基于ARM的Buck變換器設(shè)計(jì)制作.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第I頁基于ARM的Buck變換器制作摘要電子技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，直流開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)、電信通信、電力系統(tǒng)、航空航天和生物醫(yī)療等領(lǐng)域，對(duì)開關(guān)電源的性能、功率密度、工作效率和可靠性都提出了更高的要求。BUCK變換器在電池供電的計(jì)算機(jī)，消費(fèi)類產(chǎn)品等需多電源供電的電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，小型化成為必然的要求。本文對(duì)Buck變換器的整體電路和硬件電路進(jìn)行了討論。首先，對(duì)Buck變換器的背景，發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行闡述。其次，對(duì)Buck變換器的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，STM32處理器的簡(jiǎn)介和內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)介紹，還有對(duì)變換器中的主要電路進(jìn)行介紹，功率及驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、保護(hù)電路、軟開關(guān)電路及控制、電流傳感器的電路原理。再次，對(duì)整體電路進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的描述。最后，在附錄中，本文還將給出一些必要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料，供參考之用。關(guān)鍵詞：Buck變換器，STM32處理器，硬件電路，整體電路畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第II頁BasedonthearmofthechangesmadeabuckAbstractElectronictechnologydevelopmentinrecentyears,thedcpowersupplyhasthewideapplicationinpersonalcomputersandtelecomcommunications,theelectricalsystem,airspaceandbiologicalandmedicalfields,switchingpowersuppliesofpower,performance,efficiencyandreliabilityhavemadeahigherdemands.Buckchangeinthebatterypowerofcomputer,andmanyconsumerproductshavethepowersupplyofelectronicsystemsarewidelyused,advocatesmall-sizebecomeinevitable.Tobuckthistransformationoftheelectricalcircuitsandhardwarecircuitdiscussed.First,bucktochangethebackgroundanddevelopmentinthepaper.Secondly,thebuckfromthehardwaredesign,stm32processors,andinternalstructure,andtointroducemajorchangesinthemaincircuitstointroduce,poweranddrivencircuit,powersupplycircuits,theprotectioncircuitandtheelectricalandcontrol,theprincipleofthecircuit.currentsensors.Thirdly,thecircuittomakesomebriefdescription.Finally,intheannex,thiswillalsogivesomenecessarysystemdesign,dataforreferenceonly.Keywords:Buckchanges,hardwarecircuitstm32processor,thecircuit畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第III頁目錄1緒論.11.1課題背景介紹.11.2課題研究狀況.11.3課題研究方法.22STM32處理器.32.1STM32處理器介紹.32.2高級(jí)控制定時(shí)器(TIM1).42.2.1簡(jiǎn)介.42.2.2主要特性.42.3通用定時(shí)器(TIMx).52.3.1概述.52.3.2主要特性.52.3.3功能描述.62.4模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC).72.4.1介紹.72.4.2主要特征.72.4.3引腳描述.82.4.4功能描述.93系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).113.1Buck電路的開關(guān)過程分析.113.2功率及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).123.2.1IR2110簡(jiǎn)介.123.2.2IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn