摘要：本系统以Buck降压斩波电路为核心，以STC12C5A60S2单片机为主控制器和PWM信号发生器，根据反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出。系统输出直流电压5V，可以通过键盘设定和步进调整，最大输出电流超过3.2A，电压调整率和负载调整率低，DC-DC变换器的效率达到93.9%。
关键词：开关电源 降压型 负载识别 STC12C5A60S2单片机 CSDl8532KCS MOS
一、电路主回路选择
12单片机与BUCK电路结合
采用由STC12C5A60S2单片机控制的Buck型DC—DC降压器。即通过单片机产生PWM脉冲信号，经过IR2104控制MOS，从而控制BUCK降压电路。由于该电路有专门的控制芯片，因而容易实现，电路结构简单，且由单片机进行电流、电压采集，使外围电路减少，降低电路功耗，减轻重量。
IR2104型半桥驱动芯片能够驱动高端和低端两个N沟道MOSFET，能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功用。而且IR2104价钱低廉，功用完善，具有自举浮动电源，驱动电路简单。
经分析可知，CUK变换器需要耦合电容器，效率比较低。Buck-Boost变换器噪声纹波较大，电路复杂化；综上考虑：12单片机与BUCK降压拓扑电路最合适。
二、控制方法及实现方案
采用脉冲宽度调制PWM（Pulse Wildth Modulation）的控制方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比，控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。
1、PWM波形产生
单片机能够产生稳定的PWM波型，可以调节PWM的频率，调整PWM的占空比，更于方便控制PWM波，实现电压和电流的调控，所以采用单片机。
2、系统总体方案的确定
单片机输出PWM波形，驱动电路驱动开关器件，把直流变成方波，并根据题目要求利用Altium Designer软件的PCB布局走线设计出自己的等效阻容滤波回路，滤平峰尖脉冲，得到直流电压。通过负反馈，把电压最终稳定在所要的数值上。系统框图如图2所示：
图 2
3、开关器件的选择
本系统设计中，在满足电流应力和电压应力，同时保证系统高效率的前提下，选用了IRF3205作为开关管，该开关管为N沟道型MOSFET，额定电压为50V，额定电流为90A，导通电阻只有８mΩ，导通和开关损耗低，效率较高。
4、驱动芯片的选择
IR2104型半桥驱动芯片能够驱动高端和低端两个N沟道MOSFET，能提供较大的栅极驱动电流，并具有硬件死区、硬件防同臂导通等功用。而且IR2104价钱低廉，功用完善，具有自举浮动电源，驱动电路简单。
三. 电路与程序设计
（1）本系统采用buck降压电路为主回路，实现16V至5V的DC-DC变化电路，其中使用单片机控制模块，实现对自举电路，保护电路，负载识别电路的控制。
（2）直流电源供电电路
主电源由学生电源直接输入16V直流电，辅助电源是由TL494稳定的5V基准。TL494电源管理芯片内置稳定的5V基准电压，利用其稳定的基准电压从而对单片机采样回馈值以稳定的比较使电路稳定在要求输出电压范围之内。
（3）保护电路
采用电压电流双环反馈控制，利用单片机实时进行电流电压两路采集监测输出电压、电流，从而使电压电流保持稳定值。通过单片机实时采样输出电流，当电流过大时程序控制单片机向IR2104输入低电平从而切断电路，实现保护电路的功能。
（5）软件程序
在软件程序实现部分采用了STC12C5A60S2单片机
STC12C5A60S2单片机，在指令代码的方面可以完全兼容传统8051，同时它的速度比传统的8051单片机要快8-12倍，体现了其高速度的一面。这系列单片机其里面有专用的集成复位电路，另有8路高速的10位ADC转换，同时还兼有2路的PWM等，它的功能之强大远超传统的8051系列。该系统采用STC12C5A60S2为控制和运算核心。通过程序控制分别向IR2104的2脚和3脚输入高电平和PWM波驱动IR2104，从而使得BUCK电路得以正常工作。同时利用硬件电路形成的闭环反馈电路，实现实时监测调整。
程序流程如图：
图3 程序流程图
四.测试方案与测试结果
（1）负载调整率测试
测试方法：当输入电压Uin的值为16V时，分别调节滑动变阻器使得输出电流𝐼o从满载𝐼omax 变到轻载0.2𝐼omax 时，分别记录此时的Uo满载和Uo轻载的值。
结论：负载调整率约为0.179%，满足条件小于5%.
（2）电压调整率测试
测试方法：改变学生电源使输入电压值使𝑈IN变化到17.6V和13.6V，分别记录Uo17.6V和 Uo13.6V的值。
结论：电压调整率约为0.476%，满足条件小于0.5%.
（3）效率测试
测试方法：调节学生电源使输入电压UIN的值为16V，调节滑动变阻器，使得输出电压Uo在5V并且输出电流Io为3A时，记录输入电流值IIN.
结论：电源效率约为86.87%，满足条件大于85%.
（4）负载识别功能测试
测试方法：当输入电压Uin的值为16V时，通过改变端口识别电阻R的值分别为1KΩ和10KΩ，分别测量Uo的值。
结论：基本满足负载识别要求.
五、结论
经过长时间的辛勤努力，我们已基本实现了全部要求，但由于各方面基础比较欠缺，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间。
论文作者:郭鹏辉,侯昌虎,霍佳鑫
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/1
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