CN209787044U - 一种多通道数字电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道数字电源，包含主控制器，用户交互的按键控制电路、OLED显示电路，STM32F334控制最小系统板，BUCK/BOOST硬件电路，ADC采样电路，驱动电路以及防反接电路，采用主从式处理器架构，具有多路双向输入输出口和多路单向输出口，接口丰富，通过主控制器进行参数设定，传输给控制最小系统板，达到控制输出的效果，控制最小系统板将系统参数如电压电流等返回给主控板，主控板通过OLED进行显示；对于支持SMBUS协议的锂电池，可实现充放电功能的自适应；硬件具备串行通讯总线接口，可与电脑进行通讯，上位机显示和控制数字电源。

Description

一种多通道数字电源

技术领域

本实用新型属于供电设备领域，尤其涉及一种采用主从式处理器架构的多通道数字电源。

背景技术

近年来，随着人们对电子设备的依赖性日益增强，对设备的续航时间提出越来越高的要求，因此一种集充电-供电功能于一体的电子产品——移动电源应运而生。从现有的资料来看，有些文献中采用两个单向DC/DC变换器反向并联的结构以纯硬件电路的方式实现充电与供电的功能，由于其能量的流向固定并不具备可逆性，因此显著增加了系统元器件的数量并降低功能密度。而在有些文献中提出了以处理器和电源管理芯片协同工作的方式进行电池充放电状态管理的方案，虽然这样增加了系统的集成度，但输出功率较小，随着目前电池单体容量的提升，快速充电、提高充电功率成为趋势，该技术方案显然不适用。另外也有一些文献资料提出采用电源管理芯片将双向变换器的控制逻辑固化于芯片中，但是无法实现不同档位的电压输出和更大的充电电流。数字开关电源具有高效性、高适应性以及灵活的交互功能，可对其应用的系统进行监控，并实时处理电源参数，能满足任何复杂的电源要求，外围电路精简，具有灵活多变的设计方案，简化了硬件开发过程。现有技术中，数字电源有两种双向 BUCK/BOOST的拓扑结构：第一种双向BUCK/BOOST的拓扑结构有正向降压和反向升压两种工作模式，即在一个方向上只能降压或升压，但就使用而言不能满足比较宽的电压需求范围；第二种双向BUCK/BOOST的拓扑结构则在同一方向上既能实现升压，又能实现降压，但是该方案的输入输出口单一，不能满足供电需求。

实用新型内容

为克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种多通道数字电源，采用主从式处理器架构，具有多路双向输入输出口和多路单向输出口，接口丰富，主控制器进行参数设定后传输给控制最小系统板，实现输出的控制；对于支持SMBUS协议的锂电池，还可实现充放电功能的自适应；硬件具备串行通讯总线接口，可与电脑进行通讯，上位机显示和控制数字电源。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多通道数字电源，其特征在于，包括：

作为控制核心的主控制器；

作为执行机构的控制最小系统板；

用于控制电池充放电过程的双向DC-DC变换电路，所述双向DC-DC变换电路为BUCK-BOOST电路；

用于驱动双向DC-DC变换电路的驱动电路；

用于采集输入电压、输出电压、输出电流的信号并将采集的信号进行运算控制、恒压恒流输出的ADC采样电路；

用于为系统供电的辅助电源电路；

用于与用户交互的设定输出口电压和电流值的按键电路；

用于显示工作状态、输出电压、输出电流参数信息的显示电路，显示电路连接OLED屏；

所述控制最小系统板设置至少2块，至少2块控制最小系统板并联，所述控制最小系统板与所述主控制器采用SPI总线通讯，每一块控制最小系统板控制一路输出电压电流，通过主控制器操控控制最小系统板的拓扑结构，并且通过设置控制最小系统板的输入输出模式，实现多路输入，多路输出；所述主控制器分别与辅助电源电路、按键电路、显示电路连接；所述主控制器与显示电路使用IIC总线通讯，OLED屏显示工作状态、输出电压、输出电流参数信息；所述双向DC-DC变换电路、电压电流采样电路和电池充放电电路与控制做小系统板对应设置至少2个，每一块控制最小系统板与双向DC-DC变换电路、电压电流采样电路和电池充放电电路连接，至少2个双向DC-DC变换电路完全相同，即有至少2个完全相同的BUCK-BOOST电路，每一块控制最小系统板连接一个 BUCK-BOOST电路，单独控制各路输出，双向DC-DC变换电路分别与直流稳压电源和电池充放电电路连接，所述电池充放电电路与电压电流采样电路连接；所述辅助电源为主控制器、控制最小系统板、驱动电路、显示电路、OLED供电。进一步的，所述主控制器为STM32F107芯片，STM32F107是意法半导体推出全新STM32互连型(Connectivity)系列微控制器中的一款性能较强产品，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用。

