CN109951077B - 一种程控直流电源模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种程控直流电源模块，在原有降压型Buck斩波电路的基础上将降压型Buck斩波电路中的反馈回路的采样电阻采用所述的数字电位器电压调节电路中的数字电位器代替，单片机最小系统根据接口单元选择的调压控制模式，选择输入控制信号采集电路所输出的信号，通过I2C总线控制数字电位器电压调节电路中的数字电位器的阻值，从而达到根据所述的输入控制信号采集电路的信号控制程控直流电源模块输出电压在一定范围内自动调节。无需调节可调电位器和传感器的每个刻度点对输出进行测试和误差校准，可以减少大量的测试和校准时间，方便产品量产，避免由于传感器采集误差造成的输出测量误差。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，更为具体地讲，涉及一种程控直流电源模块。
背景技术
程控直流电源模块是一种小型化开关电源模块，广泛应用于航空、航天、机载和雷达等电子系统领域。
DC-DC开关电源的控制电路简单易于设计，效率高，元件的尺寸小，热量管理更加简单，输出电流大，常用于直流电源模块的设计。但是目前DC-DC开关电源的解决方案只能输出一个固定的电压值，不能根据系统的需求输出具有动态范围的电压。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种程控直流电源模块，使输出电压根据系统的需求在一定的动态范围内变化。
为实现上述发明目的，本发明程控直流电源模块，其特征在于，包括：
一单片机最小系统；
一接口单元，所述接口单元包括三选一开关控制电路，连接至单片机最小系统的三个IO引脚，三个I/O引脚分别对应三种调压控制模式：电压调节模式、电阻调节模式、串口调节模式，低电平有效；
一输入控制信号采集电路，所述输入控制信号采集电路包括传感器电压采集电路、电阻值采集电路、串口采集电路，其中：
传感器电压采集电路中传感器输出的电压经过转换，得到单片机最小系统中ADC的输入电压范围电压，并输入到单片机最小系统中第一ADC的第一个通道；
电阻值采集电路中可调电位器使其输出一定范围内变化的电压到单片机最小系统中第一ADC的第二个通道；
串口采集电路输出连接至单片机最小系统的UART引脚，输入与上位机连接；
一数字电位器电压调节电路，所述数字电位器电压调节电路通过I2C总线连接至单片机最小系统；
一DC-DC电源拓扑电路，所述DC-DC电源拓扑电路采用降压型Buck斩波电路，降压型Buck斩波电路中的反馈回路的采样电阻采用所述的数字电位器电压调节电路中的数字电位器代替；
当接口单元选择了一种调压控制模式，使得单片机最小系统对应的IO引脚变成低电平，单片机最小系统工作在对应的调压控制模式：
在电压调节模式时，与传感器电压采集电路连接的单片机最小系统中第一ADC的第一个通道工作，得到传感器采样电压值，单片机最小系统根据传感器采样电压值在传感器采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中查找到相应的数字电位器寄存器值，然后通过I2C总线将查找得到的数字电位器寄存器值写入数字电位器电压调节电路中的数字电位器寄存器中，从而设置数字电位器的阻值，DC-DC电源拓扑电路根据数字电位器的阻值输出相应的直流电压；
在电阻调节模式时，与电阻值采集电路连接的单片机最小系统中第一ADC的第二通道工作，得到电阻采样电压值，单片机最小系统根据电阻采样电压值在电阻采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中查找到相应的数字电位器寄存器值，然后通过I2C总线将查找得到的数字电位器寄存器值写入数字电位器电压调节电路中的数字电位器寄存器中，从而设置数字电位器的阻值，DC-DC电源拓扑电路根据数字电位器的阻值输出相应的直流电压；
