基于PID算法的四开关数字电源的设计与实现

时间：2024-07-28

冀晓霏，郭栋梁，牛亮，薛冠男

(山西大众电子信息产业集团有限公司信息设备研究所，山西太原 030024)

近些年，随着新项目的牵引和国内各元器件研制单位的技术攻关，国产电子元器件水平取得长足发展[1]，但国内集成稳压模块的研制，一般采用进口的电源管理芯片作为内核，外围搭建进口或国产分离元器件制作出各种功率的集成模块，主要元器件国产化率不高。本文主要是对经典降压电路和升压电路进行研究，设计一款基于PID算法的四开关数字电源。研究数字电源，可以通过器件选型选取国产单片机等相关芯片及分离元件，绕过国外的集成电源芯片的技术封锁，为实现自主可控国产电源奠定基础。

1 系统方案结构

数字电源由四开关升降压主电路、保护电路、MOS管驱动电路、电源转换电路、液晶屏驱动电路、信号采集电路及单片机主控电路构成，结构框图如图1。

图1 数字电源结构框图

单片机主控电路以STM32F334为主控芯片，通过F334的高分辨率定时器HRPWM生成所需PWM来驱动四开关MOS管通断，实现升降压控制；信号采集电路用于实时采集电源的运行参数，利用PID算法对采集信号进行运算控制，实现恒压或恒流输出；F334依据采集信号和运算结果控制保护电路工作，实现过压过流保护；电源转换电路用于产生12V和3.3V两路电源，为其它电路提供电源；液晶屏支持触摸操作，可用于设置输出电压或电流，液晶屏实时显示数字电源的运行参数及故障信息等。

1.1 四开关升降压主电路

本设计最高电压为36V，最大电流为5A，这里选用国产华润微生产的MOS管CRST065N08N，耐压高达80V，最大持续电流85A，其主电路如图2所示。

图2 四开关升降压主电路

1.2 电源转换电路

电源电路选用上海贝岭生产的BL9359和BL1117-33X两款芯片，将升降压主电路的输入端和输出端作为输入，经BL9359转换产生DC 12V，为MOS管驱动电路供电。再通过BL1117-33X转换产生DC3.3V，为运放和F334提供电源。

1.3 MOS管驱动电路

驱动电路采用上海贝岭生产的半桥MOS驱动芯片BLD2113，该芯片10～20V的VCC工作电压范围，最高系统工作电压可达600V,2.5A/2.5A驱动电流能力。

1.4 信号采集电路

采集电路利用国产运放芯片SGM358，将输入输出电压按比例缩小到F334内部ADC能够接受的采样范围，对其进行采样处理。

针对输出电流的采集，本系统将采样电阻放在升降压主电路低端，由于采样电阻比较小，压降较低，需要通过SGM358放大后再进行采样。

1.5 液晶屏驱动电路

液晶屏驱动电路通过RS232串口与单片机进行通信，将单片机上传的信息(电源运行参数、故障信息)在液晶屏上进行实时显示。它还支持触摸操作，可用于设置输出电压或电流。

1.6 主控电路

STM32F334具有高分辨率定时器(HRTIM)外设，控制精度达217ps，HRTIM由一个主定时器和5个子定时器组成。F334主要应用于DC/DC转换、BUCK/BOOST转换、DC/AC转换及各种不同拓扑结构的电源控制场合。

2 软件设计

软件设计由单片机控制软件和人机交互软件组成。其中单片机控制软件采用增量型PID电压/电流控制模式，它将采集到的输出电压/电流值与用户期望的输出值比较产生偏差值。PID算法依据偏差值计算出所需的PWM占空比，通过调整占空比实现恒压或恒流输出。单片机进行PID运算和PWM占空比更新均在定时器3中进行[3]。软件流程如图3所示。

图3 软件流程图

本设计中液晶屏支持触摸操作，这里选用迪文公司生产的串口电容触摸屏进行人机交互软件设计。首先，利用迪文DGUS软件完成图形界面设计后通过SD卡导入触摸屏中，然后通过特定指令进行TFT驱动、显示、串口通信等软件设计。