基于STM8S103K3的数字式恒压恒流电源设计-AET-电子技术应用

基于STM8S103K3的数字式恒压恒流电源设计

2016年微型机与应用第06期

胡维庆，颜建军，刘哲纬

（浙江机电职业技术学院电气电子工程学院，浙江杭州 310053）

摘要： 设计了一种数字式精密直流电源，以开关稳压芯片XL4012为基础，以STM8S103K3为控制核心，应用数字控制技术将直流电源与嵌入式系统结合起来。采用D/A给定实现系统逐步调节输出实际值，保证了系统输出的稳定性和精确性。使用键盘输入实现人机交互功能，能够实时显示电压电流值。试验测试结果表明，该系统具有输出稳定性好、控制精度高、操作方便等特点，具有较好的应用价值。

关键词： 直流电源 XL4012 数字控制 STM8S103K3

Abstract：

Key words :

　　胡维庆，颜建军，刘哲纬

　　（浙江机电职业技术学院电气电子工程学院，浙江杭州 310053）

　　摘要：设计了一种数字式精密直流电源，以开关稳压芯片XL4012为基础，以STM8S103K3为控制核心，应用数字控制技术将直流电源与嵌入式系统结合起来。采用D/A给定实现系统逐步调节输出实际值，保证了系统输出的稳定性和精确性。使用键盘输入实现人机交互功能，能够实时显示电压电流值。试验测试结果表明，该系统具有输出稳定性好、控制精度高、操作方便等特点，具有较好的应用价值。

　　关键词：直流电源；XL4012；数字控制；STM8S103K3

0引言

　　直流电源在工业生产和科学研究中应用非常广泛。现实中，常常用到的电源都是采用采样电阻方式调节输出值，这样使得电源输出可调节范围小、精度低、不稳定、难以控制、可靠性低，有时不能满足要求［1］。本文采用STM8S103K3为控制核心，通过TLC5618输出电压值调节XL4012，结合数字技术，提高了电源的输出精度，且操作方便、读数直观、输出稳定。随着科学技术的不断发展，电源逐渐向数字化、智能化的方向发展。

1总体设计

　　本电源输入交流220 V市电，通过ACDC变换电路（包括变压电路、整流滤波电路）得到直流电压，直流电压再经过DC-DC斩波电路输出所需要的直流信号。应用STM8S103K3控制A/D转换器采样输出信号，经过采样得到的输出信号与键盘设定值进行比较，实时调节D/A转换器的输出值来控制斩波电路的电压反馈端，这样构成闭环系统，以精准控制输出信号［2］。输出信号值通过键盘进行设定，输出信号是直流电压还是直流电流可以通过键盘切换。经过STM8S103K3对数据处理后在数码管上显示出信号值，清晰可见，非常方便。系统框图如图1所示。

2硬件电路设计

　　2.1DCDC斩波电路设计

　　DC-DC斩波电路采用降压型稳压芯片XL4012进行设计，DC-DC斩波电路输入电压为5～30 V。芯片XL4012工作电流大，转换效率高，输出线性度好，适合多种场合应用。DC-DC斩波电路如图2所示。XL4012的管脚5是输入端，输入电压经过滤波电容C1和C2输入到芯片。管脚3是输出端，经过L1、C3和C4构成的滤波电路输出直流电压。管脚2是电压反馈端，通过改变反馈端电压来不断调节输出。

　　2.2电压电流采样电路设计

　　从电源输出的一端引出输出电压，与电阻网络R2、R3和R4的分压相叠加，输入到反比例运算放大电路的同相端［3］，由MPC6002构成的反比例运算放大电路对输入电压放大后送到CPU的AD采样通道，CPU会计算出实际的输出电压值，这样构成了电压采样电路。电流采样电路是在电源输出的另一端与地端之间接了一个微小阻值的精密电阻R0，从R0端采样电压，与电阻网络R9、R10和R11的分压相叠加，输入到由MPC6002构成的反比例运算放大电路的同相端，经放大后送到CPU的另一个AD采样通道，CPU会计算出实际的输出电流值。电压电流采样电路如图3所示。

　　2.3CPU电路设计

　　系统采用STM8S103K3作为控制器。STM8S103K3是意法半导体公司推出的一款基于STM8内核的产品，其以高速度、高性能、高效率、高可靠性以及片内丰富资源在工业等领域获得广泛应用。在STM8S103K3的管脚OSCIN与OSCOUT之间跨接晶体振荡器和微调电容，其与芯片内部电路构成一个稳定的时钟脉冲振荡器，晶振频率选取8 MHz。STM8S103K3的管脚NRST接了一个低电平复位电路，系统上电时会自动复位或者通过按键手动复位，最小系统如图4所示［4］。

　　2.4D/A转换电路设计

　　DCDC斩波电路中的降压芯片XL4012的管脚2是反馈端，需要提供不同的电压才能调节输出。反馈端FB需要的电压是通过STM8S103K3外部扩展的D/A转换芯片TLC5618来实现。TLC5618是一个具有双通道12位电压输出型的数模转换器，具有3线串行接口，其输出电压是基准电压的两倍，需要的基准电压由LM117提供［5］。LM117是输出电压可以调节的稳压器，通过调节管脚1端的电位器就可改变其输出电压。其调压范围宽、稳定性能好、使用容易。STM8S103K3发出的数字信号经过D/A转换电路变成0～5 V的电压，然后经过电压跟随器送给XL4012的反馈端，这样就可以调节输出值。D/A转换电路如图5所示。

　　2.5键盘和显示电路设计

　　系统输出参数的设定使用按键方式，采用独立式按键，接口简单。当有按键按下时，CPU响应相应按键处理程序。键盘与CPU接口电路如图6所示。

　　系统参数显示电路采用LED数码管电路，显示系统由集成电路74LS245、74LS04和7段LED数码管构成。输出数据由CPU给出，经过74LS245驱动后送到LED进行显示。显示电路如图7所示。

　　2.6辅助电源电路设计

　　系统中各电路需要5 V电源才能正常工作，这个供电电源由芯片XL1509实现，XL1509是一个DCDC电源转换芯片。输入到DCDC斩波电路XL4012的电源同时送入XL1509芯片，管脚1是电压输入端，输入电压范围是4.5~40 V。管脚2是电压输出端，输出电压经过LC滤波后得到稳定的5 V，输出电流最大达到2 A，供给其他电路使用。管脚3是电压反馈端，由电阻R30和R31分压后反馈到管脚3。辅助电源电路如图8所示。