进一步的，所述控制最小系统板为STM32F334，所述驱动电路为UCC27211 芯片，所述UCC27211芯片驱动MOS管，所述STM32F334的HRPWM模块产生PWM， STM32F334的PWM输出信号引脚接到UCC27211芯片，UCC27211芯片的HO和LO 引脚分别用于控制BUCK-BOOST电路的上管和下管的导通与关断，达到调节占空比控制电压电流的目的；所述UCC27211芯片的5脚和6脚为控制最小系统板的 PWM输入信号引脚，3脚和8脚为驱动电路的输入控制信号引脚，4脚为自举输出引脚。UCC27211芯片为TI具有独立的高侧和低侧驱动的半桥驱动芯片，该芯片内部集成自举二极管，外部需要连接自举电容，采用自举升压的方式驱动高侧MOS管。

进一步的，所述电流采样电路采用INA282芯片，INA282芯片的1和8脚分别连接采样电阻R52的两端，INA282芯片对电流进行采样。

进一步的，所述辅助电源电路包括XL6019电路、LM2596-ADJ电路、LM317 电路和另一LM2596-ADJ电路；XL6019电路与输入口连接，XL6019电路的输出端与LM2596-ADJ电路输入端相连，LM2596-ADJ电路输出端分别与LM17电路和另一LM2596-ADJ电路相连；电流采样电路的输入电压先经过XL6019升压至40V，经过降压模块LM2596-ADJ降压至12V，得到的12V电压分为两路，一路经过LM317 得到3.3V电压为单片机供电，另外一路经过LM2596-ADJ得到5V输出，并为驱动电路、OLED显示电路、按键控制电路、主控制器供电。XL6019是一款专为升压、升降压设计的单片集成电路，在DC5V到40V输入电压范围工作，低纹波，内置功率MOS；XL6019内置固定频率振荡器与功率补偿电路，简化了电路设计； PWM控制环路可以调节占空比从0-90％之间线性变化；内置过流保护功能于EN 脚逻辑电平关断功能。LM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150KHZ)和基准稳压器 (1.23v)，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。提供的有：3.3V、5V、12V及可调 (-ADJ)等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。LLM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2V到37V时能够提供超过1.5A的电流，此稳压器非常易于使用。

进一步的，所述电压采用电路包括输入输出口电压分压电阻R54和R61、升压缓冲模块分压电阻R55和R60，得到的分压值连接到STM32F334的电流采样引脚，通过运算得到实际值。

进一步的，所述双向输入输出口设置包括SMBUS协议的充电协议，含有SMBUS 协议的锂电池，可通过STM32F334与锂电池中的芯片进行通讯来获取锂电池的状态，来达到充放电自适应的功能。

主控制器上设有串行通讯总线接口，可与电脑进行通讯，上位机显示和控制数字电源。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1.以STM32F334为数字控制核心，由BUCK/BOOST电路组成的双向DC/DC变换器，相对于模拟控制而言，采用数字控制技术能降低控制系统的硬件设计、灵活实现复杂控制算法，有助于系统智能化。同时本实用新型带有多个双向输入输出口，可以实现输入输出功能的切换，另外还包含多个单向输出口，可固定5V输出、12V输出和5-24V可调电压输出。同时，通过软件更新改变系统功能和控制算法，该变换器可以适用于不同功率需求、多个电压档位输出的移动电源应用场合；

2.本实用新型以STM32F107为主控制器，通过按键设定对应口的输入输出状态，同时可设定输出口的输出电压与输出电流，实时的读取各个口的状态，通过OLED显示；

3.本实用新型中的双向口支持SMBUS协议，对于支持SMBUS协议的充电电池，可实现充电的自适应功能；

4.硬件具备串行通讯总线接口，可与电脑进行通讯，上位机显示和控制数字电源。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

