说明如表格3-1所示，包括PWM输出端口、ADC采样端口、EC11旋转编码器的三个端口、按键端口、下载端口和OLED显示通讯端口。图3-2主控芯片原理图表格3-SEQ表格_3.\*ARABIC1引脚说明分类引脚名称对应信号说明PWMPA6PWM驱动PWM波ADC采样PA3SAMU输出电流检测PA4SAMI输出电压检测旋转编码器PB15KAA端PB14KBB端PB0KD按下LEDPA1LED_G绿灯PA2LED_R红灯SWD下载口PA13SWDIOPA14SWCLKOLEDPB10SCLIIC时钟线PB11SDAIIC数据线独立按键PB12SET启动按键1.3辅助电源设计系统的辅助电源电路设计如图3-3所示，其中VIN为输入电源端口，VCC_12V和VCC_1.3V为输出端口，C11、C12和C13为滤波电容。电路工作原理是利用输入电压经过三端集成稳压器7812和AMS117-1.3分别输出12V和1.3V电压。12V电压可以用于驱动电路和LM358等电子器件的供电，1.3V电压可以用于显示模块、主控芯片和上拉电阻等。图3-3辅助电源原理图1.4变换器主电路本课题中的DCDC变换器采用同步整流的Buck拓扑，变换器的电路原理图如图3-4所示，其中PWMH和PWML为STM32输出的PWM波经过驱动电路之后驱动电路输出的互补的两路PWM波，Q1和Q2为功率MOS管，C14为输入滤波电容，L1为滤波电感，C15和C16为输出滤波电容，VIN为输入电压，VOUT+和VOUT-为输出电压两端。图3-4DCDC变换器原理图1.2.1MOS开关管选型同步Buck变换器电路中的两个功率开关管类型选择均为N沟道增强型MOSFET，进一步选择的型号是IRF540N。IRF540N在25℃下的电特性的重要参数为：漏源极崩溃电压VDSS为100V，门阀电压VGS最小值为2V最大值为4V，导通电阻属于毫欧级别。其中因为PWM的高电平电压为1.3V在VGS的范围内，所以IRF540N可以直接被STM32输出的PWM波驱动。1.2.2电感和电容的选定当变换器工作在稳态、各元器件均为理想元器件并且线路阻抗为0、同时开关频率足够高且开关周期中电感电流以及电感电压近似不变的前提条件下，负载电压的平均电压值为式(1.1)所示，其中ton为拓扑中NMOS开关管Q1的导通时间，toff为开关管Q1截止时间，tonV滤波电感的选定：根据相关参数输入电压VIN=12~32V，输出电压VO=5~28V，开关频率f=50KHz，最大输出电流Iomax为5A，那么开关周期T为：T所以导通时间的最小值为Tonmin表示为：T要求输出纹波电流的峰峰值小于(30%~50%)的最大负载输出电流。电感纹波∆I∆所以电感数值取值表达式为：L>通过电感的电流最大值Ipeak的计算公式为：I所以实际上选择饱和电流6A以上的110μH的电感器。输出电容器的选择：选定输出电容时需要考虑三个参数分别是额定电压、额定纹波电流和等效串联电阻。根据输出电压范围为VO=5~28V，所以输出电容的耐压值应该大于28V。因为系统的开关频率为50KHz，输出纹波的峰峰值应该不大于100mV，所以输出电容的值应该为：C>其中输出电容的电流为三角波，所以它的有效值可以表示为：I所以选择实验室中较为常见的型号为470μF耐压值为50V的电解电容，根据查表得这个型号的电解电容对应的等效电阻为0.09Ω，那么理论上的ESR引起的输出纹波电压可以表示为：∆符合设计的指标要求。输入电容器的选择：选定输入电容型号时，一般会考虑电容器的额定电压、额定纹波电流和温度特性。流过输入电容的纹波电流实时有效值可以：I输入电压的纹波波动如下所示：∆所以输入电容的额定电压大于最大输入电压，额定纹波电流大于最大输入纹波电流并且输入的电容值越大纹波电压越小。1.4采样电路采用内部放大器增益高且拥有频率补偿的双运算放大器LM358来对实际输出电压和实际输出负载电流的数值进行处理使之变为能够被STM32的ADC读取的数值。1.2.1电压采样系统要求对输出电压进行测量，所以需要通过采样电路后送入STM32进行AD转换。采样电路原理图如图3-5所示，设计思路是先对输出电压经过分压后作为由运算放大器组成的电压跟随器电路的输入电压。