).123.3電源電路及保護(hù)電路設(shè)計(jì).13畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第IV頁3.3.1電源電路設(shè)計(jì).143.3.2保護(hù)電路設(shè)計(jì).143.4軟開關(guān)電路及控制電路設(shè)計(jì).183.5電流傳感器的電路設(shè)計(jì).213.5.1電流傳感器的介紹.213.5.2工作原理.213.5.3模擬霍爾傳感器SS495介紹.22結(jié)論.25致謝.26參考文獻(xiàn).27附錄Buck變換器硬件電路圖.28畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第1頁1緒論1.1課題背景介紹開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，別是近幾年便攜式電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，使高效率、高可靠性、高精度、高功率密度成為開關(guān)電源的發(fā)展方向，對(duì)集成電路設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日“能源之星計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的外圍設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。1.2課題研究狀況近30年來，開關(guān)型功率調(diào)節(jié)器已經(jīng)發(fā)展成輕型、高效的直流電源。在各類Buck變換器中。PWM型DCDC變換器結(jié)構(gòu)種類多，發(fā)展快，術(shù)領(lǐng)先，于實(shí)現(xiàn)，成為最大的一類。目前，無論在電力電子，還是在控制領(lǐng)域中，IMDCDC變換器都是研究的熱點(diǎn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第2頁P(yáng)WM型變換器中。率器件工作在開關(guān)狀態(tài),著開關(guān)頻率的提高,常用的理想元件級(jí)模型進(jìn)行仿真,需要的仿真時(shí)間會(huì)增加，至在諸如諧振變換器等場(chǎng)合會(huì)導(dǎo)致仿真不收斂。由于種種限制,在DCDC變換器的控制方面只是最近幾年才有了較為集中的研究,且由于DCDC變換器的精確模型較難建立,傳統(tǒng)的控制方法較難得到好的控制特性。隨著微電子技術(shù)，現(xiàn)代控制理論以及EDA技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，越多的先進(jìn)控制方法被用來控制DCDC變換器,大的改善了其性能。對(duì)這些先進(jìn)控制方法的仿真具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.3課題研究方法本文主要研究Buck變換器的硬件電路部分，硬件電路主要是由STM32處理器和一些電路組成，這些電路包括：功率及驅(qū)動(dòng)電路，電源電路及保護(hù)電路，軟開關(guān)電路及控制，電流傳感器。然后對(duì)Buck的整體電路在進(jìn)行研究和討論。1.4整體框圖畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第3頁2STM32處理器2.1STM32處理器介紹微控制器全球領(lǐng)導(dǎo)廠商意法半導(dǎo)體宣布最新的STM32互聯(lián)系列(ConnectivityLine)微控制器已全面投產(chǎn)，基于ARMCortex(tm)-M3處理器的這款新產(chǎn)品如預(yù)期準(zhǔn)時(shí)上市。STM32互聯(lián)系列讓設(shè)計(jì)人員可以在同時(shí)需要以太網(wǎng)、USB、CAN和音頻級(jí)12S接口的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中發(fā)揮工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的32位微處理器的優(yōu)異性能。目前互聯(lián)系列下設(shè)兩個(gè)產(chǎn)品系列：STM32F105和STM32F107。STM32F1O5系列集成一個(gè)全速USB20HostDeviceOTG接口和兩個(gè)具有先進(jìn)過濾功能的CAN2.0控制器；STM32F107系列則在STM32F1O5系列基礎(chǔ)增加一個(gè)10100以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)，以完整的硬件支持IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議，使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)閷?shí)時(shí)應(yīng)用開發(fā)以太網(wǎng)連接功能。內(nèi)置專用緩存讓USBOTG、兩CAN控制器和以太網(wǎng)接口同時(shí)工作，以滿足通信網(wǎng)關(guān)應(yīng)用的需求，以及各種需要靈活的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接功能的挑戰(zhàn)性需求。兩個(gè)系列產(chǎn)品都支持音頻級(jí)l2S通信，配合USBhost；F口SPI功能讓微控制器可以讀取USB大容量外存、MP3播放器或SD記憶卡等外存中的音頻文件，并通過12接口進(jìn)行音頻解碼和輸出。這些功能是家庭音響設(shè)備的必備功能，如音響底座系統(tǒng)、鬧鐘音樂播放器和家庭影院。