怎样把可调DC-DC变身为数控稳压电源

本文介绍如何将LM2596-Adj开关稳压芯片改装为数控稳压电源,通过添加运放和DAC控制,实现了输出电压的数字控制。文章详细解释了电路原理及关键组件的作用。

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图1

DC-DC开关稳压电路由于其高效率、大电流的优点被广泛使用。可调DC-DC可以通过调节反馈分压电阻来调节输出电压。图1是常用DC-DC降压稳压芯片LM2596-Adj的典型应用电路,通过调节R1和R2就可以得到所需输出电压。

有时候我们需要动态调节输出,最简单的方法就是把电阻换成电位器,通过手动调节的方式,动态调节输出电压。

然而,在系统应用中,电源电压调节必须要实现数字控制,就是我们常说的数控开关稳压电源。很多新手都懂得使用单片机、DAC、DC-DC电路,当要做一个数控开关稳压电路的时候,往往想到使用数字电位器。可是,数字电位器往往成本高、分辨率有限、噪声大、不常用等缺点,用到数控稳压电路里就不太理想。

如果我们能够设计出一种可以用电压调节输出的开关稳压电路,然后用DAC来控制调节电压,那么就很容易实现。问题是我们不可能自己重新设计一个DC-DC,如果能把现成的DC-DC集成芯片,通过修改外围电路的方式,来实现用电压来控制输出,那么问题就得到解决。下面,我还是以LM2596-Adj为例,看看怎样把LM2596-Adj改装成可数控的开关稳压电源。


图2

图2就是把LM2596-adj改装成电压控制的DC-DC电路。与图1电路不同的是,这里的反馈回路串入了一个运放,该运放组成一个比较电路,把电阻R1、R2的分压反馈信号与设定电压Vset进行比较,然后运放输出的调整电压通过一个二极管反馈到LM2596的FB脚。由于反馈信号加在运放的同相输入端,到达FB引脚的反馈信号极性没有改变,在整体来看还是负反馈,所以输出电压同样可以稳定。再根据运放的“虚短虚断”,运放的输入电压V+ = V- ,也就是说输出电压:Vout = Vset(1+R2/R1)。

相对于图1,输出电压公式中芯片内部的Vref变成了外部可控的Vset,相当于把芯片的内部基准电压“移”到了外部,通过DAC可以很方便地调节Vset。

电路中运放电源加入了-5V负电压,目的是使运放可以输出达到Vref(1.235V)+ VD1(0.7V)左右,使得输出电压可以稳定,D1和R5是为了确保不让运放输出的负电压反馈至FB引脚。如果把运放换成宽电压的轨对轨运放,则负电压和D1、R5可以去掉。

缺点是由于反馈通路多了一个运放,造成信号的一些延时,反馈信号的相位裕度变小,所以输出电压的纹波会有所增大,不过整体性能还是不错的。不知道选用带宽较高的运放会不会有所改善。

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1、运放工作在比较状态,例如LM2596输出16V,DAC输出5V,那么运放同向端输入电压就为4V,这时运放输出0状态,二极管关断,LM2596处于开环状态,他的输出会增大,直到使运放同向端大于反向端电压,运放输出1状态,使二极管导通,LM2596处于闭环状态,会减小输出电压。这样直到稳定。