在串口调节模式，与串口采集电路连接的单片机最小系统的UART引脚有效，上位机输出数字电位器寄存器值到串口采集电路，再通过单片机最小系统的UART引脚送入到单片机最小系统中，单片机最小系统通过I2C总线将数字电位器寄存器值写入数字电位器电压调节电路中的数字电位器寄存器中，从而设置数字电位器的阻值，DC-DC电源拓扑电路根据数字电位器的阻值输出相应的直流电压；与此同时，单片机最小系统中第二ADC采集DC-DC电源拓扑电路输出的直流电压，根据输出直流电压与传感器采样电压值对应关系，将传感器采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中对应传感器采样电压值对应的数字电位器寄存器值修改为上位机输出的数字电位器寄存器值，根据输出电压与电阻采样电压值对应关系，将电阻采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中对应电阻采样电压值对应的数字电位器寄存器值修改为上位机输出的数字电位器寄存器值。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明程控直流电源模块，在原有降压型Buck斩波电路的基础上将降压型Buck斩波电路中的反馈回路的采样电阻采用所述的数字电位器电压调节电路中的数字电位器代替，单片机最小系统根据接口单元选择的调压控制模式，选择输入控制信号采集电路所输出的信号，通过I2C总线控制数字电位器电压调节电路中的数字电位器的阻值，从而达到根据所述的输入控制信号采集电路的信号控制程控直流电源模块输出电压在一定范围内自动调节。
同时，本发明程控直流电源模块在串口调节模式下，通过串口采集电路使用上位机应用软件对输出电压进行自动校准即根据单片机最小系统中第二ADC采集的DC-DC电源拓扑电路输出的直流电压来修改传感器采样电压值-数字电位器寄存器值对照表、电阻采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中的数字电位器寄存器值，从而实现了对程控直流电源模块出厂前的自动测试和误差校准，而无需调节可调电位器和传感器的每个刻度点对输出进行测试和误差校准，可以减少大量的测试和校准时间，方便产品量产，避免由于传感器采集误差造成的输出测量误差。
附图说明
图1是本发明程控直流电源模块一种具体实施方式的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明程控直流电源模块一种具体实施方式的原理图。
在本实施例中，如图1所示，程控直流电源模块包括单片机最小系统1、接口单元2、输入控制信号采集电路3、数字电位器电压调节电4、DC-DC电源拓扑电路5、输出滤波电路6、以及供电及保护电路7。
所述单片机最小系统1由STM32的主控芯片构成，单片机最小系统1的电源输入端与所述供电及保护电路7的+3.3V输出端连接。
所述接口单元2包括三选一开关控制电路，连接至单片机最小系统1的三个IO引脚，三个I/O引脚分别对应三种调压控制模式：电压调节模式、电阻调节模式、串口调节模式，低电平有效。三选一开关控制电路的输入接低电平，选中那种调压控制模式，则选择输出低电平到对应的I/O引脚。
所述输入控制信号采集电路3包括传感器电压采集电路、电阻值采集电路、串口采集电路，其中：
传感器电压采集电路中传感器输出的电压经过转换，得到单片机最小系统中ADC的输入电压范围电压，并输入到单片机最小系统中第一ADC即ADC1的第一个通道。所述电压调节模式采用传感器电压采集电路调节。在本实施例中，所述的传感器电压采集电路中传感器输出的电压范围为0～5V，需要转换为0～2.5V的单片机最小系统中ADC的输入电压范围。
电阻值采集电路中可调电位器使其输出一定范围内变化的电压到单片机最小系统中第一ADC即ADC1的第二个通道。所述电阻调节模式采用电阻值采集电路调节，所述电阻值采集电路输入端连接单片机最小系统DAC引脚，提供同相放大的参考电压，所述电阻值采集电路采用同相比例放大电路。在本实施例中，所述电阻值采集电路中可调电位器阻值范围为0～1kΩ，输出电压范围为1～2V。
串口采集电路输出连接至单片机最小系统的UART引脚，输入与上位机连接。
所述数字电位器电压调节电路4通过I2C总线连接至单片机最小系统1。在本实施例中，所述字电位器电压调节电路的供电输入连接至供电及保护电路7的+3.3V输出端。
所述DC-DC电源拓扑电路5采用降压型Buck斩波电路，降压型Buck斩波电路中的反馈回路的采样电阻采用所述的数字电位器电压调节电路中的数字电位器代替。
当接口单元2选择了一种调压控制模式，使得单片机最小系统1对应的IO引脚变成低电平，单片机最小系统1工作在对应的调压控制模式。
在电压调节模式时，与传感器电压采集电路连接的单片机最小系统1中第一ADC即ADC1的第一个通道工作，得到传感器采样电压值。单片机最小系统1根据传感器采样电压值在传感器采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中查找到相应的数字电位器寄存器值，然后，通过I2C总线将查找得到的数字电位器寄存器值写入数字电位器电压调节电路4中的数字电位器寄存器中，从而设置数字电位器的阻值，DC-DC电源拓扑电路5根据数字电位器的阻值输出相应的直流电压。
