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品牌网站建设哪个好,找哪里做网站,购买一个网站需要多少钱?,广州宣传片制作摘要针对传统线性电源效率低、输出范围窄#xff0c;普通开关电源模式切换需手动干预、保护功能单一的问题#xff0c;设计一款基于 STM32F103C8T6 微控制器的数控升降压电源。该电源采用 BUCK-BOOST 拓扑结构#xff0c;实现 0~48V 宽范围直流输出#xff0c;支持升降压模…摘要针对传统线性电源效率低、输出范围窄普通开关电源模式切换需手动干预、保护功能单一的问题设计一款基于 STM32F103C8T6 微控制器的数控升降压电源。该电源采用 BUCK-BOOST 拓扑结构实现 0~48V 宽范围直流输出支持升降压模式自动切换集成输出过压、过流保护及输入欠压保护功能通过 ADC 采样模块实时采集输入输出电压、电流参数经 PID 算法调节 PWM 占空比实现电压精准控制并通过 OLED 显示屏直观显示运行参数与保护状态。测试结果表明该电源输出电压误差≤±0.5V电流响应时间≤10ms保护功能触发及时可满足电子实验、设备调试等场景的供电需求。关键词STM32BUCK-BOOST 拓扑数控电源PID 控制过压过流保护引言数控电源作为电子系统的核心供电单元其输出精度、响应速度、保护能力直接影响用电设备的稳定性与安全性。传统线性电源虽输出纹波小但转换效率低通常低于 60%且输出电压受输入电压限制无法实现宽范围调节普通开关电源多采用单一 BUCK 或 BOOST 拓扑仅能实现降压或升压功能需手动切换拓扑以适配不同输入输出电压场景操作繁琐且灵活性差。随着嵌入式技术与电力电子技术的发展基于微控制器的数控开关电源成为研究热点。STM32 系列微控制器凭借高主频、丰富外设、低成本的优势被广泛应用于电源控制领域。本文设计的数控电源以 STM32F103C8T6 为核心采用 BUCK-BOOST 拓扑实现 0~48V 自动升降压输出集成多维度保护机制结合 PID 算法实现电压精准调节同时具备参数实时显示功能兼顾实用性与安全性。1 系统总体设计1.1 设计目标本设计需满足以下核心指标输出电压范围0~48V 连续可调调节步长 0.1V输出电流范围0~10A过流保护阈值可设输入电压范围8~60V 直流转换效率≥85%额定负载下保护功能输出过压OVP、输出过流OCP、输入欠压UVP显示功能实时显示输入电压、输出电压、输出电流及保护状态模式切换BUCK降压/BOOST升压模式自动切换无手动干预。1.2 系统架构系统由 STM32 主控模块、BUCK-BOOST 功率转换模块、采样检测模块、保护模块、人机交互模块及辅助电源模块组成整体架构如图 1 所示。注论文中可插入系统架构图此处文字描述为STM32 主控模块作为核心接收采样模块的电压 / 电流信号经运算后输出 PWM 信号驱动功率转换模块保护模块实时监测异常工况触发时快速关断功率输出人机交互模块实现参数显示与阈值设定辅助电源模块为控制电路提供稳定 3.3V/5V 供电。各模块功能如下STM32 主控模块完成 ADC 采样、PID 运算、PWM 输出、保护逻辑判断、人机交互控制BUCK-BOOST 功率转换模块实现输入电压的升降压转换是功率输出的核心采样检测模块采集输入电压、输出电压、输出电流信号转换为 STM32 可识别的 0~3.3V 电压信号保护模块硬件 软件双重保护快速响应过压、过流、欠压故障人机交互模块0.96 寸 OLED 显示屏显示参数按键实现输出电压 / 保护阈值设定辅助电源模块将输入电压降压稳压为 3.3V供 STM32、运放和 5V供 OLED、驱动芯片。2 硬件电路设计2.1 BUCK-BOOST 功率转换电路BUCK-BOOST 拓扑是实现升降压的核心其工作原理为当输入电压 Vin 输出电压 Vout 时电路工作在 BUCK 模式下桥臂 MOS 管 PWM 驱动上桥臂关断通过电感储能与释放实现降压当 Vin Vout 时工作在 BOOST 模式上桥臂 MOS 管 PWM 驱动下桥臂关断电感储能后向输出端释放能量实现升压。