可调恒流/恒压源设计

这次分享的是我大学时候的毕业设计，题目是自己出的，不是很难，旨在温习一下基础知识，对分离式开关电源的设计和参数调试有更直接的认知，也让我在闲暇之余不再那么累（偷下懒哈哈，因为刚刚考过研）。

闲话不多说，上要求：
本设计拟采取buck拓扑，利用同步整流技术和数字闭环技术，设计实现一个可调的恒压/恒流源。该电源指标如下：具有恒压/恒流模式切换功能；整机最大功率大于200W；整机效率大于92%；系统输入DC5V-100V，恒压模式输出电压1V-50V步进可调，恒流模式输出电流0.5A-15A且步进可调；输出电压纹波小于20mVPP；

接下来分享大致的设计过程：

<一>总体摘要
本研究旨在设计一个集恒流和恒压一体化的智能电源。在具体设计实现上，本系统以STC15W4K58S4单片机作为MCU，以BUCK同步整流电路作为功率主拓扑，辅以栅极驱动电路、电压/电流采样电路、蓝牙、OLED显示等模块组成。使用该单片机的16位高精度PWM波，经过栅极驱动电路去驱动主拓扑的功率对管，用该单片机进行输出电压采样和电流采样，从而形成电流环和电压环，通过PID调节PWM波的占空比进而实现恒流/恒压控制。测试表明，该电源峰值功率接近100W，峰值电流7A以上，基本达到题目要求，且该设计原理对恒流控制具有启发意义。最终的实现：本系统实现了超高效率（最高效率98%，平均整体效率94%以上），超低纹波（10mVpp以内的纹波电压，指得是恒压模），超小面积（长宽高=1054cm）和智能控制（手机APP控制）。

<二>总体设计方案
NOTE：具体的设计原理在本博客中不详细给出，需要读者自行找资料了解或者联系我索取。

step1：由前所述,恒流/恒压的实现方法多种多样，也各有优缺点。现在对本设计的方案进行原理上的论证。系统的总体功能框图如图3-1所示，从中得知，恒流、恒压的关键在于两个环路──电流环和电压环。从手机端通过蓝牙串口助手发送指令，经蓝牙转串口模块得到串口数据传给MCU，这一条链为指令控制链。MCU得到相应的指令并解码后，由PWM模块控制输出PWM波，去控制功率电路的功率开关管，因为直接由MCU输出的PWM信号的驱动能力有限且，功率电路采用的是同步整流结构，故存在功率对管，所以栅极驱动电路起到以下作用：增加PWM波的驱动电流并隔离MCU和功率电路；由一路输入得到两路互补的带死区控制的PWM信号（死区控制：防止功率对管同时导通而烧坏管子）；最重要的是该电路实现了电压自举，从而能够去驱动BUCK电路的高端ENMOS（关于该点，在后续内容中会详细叙述），故栅极驱动电路作用不小。
在输出端，分别进行电压和电流取样，其中电流可以通过运放实现IV转换，最后取样量均是电压，然后将这两个取样量馈送至MCU，经过比例计算可以得到实际的输出值，将实际输出值与设置的预期值进行比较，然后实时调整PWM波的占空比以让输出值对预设值做趋向运动。
实际上，用一句话说，上述恒流/恒压的原理就是利用两个环路实现PID闭环调节得到恒定输出。所以，经上述分析，该方案具有可行性。

上图 恒流/恒压源总体功能框图

step2：整体设计的原理图

step3：软件设计部分
先上图–>

后解释–>
现对流程图进行必要的说明。经过3次程序优化后，程序最终只采用了两个中断，Timer0中断和Uart1中断，Uart1中断为高优先级，Timer0中断为低优先级，其作用是电源模式选择和设定输出值以及开关PWM，这样设置就保证了USER的指令不会丢失（虽然存在丢失现象，但概率已经非常低了，经测试，基本上100次指令只出现2-3次指令丢失），因为USER发送指令后，指令的接收是放在Uart1中断中完成的，Uart1中断可以打断Timer0中断和主函数的执行。Timer0中断来实现PWM的占空比的修改、限流和限压以及系统心跳指示灯的闪烁，采用16位自动重装方式，每隔1ms程序会进入Timer0中断（忽略Uart1中断的打断）。