电路图中R1和R3构成分压电路，因为电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近于1，所以运算放大器的输出电压计算公式如下所示：V因为输出电压的最大值为28V，同时根据贴片电阻常见阻值表，选取R3的阻值为1.3kΩ，R1的阻值为27kΩ。此时当VOUT+为28V时，SAMU的电平约为1.05V，符合ADC输入电平的要求。图3-5中C5为输入滤波电容，R2为限流电阻防止输出电流过高，D1为1.3V稳压管可以限制输出电压的范围防止输出电压超过1.3V，C6为输出滤波电容。图3-5电压处理原理图1.2.2电流采样系统要求对负载输出电流进行测量，所以需要通过采样电路后送入STM32进行模数转换。电流数据处理原理图如图3-6所示，通过同相放大器实现数据处理。输出电压计算公式如下所示：V其中R5和C7构成输入电压的RC滤波电路，R6电阻用于限流，C8为输出滤波电容，D2为1.3V稳压管，R35为50毫欧的康铜丝采样电阻。图3-6电流数据处理原理图在电流采样电阻的选择中，要考虑取样电阻的功率和温度漂移特性，因为通常情况下流过取样电阻的电流会很大的话，会出现取样电阻功率和温度过高的情况。所以电流取样电路可以采用康铜丝，它的温度漂移也小，精度也可控，所以康铜丝性价比很高。1.5驱动电路优秀的MOS驱动电路应该具有以下几种特性：(1)保证驱动电路在开关管切换到导通状态时能够快速地提供足够的电流，从而能够使得开关管能够快速开通并且不出现高频振荡；(2)保证开关管导通时MOS管的4栅源极间电压稳定并且变化幅度小；(3)保证开关管关断迅速；(4)理想情况下是驱动电路能够在关断瞬时给场效应管的极间电容提供一个阻抗较低的放电通路；(5)电路结构应该结构简单、可靠性高并且损耗要小，也可以视情况添加隔离。通过比较几种驱动电路的优缺点，MOS管的驱动电路选用集成IC芯片门极驱动器IR2104S来实现。IR2104(S)的引脚说明如表格3-2所示，是专门用来驱动高压和高速功率型场效应管(PowerMOSFET)以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的带高、低端参考输出通道的集成芯片，并且此芯片能够在不使用CMOS技术的情况下仍然采用高压集成电路和锁存器计数方式来实现增强型的结构。逻辑输入可与标准的CMOS或LSTTL的输出互相进行匹配，电压最小值可以达到1.3V。输出驱动为了能够获得最小跨导值所以利用了一个高脉冲电流缓冲级。采用浮动通道技术进行驱动的N沟道类型的功率MOS管或者IGBT高压侧的工作电压范围为10～600V。其中引脚为芯片的使能引脚，输入为低电平时，芯片使能；同时，输出引脚HO的输出电平与引脚IN逻辑输入电平相同，同时输出引脚LO的输出逻辑电平与IN的相反。表格3-2IR2104引脚说明引脚说明IN高和低栅极驱动器输出（HO和LO），逻辑输入EQ\*jc0\*hps12\o(\s\up11(——),SD)使能信号VB高侧浮动电源HO高侧栅极驱动输出VS高侧浮动电源回流VCC电源10~20VLO低侧栅极驱动输出COM低端回报驱动电路的原理图如图3-7所示，其中端口PWM是由STM32输出，SD可以用来控制IR2104S的工作状态，可以用来过压过流保护，PWMH、PWML和VS为驱动电路的输出，其中C17为VB和VS脚之间的外接的“自举电容”。IR2104驱动MOS的工作原理是：当Q1导通时“自举电容”C17作为浮动电压源驱动开关管Q1；当Q1截止且Q2导通时，VS处的浮动电源消失电路对C17充电，两个工作状态循环达到驱动DCDC变换器中两个功率开关管的目的。图3-7MOS驱动电路1.6EC11旋转编码器本课题利用旋转编码器来实现改变手动改变设定电压值的功能，步进值也可以设定为0.1V。旋转编码器通常有着左旋、右旋以及按下的操作方式，其中EC11是一种小型但又具有高精度的旋转编码器,输出的信号为脉冲信号。EC11旋转编码的原理图如图3-8所示，在端口KA、KB和KD处加上了上拉电阻，适用于浮空输入和输入上拉的I/O口，可以利用STM32的I/O的外部中断功能来检测EC11的工作状态。根据表格3-3可以得到检测顺时针还是逆时针的方法是将端口A设置为上升沿或下降沿触发外部中断，在外部中断函数中检测A端口为低电平时检测B的端口电平，当B引脚为高电平时表明EC11向顺时针方向旋转，反