在电阻调节模式时，与电阻值采集电路连接的单片机最小系统1中第一ADC即ADC1的第二通道工作，得到电阻采样电压值，单片机最小系统1根据电阻采样电压值在电阻采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中查找到相应的数字电位器寄存器值，然后，通过I2C总线将查找得到的数字电位器寄存器值写入数字电位器电压调节电路4中的数字电位器寄存器中，从而设置数字电位器的阻值，DC-DC电源拓扑电路5根据数字电位器的阻值输出相应的直流电压。
在串口调节模式，与串口采集电路连接的单片机最小系统1的UART引脚有效，上位机输出数字电位器寄存器值到串口采集电路，再通过单片机最小系统1的UART引脚送入到单片机最小系统1中，单片机最小系统1通过I2C总线将数字电位器寄存器值写入数字电位器电压调节电路4中的数字电位器寄存器中，从而设置数字电位器的阻值，DC-DC电源拓扑电路根据数字电位器的阻值输出相应的直流电压。与此同时，单片机最小系统1中第二ADC即ADC2采集DC-DC电源拓扑电路5输出的直流电压，根据输出直流电压与传感器采样电压值对应关系，将传感器采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中对应传感器采样电压值对应的数字电位器寄存器值修改为上位机输出的数字电位器寄存器值，根据输出电压与电阻采样电压值对应关系，将电阻采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中对应电阻采样电压值对应的数字电位器寄存器值修改为上位机输出的数字电位器寄存器值。
在本实施例中，供电及保护电路7外接直流输入电压，对直流输入电压进行简单的滤波处理，同时供电及保护电路7能对电源短路和负载电流过大做出保护，确保用电设备的安全。所述供电及保护电路7作为DC-DC电源拓扑电路的输入，提供28V的电源。所述供电及保护电路7还提供+3.3V电压输出连接所述单片机最小系统1和数字电位器电压调节电路4。
在本实施例中，输出滤波电路6包括由电感和电容构成π型滤波器。根据实际电路计算和调节相应电感电容参数，对程控直流电源模块输出的纹波进行处理，以满足设备的技术指标。所述输出滤波电路6的输出端连接至外部输出，为外部设备提供电源。
应用实例
在本应用实例中，本发明作为一种用于仪表盘供电的程控直流电源模块。该程控直流电源控制有三种模式：手动调节模式、自动调节模式和数字接口校准模式，在白天夜晚或者外界环境发生变化时，能够手动和根据光照亮度自动调节仪表盘供电电压从而达到更适合用户操作的显示清晰度。
手动调节模式即采用电阻调节模式，通过调节电阻值采集电路中的可调电位器阻值使程控直流电源模块输出的一定可变范围直流电压。在本应用实例中，可调电位器阻值为0～1kΩ，电阻值采集电路输出1～2V，根据电阻采样电压值-数字电位器寄存器值对照表(表1)选择对应的调整数字电位器寄存器值，范围为910～270，控制DC-DC电源拓扑电路5经过滤波电路6输出10.00V～20.00V的直流电压，之间的关系如表1所示。
表1
自动调节模式即电压调节模式下，通过传感器电压采集电路中的传感器(此时为光传感器)检测环境中的光照强度输出一定可变范围的直流电压0～5V。自动调光模式下的输入控制信号为光传感器电压，根据光传感器输出的直流电压(0～5V)通过分压电路转换为能满足ADC采集要求的电压0～2.5V，根据传感器采样电压值-数字电位器寄存器值对照表(表2)选择对应的调整数字电位器寄存器值，范围为910～270，控制DC-DC电源拓扑电路5经过滤波电路6输出10.00V～20.00V的直流电压，之间的关系如表2所示。
表2
数字接口校准模式即串口调节模式下，通过串口采集电路使用上位机应用软件对输出直流电压进行出厂前的自动校准。数字接口校准模式下的输入控制信号为写入数字电位器寄存器的一系列数字电位器寄存器值，上位机可以通过串口采集电路直接写入数字电位器阻值来控制DC-DC电源拓扑电路输出任意直流电压，输出直流电压再由ADC采集通过串口采集电路上传至上位机，以实现对程控直流电源模块出厂前的自动测试和误差校准：根据输出直流电压与传感器采样电压值对应关系，将传感器采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中对应传感器采样电压值对应的数字电位器寄存器值修改为上位机输出的数字电位器寄存器值，根据输出电压与电阻采样电压值对应关系，将电阻采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中对应电阻采样电压值对应的数字电位器寄存器值修改为上位机输出的数字电位器寄存器值。无需调节可调电位器和光强传感器的每个刻度点对输出进行测试和误差校准，可以减少大量的测试和校准时间，方便产品量产，避免由于传感器采集误差造成的输出测量误差，之间的测量关系如表3所示。