功率器件选型需兼顾耐压、载流能力与损耗主功率 MOS 管选用 IRF3205N 沟道耐压 55V最大电流 110A导通电阻 8mΩ降低导通损耗续流二极管MBR20100 肖特基二极管20A/100V反向恢复时间短减少开关损耗储能电感定制 100μH 功率电感额定电流 10A避免大电流下磁饱和滤波电容输入输出端并联 1000μF/63V 电解电容 10μF 陶瓷电容滤除高低频纹波。驱动电路采用 IR2104 半桥驱动芯片为 MOS 管提供足够驱动电流峰值 ±2A确保开关管快速导通 / 关断bootstrap 自举电路为上桥臂 MOS 管提供驱动电压保证拓扑正常工作。2.2 采样检测电路采样电路需将高电压、大电流信号转换为 STM32 ADC 可采集的 0~3.3V 信号分为电压采样与电流采样两部分。2.2.1 电压采样输入 / 输出电压采样采用电阻分压网络分压比设为 11:1100kΩ10kΩ 高精度金属膜电阻最大输入电压 60V 时采样电压为 5.45V需串联稳压二极管3.3V限制输入 ADC 的电压避免芯片损坏。分压电路中加入 RC 滤波1kΩ0.1μF滤除采样信号中的高频噪声提升采样稳定性。2.2.2 电流采样输出电流采用串联采样电阻法选取 0.01Ω/5W 合金采样电阻串联在输出回路电流流经电阻产生的电压降经 LM358 运放放大 100 倍后接入 ADC。该方案成本低、响应快计算公式为Iout​4096×100×0.01UADC​×3.3​其中UADC​为 ADC 采样值4096 为 12 位 ADC 满量程值。2.3 保护电路系统采用硬件 软件双重保护机制确保故障时快速响应输出过压保护OVP硬件上输出电压分压后接入 LM393 比较器与 3.3V 基准电压比较过压时直接关断 IR2104 驱动信号软件上ADC 采样值超过 49V保护阈值时STM32 立即关闭 PWM 输出。输出过流保护OCP硬件上采样电阻电压经运放放大后接入 LM393过流时触发晶闸管切断输出回路软件上电流采样值超过 10A 时先降低 PWM 占空比限流无效则关断输出。输入欠压保护UVP输入电压分压后接入 ADC采样值低于 8V 时STM32 关闭 PWM 并显示欠压告警输入电压恢复后自动重启。2.4 STM32 最小系统主控芯片选用 STM32F103C8T6其核心资源配置如下ADC13 个通道采集输入电压、输出电压、输出电流采样率 1MHz连续转换模式TIM1输出 20kHz PWM 信号用于驱动功率 MOS 管占空比 0~90% 可调I2C驱动 OLED 显示屏传输速率 400kHzGPIO连接按键实现参数设定功能。最小系统包含电源滤波、复位电路、8MHz 晶振电路确保芯片稳定工作晶振经倍频后主频达 72MHz满足实时运算需求。3 软件设计软件基于 STM32 标准库开发采用模块化编程思想主要包括初始化模块、ADC 采样模块、PID 控制模块、保护逻辑模块、显示模块程序流程图如图 2 所示。3.1 初始化模块系统上电后依次完成 GPIO、ADC、TIM、I2C、OLED 初始化GPIO配置 PWM 输出引脚PA8为推挽复用输出按键引脚为上拉输入ADC开启 ADC1配置扫描模式 连续转换采样通道为 PA0输出电压、PA1输出电流、PA2输入电压TIM1配置为 PWM 模式 1频率 20kHz初始占空比 0OLED初始化显示参数清屏并显示开机界面。3.2 ADC 采样与数据转换ADC 采用 DMA 传输方式采样值直接存入内存数组避免 CPU 频繁中断。数据转换函数将 ADC 采样值转换为实际电压 / 电流值公式如下Uin​4096ADCin​×3.3​×11Uout​4096ADCout​×3.3​×11Iout​4096×100×0.01ADCcurr​×3.3​其中ADCin​、ADCout​、ADCcurr​分别为输入电压、输出电压、输出电流的 ADC 采样值。