ARMCortexM3出色的處理性能讓開發(fā)人員可以用軟件實(shí)現(xiàn)重要的功能(如語音編解碼)和人機(jī)接口功能(如顯示數(shù)據(jù)處理、播放和停止按鈕)，從而節(jié)省外部元器件?！拔覀?cè)谑褂肁RMCortexM3內(nèi)核方面積累了大量的技術(shù)知識(shí)，可以迅速地推出新產(chǎn)品，在一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核上實(shí)現(xiàn)高能效運(yùn)行、優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能和創(chuàng)新的共享外設(shè)，”意法半導(dǎo)體微控制器產(chǎn)品部總經(jīng)理JimNicholas表示，“目前量產(chǎn)中的四個(gè)STM32系列產(chǎn)品，以及一個(gè)正在開發(fā)的超低功耗STM32L微控制器平臺(tái),還有更多規(guī)劃中的創(chuàng)新產(chǎn)品，我們可靠的產(chǎn)品開發(fā)藍(lán)圖使我們的客戶能夠鎖定現(xiàn)有市場(chǎng)并掌握新興市場(chǎng)機(jī)會(huì)?！盨TM32互聯(lián)系列由72MHz微控制器組成，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)記錄、USB畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第4頁連接和外設(shè)擴(kuò)展或現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)等需求，可用于以工業(yè)、醫(yī)療、家電、消費(fèi)電子和物業(yè)服務(wù)為目標(biāo)用的產(chǎn)品，如電力線通信(PLC)、電機(jī)控制、病人監(jiān)控、家庭音響、保安系統(tǒng)、電表控制面板。目前STM32系列共有70款產(chǎn)品在產(chǎn)，36MHz到72MHz的產(chǎn)品在軟件和引腳上相互兼容，提供多種共用外設(shè)選擇，以滿足多元化的應(yīng)用需求，共計(jì)八種封裝選擇，片上閃存密度從16K到512KB。內(nèi)置64KB、128KB或256KB閃存的STM32F105和內(nèi)置128K或256KB閃存的STM32F107立即上市，這兩個(gè)系列產(chǎn)品采用LQFP64或LQFP100封裝。2.2高級(jí)控制定時(shí)器(TIM1)2.2.1簡(jiǎn)介高級(jí)控制定時(shí)器(TIM1)由一個(gè)16位的自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器組成，它由一個(gè)可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)。它適合多種用途，包含測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖寬度(輸入捕獲)，或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較，PWM，嵌入死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM)。使用定時(shí)器預(yù)分頻器和RCC時(shí)鐘控制預(yù)分頻器，可以實(shí)現(xiàn)脈沖寬度和波形周期從幾個(gè)微秒到幾個(gè)毫秒的調(diào)節(jié)。高級(jí)控制(TIM1)和通用(TIMx)定時(shí)器是完全獨(dú)立的，它們不共享任何資源。2.2.2主要特性TIM1定時(shí)器的功能包括：16位上，下，上/下自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器16位可編程預(yù)分頻器，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率的分頻系數(shù)為165535之間的任意數(shù)值4個(gè)獨(dú)立通道：輸入捕獲；輸出比較；PWM生成(邊緣或中間對(duì)齊模式)；單脈沖模式輸出；死區(qū)時(shí)間可編程的互補(bǔ)輸出；使用外部信號(hào)控制定時(shí)器和定時(shí)器互連的同步電路；畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第5頁在指定數(shù)目的計(jì)數(shù)器周期之后更新定時(shí)器寄存器；剎車輸入信號(hào)可以將定時(shí)器輸出信號(hào)置于復(fù)位狀態(tài)或者一個(gè)已知狀態(tài)。如下事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷/DMA：更新：計(jì)數(shù)器向上溢出/向下溢出，計(jì)數(shù)器初始化(通過軟件或者內(nèi)部/外部觸發(fā))；觸發(fā)事件(計(jì)數(shù)器啟動(dòng)，停止，初始化或者由內(nèi)部/外部觸發(fā)計(jì)數(shù))；輸入捕獲；輸出比較；剎車信號(hào)輸入。2.3通用定時(shí)器(TIMx)2.3.1概述通用定時(shí)器是一個(gè)通過可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)的16位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器構(gòu)成。它適用于多種場(chǎng)合，包括測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度(輸入采集)或者產(chǎn)生輸出波形(輸出