表3
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种程控直流电源模块，其特征在于，包括：
一单片机最小系统；
一接口单元，所述接口单元包括三选一开关控制电路，连接至单片机最小系统的三个IO引脚，三个I/O引脚分别对应三种调压控制模式：电压调节模式、电阻调节模式、串口调节模式，低电平有效；
一输入控制信号采集电路，所述输入控制信号采集电路包括传感器电压采集电路、电阻值采集电路、串口采集电路，其中：
传感器电压采集电路中传感器输出的电压经过转换，得到单片机最小系统中ADC的输入电压范围电压，并输入到单片机最小系统中第一ADC的第一个通道；
电阻值采集电路中可调电位器使其输出一定范围内变化的电压到单片机最小系统中第一ADC的第二个通道；
串口采集电路输出连接至单片机最小系统的UART引脚，输入与上位机连接；
一数字电位器电压调节电路，所述数字电位器电压调节电路通过I2C总线连接至单片机最小系统；
一DC-DC电源拓扑电路，所述DC-DC电源拓扑电路采用降压型Buck斩波电路，降压型Buck斩波电路中的反馈回路的采样电阻采用所述的数字电位器电压调节电路中的数字电位器代替；
当接口单元选择了一种调压控制模式，使得单片机最小系统对应的IO引脚变成低电平，单片机最小系统工作在对应的调压控制模式：
在电压调节模式时，与传感器电压采集电路连接的单片机最小系统中第一ADC的第一个通道工作，得到传感器采样电压值，单片机最小系统根据传感器采样电压值在传感器采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中查找到相应的数字电位器寄存器值，然后通过I2C总线将查找得到的数字电位器寄存器值写入数字电位器电压调节电路中的数字电位器寄存器中，从而设置数字电位器的阻值，DC-DC电源拓扑电路根据数字电位器的阻值输出相应的直流电压；
在电阻调节模式时，与电阻值采集电路连接的单片机最小系统中第一ADC的第二通道工作，得到电阻采样电压值，单片机最小系统根据电阻采样电压值在电阻采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中查找到相应的数字电位器寄存器值，然后通过I2C总线将查找得到的数字电位器寄存器值写入数字电位器电压调节电路中的数字电位器寄存器中，从而设置数字电位器的阻值，DC-DC电源拓扑电路根据数字电位器的阻值输出相应的直流电压；
在串口调节模式，与串口采集电路连接的单片机最小系统的UART引脚有效，上位机输出数字电位器寄存器值到串口采集电路，再通过单片机最小系统的UART引脚送入到单片机最小系统中，单片机最小系统通过I2C总线将数字电位器寄存器值写入数字电位器电压调节电路中的数字电位器寄存器中，从而设置数字电位器的阻值，DC-DC电源拓扑电路根据数字电位器的阻值输出相应的直流电压；与此同时，单片机最小系统中第二ADC采集DC-DC电源拓扑电路输出的直流电压，根据输出直流电压与传感器采样电压值对应关系，将传感器采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中对应传感器采样电压值对应的数字电位器寄存器值修改为上位机输出的数字电位器寄存器值，根据输出电压与电阻采样电压值对应关系，将电阻采样电压值-数字电位器寄存器值对照表中对应电阻采样电压值对应的数字电位器寄存器值修改为上位机输出的数字电位器寄存器值。
2.根据权利要求1所述的程控直流电源模块，其特征在于，还包括输出滤波电路以及供电及保护电路；
供电及保护电路外接直流输入电压，对直流输入电压进行滤波处理，同时供电及保护电路能对电源短路和负载电流过大做出保护，确保用电设备的安全；所述供电及保护电路作为DC-DC电源拓扑电路的输入，提供28V的电源；所述供电及保护电路还提供+3.3V电压输出连接所述单片机最小系统和数字电位器电压调节电路；
输出滤波电路包括由电感和电容构成π型滤波器，根据实际电路计算和调节相应电感电容参数，对程控直流电源模块输出的纹波进行处理，以满足设备的技术指标；所述输出滤波电路的输出端连接至外部输出，为外部设备提供电源。
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