图1是本实用新型整体结构框图。

图2是本实用新型整体结构电路图。

图3是本实用新型单路控制结构示意图。

图4是本实用新型BUCK/BOOST拓扑结构示意图。

图5是本实用新型BUCK/BOOST电路与电压采样电路。

图6是本实用新型电流采样电路。

图7是本实用新型驱动控制电路。

图8是本实用新型防反接电路。

图9是本实用新型3.3V输出电路。

图10是本实用新型5V输出电路。

图11是本实用新型多通道适配器输入输出结构框图。

图12是本实用新型STM32F334逻辑控制图一。

图13是本实用新型STM32F334逻辑控制图二。

图14是本实用新型STM32F107逻辑控制图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。

实施例1

本实用新型以双向BUCK/BOOST为基础，扩展了一种多输入多输出的拓扑结构。所述的数字电源包含主控制器，用户交互的按键控制电路、OLED显示电路， STM32F334控制最小系统板，BUCK/BOOST硬件电路，ADC采样电路，驱动电路以及防反接电路。本实用新型中5V输出为硬件实现，其他5路都是以STM32F334 为控制芯片基础并联设置5路，并与主控制器采用SPI总线通讯。本实用新型中以STM32F107为主控制器，功能是采集按键信号设置电压电流大小、控制OLED 显示、通过SPI总线传输设置的电压电流值给STM32F334，主控制器读取按键输入，主控制器与STM32F334采用SPI总线的通讯方式，通过片选的方式(片选信号)，把指令发送给对应输入/输出口的控制最小系统板STM32F334。STM32F34 通过对电路中的电压和电流进行采样，并与主控制器下发的设定值进行比较，经过PI算法进行计算，得到PWM占空比，通过驱动器驱动BUCK/BOOST电路中的场效应管进行控制，达到调节电压电流的效果，根据电池的充电特性，在程序中实现恒压与恒流控制的切换。主控制器定时发送指令读取给各个控制最小系统板，控制最小系统板解析指令，并返回对应的数据给主控制器，从而获取电路中的信息，如电压电流等，主控制器可将获取的数据通过IIC通讯的方式发送给OLED进行显示。对于支持SMBUS协议的锂电池，可通过STM32F334与锂电池中的芯片进行通讯来获取锂电池的状态，来达到充放电自适应的功能。

本实用新型的控制结构框架入下图1-3所示，对于输入口，由AD采样电路对输入电压、电流以及升压缓冲模块电压进行信号变换，由STM32F334对采样电路的输入电压信号进行转换并作相应的运算，STM32F334以升压缓冲模块的电压值为反馈信号，经过PI控制算法运算之后得到PWM输出占空比，将升压缓冲模块的电压稳定在42V，同时通过SPI总线将输入电压和电流值传给STM32F107， STM32F107通过IIC总线将数据传给OLED进行显示。对于输出接口，由按键设定输出口的电压和电流值，并由STM32F107通过SPI总线传给STM32F334，作为电压、电流控制环路的给定信号，将检测到的输出口电压、电流值作为反馈信号，经过PI控制算法计算之后得到PWM占空比，控制输出电压或输出电流。而对于输出电压控制与输出电流控制的不同之处是给定和反馈不同，当处于电压控制模式时，以设定电压为给定，输出实际电压为反馈，两者的误差作为PI控制器的输入；当处于电流控制模式时，则以设定电流为给定，输出实际电流为反馈，两者的误差作为PI控制器的输入。

本实用新型采用的拓扑结构如下图4所示，其中正向为升压，反向为降压。从左至右为BOOST(升压)模式，从右向左为BUCK(降压)模式。BOOST模式下，上管Q1关断，下管Q2导通时，电容C1为电感L充电；上管Q1导通，下管Q2 关断时，电容C1和电感L同时放电，为电容C2充电；BUCK模式下，上管Q1导通，下管Q2关断时，电容C2同时向电感L和电容C1充电；上管Q1关断，下管Q2导通时，电感L向电容C1放电。通过控制上管Q1和下管Q2导通(或关断的时间)，就达到了控制输出电压或电流的效果。

BUCK/BOOST拓扑结构中BUCK电路和BOOST电路采用了同一个电感，所以电感的选用要同时适合BUCK电路和BOOST电路的参数要求，电路中的电感和电容值要通过理论公式严格计算。

本实用新型中的电压采样和BUCK/BOOST中的电路图如图5所示，电压采样电路由两个分压电阻组成：输入输出口电压分压电阻R54和R61以及升压缓冲模块分压电阻R55和R60，将得到的分压值连接到STM32F334的AD采样引脚，最后通过运算得到实际值。至于BUCK/BOOST的工作原理则不再重复介绍，详见图2介绍。

如图6所示，本实用新型中，通过INA282芯片对电流进行采样，INA282的 1和8脚分别连接图3的采样电阻R52的两端。

如图7所示，BUCK/BOOST驱动电路为UCC27211芯片，5脚和6脚为单片机的PWM输入信号引脚，3脚和8脚为驱动电路的输入控制信号引脚，4脚为自举输出引脚。

