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【经验分享】基于STM32F334的数字电源

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STMCU小助手 发布时间:2022-1-7 20:11
数字电源指电源系统的控制应用MCU,DSP或FPGA等的计算能力和离散控制形成的闭环控制,随着科学技术的快速提高,必然促使电源向数字化与智能化发展。针对该领域ST堆出的STM32F33x系列是高性能32位ARM Cortex-M4 MCU,工作频率高达72MHz,并嵌入了浮点单元(FPU),集成了高速嵌入存储器,特别它的高分辨率的定时器(达217ps)和两个超高速5Msps(0.2µs)12位模数转换器(ADC),采样时间最低21ns,用于电压电流同步测量。
6 }3 }2 n+ e1 g* w8 w    该方案采用同步BUCK-BOOST的拓扑结构,实现降压升压输出。结构示意图如下图所示。M1、M2、M3、M4为mos管,L选择大电流合金功率电感,RSENSE电流采用电阻,用于过流保护。

- E! u" o7 o) s( v9 H) I                                             
3 ~) b/ {7 g$ Z0 p( b     工作原理:
( \/ I4 f! j0 ?+ }( V: b$ d                  当VIN>>VOUT时,两路互补PWM加在M1和M2,M4导通,M3关闭;/ W, c( ]/ @0 ]! w' x
                  当VIN<<VOUT时,M1导通,M2关闭,两路互补PWM加在M3和M4;
, v( ?1 `' \5 A                  当VIN约等于VOUT时,M1和M3、M2和M4分别工作在同一状态。
3 u# N  R* Q5 k) k* ^2 o5 d                  通过改变占空比改变改变输出电压。
" h1 p( N5 ~" K3 M/ d" M& e, \           控制算法:
+ n. P" v) l6 X                  本方案采用双闭环的PID控制,电流环作为内环,电压环为外环。电压环的反馈为输出电压,电压环的输出作为电流环的输入,电感电流作为电流环的反馈,采用双闭环的控制方式,可以加快输出电压的跟踪,减小稳态误差。                            该方案的目标:$ _0 N. ~1 n& v
                      电压:5V~36输入,1.8V~36V输出; }1 F6 g' Z" ~0 y
                     电流:5A, l1 @) ^4 H; q( m1 ^( j
                     最大功率:150W
$ ~/ i4 ~, E4 s6 h6 y2 W
========================================
$ a2 h( U! G4 Y) O
原计划是采用STM32F334这款芯片来完成这个DC/DC转换器,但苦于这款芯片货源不是很丰富,难以买到合适。所以后面换了TI的TMS320F28069来代替,不过现在已经买到了ST这款芯片,目前也正在开发用STM32F334作为控制器的DC/DC转换器。
2 b" Z9 b& \6 r8 `. w) m2 \废话不多说,进入正题
* t0 Q# f( r2 c% r========================================================================& g" |8 g' [! n; r; a

' Z5 c% B) ~: P& t: I& I6 v
非隔离双向DC/DC转换器
描述:
        本设计实现了一个非隔离双向降压升压功率转换器,适合于太阳能微转换器、数字电源和电池充放电应用。最大亮点是可实现功率双向流动,即功率能从输入端流入输出端,也可以从输出端流向输入端,这个功能在电池应用上很有作用,因为在一个功率电路上实现和充放电功能,这也是未来发展方向,在新能源上应用广泛。
特性:

    3 C, O1 D7 R" l  r5 o; U3 F
  • BUCK-BOOST拓扑结构,升降压转换器
  • 输入电压:10~80V,输出电压:5~80V
  • 电流:8A
  • 功率:300w
  • 高效率设计,支持的最大效率超过 95%
  • 250 KHz 快速开关频率支持更小的无源组件,从而减小电路板面积并延长寿命。
  • 三个满足各种应用场合的控制模式:1) 输出电压控制 2) MPPT 控制(输入电流控制)3) 反向电流控制。
  • C2000™ Piccolo™ TMS320F28069 微控制器实现该转换器的控制。* T3 l7 y% X7 r7 u6 X% S
硬件构成:
    - ^8 S' `2 _7 ]9 T
  • 300w功率板
  • c2000 TMS320F28069系统卡2 Y, s% u8 I% n# p% r, Z1 r' R
应用场合:
1)数字电源,可升可降的DC/DC转换器
2)太阳能储能发电,太阳能MPPT控制器
3)电池充放电设备,可实现充放电于一体
工作原理:
拓扑结构有点小改变,具体如下图:

, X: r3 P6 q9 J" g; K8 I
+ Y; F$ R3 G- ]7 V% Y+ f
通过上图,我们可以看出右边是一个BOOST电路,左边是BUCK电路,两边是对称的,这个拓扑的较原来的方案较易控制;并且我们可以看到,输入输出都有电感,这方便输入输出进行滤波。当然成本会增加。

' }' @5 `% j7 `, m硬件展示:- X0 `3 n" ]# y1 V9 p
# b4 i$ R( }0 u2 n2 k, t+ e  N
9 O& Z* L$ z. I7 H3 r9 ]
, R' _6 P. K2 C% d. E
8 [% W- D+ I0 A% w

7 w8 Q+ c- H& |; B) v
6 a6 v5 Y+ F9 O/ p; G) O1 P, @& U; [

- `  M- N! ~  \: e$ r& u7 `" k

8 x" z7 d$ }- W- |. e* I; a8 E3 a( l" m6 R+ \: F% H. d( G
2 v- s! _) |8 ~
, u1 L4 o& @' M. n5 w! t' D
, j5 y* O4 b% K  T
原理图:
. }* ^* R1 y# V2 N& ]  X. y( Y功率电路
: b- L! Y+ \/ y; F
2 e5 ~1 ~1 S1 G  v  G. U' Q7 C
接口电路
5 \' ?, u$ g# p6 G

0 z  K1 ~! O3 f8 x( a- A2 w
辅助电源
7 P! Z6 e# J# O! T& c8 p3 h- p

/ I7 ?/ _5 F1 p: o* d/ j6 X$ S
信号调理
6 a# w* B+ _5 q

  l6 S4 j% J1 A- ~
布局图

. {% A$ C: l' ?. ]

( y" l  y' u0 E+ w
收藏 评论1 发布时间:2022-1-7 20:11

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1个回答
愤怒的电容 回答时间:2022-3-29 14:33:59

这个厉害了,要好好学习一下

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