系统上电后，首先完成OLED、Uart1、PWM、ADC以及Timer0的初始化，然后进入初始化界面显示。此时各部分已准备就绪，主循环等待串口指令的到来，并设定标志位flag_Uart，进入串口中断后置flag_Uart = 1。程序默认串口先进行模式选择，然后才是输出电流或电压的设定。模式选择是SBUF = ‘+’表示恒压，SBUF = '-'表示恒流，并分别置flag_mode为1和0。收到第一次模式指令后flag_Uart = 1，会在OLED上显示电源模式，然后置flag_Uart = 0和Adj = 1。当判断flag_Uart = 0且Adj = 1后，程序进入ADC采集，通过ADC4和ADC5对电压环和电流环反馈值进行采样，此时，若收到输出值设定指令，程序会调用Pwm_Adj函数实现增量型PID调节，PID调节的实际上是PWM波的DUTY，在这个函数中会不断改变DUTY，然后每隔1ms进入Timer0中断生效DUTY的修改值，并且ADC一直处于采集状态，Pwm_Adj也在时刻进行，当达到设定的精度后，实际输出值会趋近设定值，从而实现恒流和恒压功能。

关于限流和限压，是在Timer0中断中进行的。实现的方法其实很简单，通过调试得到DUTY和输出值的关系，然后在中断里加入if判断进行软件限定。但是这种设定，对于不同的输入，设定的输出限流值和限压值会发生变化，因为BUCK电路的输出计算公式 Vout=DVin=VinTon/T（其中，D表示PWM波的占空比，T表示PWM波的周期，Ton表示PWM波高电平持续时间）。

关于软件的设计，总共经历了多次修改。其中一次修改如下：开始时，由恒压部分程序的影响，一直寻找电流和占空比的关系，由于这两者之间的关系十分复杂或者一般不讨论它们的关系，从而使得软件设计陷入僵局。最后改变思路，形成了软件比较器的方案，即比较器的其中一个输入由用户自定义输入（这个值就是预定的输出值），另一个输入值则通过ADC实时采集输出值（分压或转换得到合适的AD值），两者比较并设定精度范围，最后再调节DUTY，进而实现实际输出值趋向设定值。

step4：上板调试
假设硬件电路设计已经完成，随后在文末给出PCB设计图，这里不过多赘述。

这里给出栅极驱动器ir2109的关键波形（因为总有很多的童鞋弄不好这个东西，希望后来的学弟学妹能够少走弯路）。
直接上图：
测试条件，直流供给电压为VIN = 20V，IR2104供电电压为VCC = 10.5 V；

高端HO输出波形：

低端LO输出波形：

悬浮端VB输出波形：

悬浮端VS输出波形：

还是说几句吧，由理论分析可知，电压VB = VS + VCC（最大值），如图5-6、图5-7所示，满足上述关系。HO与LO波形相位相反（不考虑死区时间），且在PWM给高电平期间，Ug = 30.8V，VS = 21.6V，Ugs = 9.2V满足ENMOS管开启电压的要求，完美实现高端MOS的升压驱动。
由于在NMOS关断时刻，由于流过电感的电流不能不变，而是呈现线性下降的趋势，所以输出电压会迅速下降，并减小至-1V（一般考虑续流二极管压降为-1V），此时由电感，负载，二极管形成放电回路，由于续流二极管的钳位作用，会使得VS端的电压下降到-1V而不再下降。所以，VS端最低电压是-1V。
到这，一切都很ok，驱动波形也是十分的给力，好，go on！

接下来进入参数测试阶段：
化繁为简，上关键测试图：

极限参数测试（最高效率没做记录，记得是97.9%）：

恒压模式测试结果简表：

恒流模式测试结果简表：

恒压模式纹波（ 恒压5V时输出纹波）：

恒流模式纹波（恒流输出1.3A时的纹波电压）：

step5：结论
结论1：由上表测试结果可知，恒压源输出可从1V-20V连续可调（24V输出没有测量）；负载越重（电阻值越小），相对地纹波越大；在低电压输出测试时，相对误差比较大，主要是因为硬件电路的ADC采集误差较大；电流在整个测试范围内，相对误差小于等于3%；关于电压纹波，最大值约10mVpp。
结论2：恒流源输出电流范围为0.5A-7A（下限可以继续降低，但是误差会比较大，上限在现有条件下可以达到8A，但是不建议长时间大电流使用）；电流的调节步进为0.15A，相对误差在低电流输出时比较大，主要原因也是ADC采集误差较大，相对误差小于等于4%。

NOTE：低纹波实现源于采用两级滤波结构，另一部分原因也与PCB布局有关，布局见下。

补充1：PCB设计图
啥也别说了，正面：

反面：

效果图：

实物：

补充二：蓝牙APP界面
蓝牙设计采用的易安卓设计。

NOTE：原文太长了，这里结合关键做了简要描述，到此整个电源设计基本完成！

欢迎指正交流！