如图8所示，该电路为输入防反接电路，当输入反接时场效应管Q6处于关断状态，防止了输入反接的情况。

如图9-10所示，辅助电源电路包括XL6019电路、LM2596-ADJ电路、LM317 电路和另一LM2596-ADJ电路；XL6019电路与输入口连接，XL6019电路的输出端与LM2596-ADJ电路输入端相连，LM2596-ADJ电路输出端分别与LM17电路和另一LM2596-ADJ电路相连；双向口1、2、3的输入电压先经过XL6019升压至 40V，经过降压模块LM2596-ADJ降压至12V，得到的12V电压分为两路，一路经过LM317得到3.3V电压为单片机供电，另外一路经过LM2596-ADJ得到5V输出。

多通道适配器输入输出部分的结构框图，如图11所示，三路双向口的任一路的输入电压，经BOOST模块被升压至42V，根据对各个口的输出电压进行设定，控制各个口的输出电压。

STM32F334主控制器引脚如表1所示。

表1 STM32F334主要引脚说明

STM32F107主控制器引脚如表2所示。

表2 STM32F107主要引脚说明

本实用新型采用主从控制模式，主机为STM32F107，从机为STM32F334(共5 块)。

STM32F334程序控制流程图如图12-13所示。

STM32F107程序控制流程图如图14所示，至于采样、SPI通讯、串口通讯等程序与STM32F334相似，不再赘述。

实施例2

本实用新型中控制最小系统板STM32F334可以设定多块，例如2块、3块、 4块、6块、7块等，多块控制最小系统板之间并联连接并连接在主控制器 STM32F107的引脚上，主控制器STM32F107通过片选的方式实现多路输入多路输出。

主控制器上设有串行通讯总线接口，可与电脑进行通讯，上位机显示和控制数字电源。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种多通道数字电源，其特征在于，包括：

作为控制核心的主控制器；

作为执行机构的控制最小系统板；

用于控制电池充放电过程的双向DC-DC变换电路，所述双向DC-DC变换电路为BUCK-BOOST电路；

用于驱动双向DC-DC变换电路的驱动电路；

用于采集输入电压、输出电压、输出电流的信号并将采集的信号进行运算控制、恒压恒流输出的ADC采样电路；

用于为系统供电的辅助电源电路；

用于与用户交互的设定输出口电压和电流值的按键电路；

用于显示工作状态、输出电压、输出电流参数信息的显示电路，显示电路连接OLED屏；

所述控制最小系统板设置至少2块，至少2块控制最小系统板并联，所述控制最小系统板与所述主控制器采用SPI总线通讯，每一块控制最小系统板控制一路输出电压电流，通过主控制器操控控制最小系统板的拓扑结构，并且通过设置控制最小系统板的输入输出模式，实现多路输入，多路输出；所述主控制器分别与辅助电源电路、按键电路、显示电路连接；所述主控制器与显示电路使用IIC总线通讯，OLED屏显示工作状态、输出电压、输出电流参数信息；所述双向DC-DC变换电路、电压电流采样电路和电池充放电电路与控制做小系统板对应设置至少2个，每一块控制最小系统板与双向DC-DC变换电路、电压电流采样电路和电池充放电电路连接，至少2个双向DC-DC变换电路完全相同，即有至少2个完全相同的BUCK-BOOST电路，每一块控制最小系统板连接一个BUCK-BOOST电路，单独控制各路输出，双向DC-DC变换电路分别与直流稳压电源和电池充放电电路连接，所述电池充放电电路与电压电流采样电路连接；所述辅助电源为主控制器、控制最小系统板、驱动电路、显示电路、OLED供电。

2.根据权利要求1所述一种多通道数字电源，其特征在于：所述主控制器为STM32F107芯片。

3.根据权利要求2所述一种多通道数字电源，其特征在于：所述控制最小系统板为STM32F334，所述驱动电路为UCC27211芯片，所述UCC27211芯片驱动MOS管，所述STM32F334的HRPWM模块产生PWM，STM32F334的PWM输出信号引脚接到UCC27211芯片，UCC27211芯片的HO和LO引脚分别控制BUCK-BOOST电路的上管和下管的导通与关断，达到调节占空比控制电压电流的目的。

4.根据权利要求1所述一种多通道数字电源，其特征在于：所述电流采样电路采用INA282芯片，INA282芯片的1脚和8脚分别连接采样电阻R52的两端。

5.根据权利要求1所述一种多通道数字电源，其特征在于：所述辅助电源电路包括XL6019电路、LM2596-ADJ电路、LM317电路和另一LM2596-ADJ电路；XL6019电路与输入口连接，XL6019电路的输出端与LM2596-ADJ电路输入端相连，LM2596-ADJ电路输出端分别与LM17电路和另一LM2596-ADJ电路相连。