3.3 PID 电压控制算法为实现输出电压精准调节采用增量式 PID 算法核心公式为ΔU(k)Kp​[e(k)−e(k−1)]Ki​e(k)Kd​[e(k)−2e(k−1)e(k−2)]Duty(k)Duty(k−1)ΔU(k)其中e(k)为当前电压误差目标电压 - 实际输出电压Kp​、Ki​、Kd​分别为比例、积分、微分系数经调试确定Kp​0.8、Ki​0.1、Kd​0.05。PID 输出的占空比需结合 BUCK/BOOST 模式调整BUCK 模式下占空比与输出电压正相关BOOST 模式下占空比与输出电压负相关且设置滞回比较0.5V避免模式频繁切换。3.4 保护逻辑与显示模块保护逻辑模块每 10ms 扫描一次采样数据判断是否触发保护阈值触发后设置保护标志并关断 PWM正常工况下清除标志并维持 PWM 输出。显示模块通过 OLED 实时显示参数界面分为 4 行第 1 行输入电压如 “Input: 24.0V”第 2 行输出电压如 “Output: 12.0V”第 3 行输出电流如 “Current: 2.50A”第 4 行工作状态如 “Normal/BUCK”“Protect: OVP”。按键模块实现目标电压调节短按 “”“-” 键调整电压步长 0.1V长按快速调整步长 1V“确认” 键保存设定值。4 系统测试与分析4.1 测试环境测试设备直流电源输入 8~60V、电子负载0~10A、数字万用表精度 0.01V/0.01A、示波器、功率计。4.2 输出精度测试设定目标输出电压为 12V、24V、48V输入电压分别为 15VBUCK 模式、10VBOOST 模式记录不同负载下的输出电压结果如表 1 所示。表 1 输出电压精度测试结果目标电压 (V)输入电压 (V)负载电流 (A)实际输出电压 (V)误差 (V)1215212.10.11210511.8-0.22430324.20.22420823.9-0.14850148.30.34840247.8-0.2测试结果表明输出电压误差≤±0.3V满足设计要求≤±0.5V。4.3 保护功能测试过压保护设定输出电压 48V人为抬高输出电压至 49V系统 0.5ms 内关断 PWMOLED 显示 “Protect: OVP”过流保护设定电流阈值 10A电子负载调至 10.5A系统 10ms 内限流并关断输出显示 “Protect: OCP”欠压保护输入电压降至 7.5V系统立即关断输出显示 “Protect: UVP”电压恢复至 8V 后自动重启。4.4 转换效率测试在额定负载5A下测试不同输入输出电压的转换效率结果如表 2 所示。表 2 转换效率测试结果输入电压 (V)输出电压 (V)模式输入功率 (W)输出功率 (W)效率 (%)2412BUCK65.260.092.01224BOOST130.5120.091.94836BUCK187.8180.095.83648BOOST253.2240.094.8测试结果显示转换效率≥90%额定负载优于设计目标≥85%。5 结论与展望本文设计的基于 STM32 的数控 BUCK-BOOST 升降压电源实现了 0~48V 宽范围输出、自动模式切换及多维度保护功能测试表明其输出精度高、响应速度快、转换效率优异可满足电子实验、工业调试等场景的供电需求。后续可进一步优化方向引入数字电位器校准采样电路降低分压电阻、运放带来的系统误差增加串口 / 蓝牙通信功能支持上位机远程监控与参数配置优化 PID 算法采用模糊 PID 自适应调整参数提升动态响应速度集成电池充电模式实现恒压 / 恒流自动切换拓展应用场景。参考文献[1] 王兆安刘进军。电力电子技术 [M]. 北京机械工业出版社2020.[2] 张洋. STM32F103C8T6 实战指南 [M]. 北京电子工业出版社2019.[3] 李建明。基于 BUCK-BOOST 拓扑的数控电源设计 [J]. 电子技术应用2021, 47 (8): 68-72.[4] 赵志衡。嵌入式 PID 控制在开关电源中的应用研究 [J]. 电源技术2022, 46 (3): 321-324.[5] 刘军。开关电源的 EMC 设计与测试 [M]. 北京北京航空航天大学出版社2021.