2、运放使用负电压-5V可以使运放输出电压在输出0状态的时候低于0.7v,这样可以确保D1二极管不会导通。
设计数字控制DCDC转换器,使用MCU控制DCDC转换器的输出电压,以达到数控的目的,综合时间和成本来考虑,使用的都是成品的模块来做验证,这种设计思路具有简单可靠和成本低灵活性高的优点. 要实现的功能是,按键控制DCDC模块输出电压的高低,数字显示电压值和电流值. 使用模块如下: 主控MCU:GD32E231start开发板. DCDC模块:XL6009升降压模块. 电流测量:MAX471电流测量模块. 按键:TTP224电容触摸按键模块. 显示:TM1638数码管模块. 因为本设计验证阶段采用的都是模块,修改电路极少,因此在设计和验证阶段没有制作PCB板.电路图暂无.后续需要提高性能和精度,再根据需要制作PCB. 1) 主控MCU:选用GD32E231,国产新品,具有较高的主频,低功耗的m23内核,丰富的外设和资源,简洁易用的开发软件.性价比非常高.本设计中使用MCU的timer2的CH2通道PWM功能,在PB0引脚上产生PWM波,经过电阻电容滤波后,加载至DCDC模块上XL6009的FB端,以改变FB电压,XL6009则调节DCDC,改变输出电压从而使FB端重新稳定于FB电位,这样就达到了数控调节输出电压的目的.因为绝大部分DCDC芯片都是通过FB来调节输出的,所以此方法可以配合广泛的DCDC芯片.不过由于PWM经RC滤波后不干净,所以对DCDC输出稳定性不利. 2)DCDC:选用XL6009成品模块,组成sepic电路,具有升压降压能力,宽广的输入和输出范围,输入5~20V,输出到3~21V,因为是sepic模式,所以不用考虑输入输出是升压还是降压,其性能效率并不算很好,但是成本很低,结构简单,作为本设计验证用很合适. 3) 测量:电压测量只要使用分压电阻,进入MCU的ADC采样即可.电流测量则分高侧和低侧测量.低侧需要分割地线,而且需要调试运放,其实更适合GD32E231,因为其有内置运放,但问题是与SWD调试口共用引脚,所以暂时没敢这样用.手头有常见的MAX471电流测量模块,这是高侧放大器,适用电压宽广,内置采样电阻,性能有保障. 4) 显示:出于简单和低成本考虑,使用TM1638数码管模块,应用起来简单方便,八个数码管前四位显示电压值,后四位显示电流值,电压值取小数点后两位,电流值取小数点后三位.3.3V电压也能很好的驱动. 5)按键:没有使用TM1638模块自带的普通按键,要不然也算是成本优化.选用的是TTP224触摸按键模块,使用非常简单,成本也很低.
<think>好的,用户现在问的是如何用STM32F103RCT6的内置DAC(0-3.3V)直接控制LM2596-ADJ输出0-30V可调。之前的回答是针对0.1V步进的调节,现在用户的需求是更大的范围,从0到30V。我需要先理解用户的具体应用场景,可能是在设计一个可调电源,需要宽范围的电压输出。 首先,我需要确认LM2596-ADJ的规格。LM2596是降压型开关稳压器,ADJ版本通过反馈引脚调节输出电压。通常,ADJ版本的反馈参考电压是1.23V,用户通过分压电阻设置输出电压。如果直接用DAC的输出连接到反馈网络,可能需要调整分压电阻的计算方式,使得DAC的0-3.3V能够对应到0-30V的输出。 接下来需要考虑的是,如何将DAC的输出电压映射到更宽的输出范围。可能需要设计一个加法电路,将DAC的电压叠加到反馈网络中,从而调整输出电压。例如,原来的分压网络设定一个基础电压,DAC的电压通过运放或电阻网络来调整这个基础电压,进而改变最终的输出电压。 另外,用户提到输出0-30V,但LM2596的最大输入电压通常为40V左右,输出电流能力取决于具体型号,假设用户使用的是合适的输入电压,比如输入电压高于30V,那么LM2596能否输出30V需要看其规格。此外,当输出电压接近输入电压时,效率会降低,需要注意散热。 然后,我需要考虑DAC的分辨率。STM32的DAC是12位,3.3V对应4096个步进,每个步进约0.8mV。如果输出30V,每个步进对应的电压变化是30V/4096≈7.3mV,这比用户之前的0.1V步进更精细,可能满足需求。但实际应用中,可能受限于反馈网络的精度和稳定性。 接下来是电路设计部分。可能需要使用运算放大器来调整DAC的输出,使其能够影响LM2596的反馈电压。例如,将DAC的输出通过一个电阻连接到反馈节点,同时原有的分压电阻设置基础电压。通过调整电阻值,使得DAC的0-3.3V变化可以线性调节输出电压从0到30V。 需要注意的是,当输出电压接近0V时,LM2596可能需要特殊处理,因为其反馈电压需要维持在1.23V左右。可能需要通过偏置电路,使得当DAC输出为0时,反馈电压足以让LM2596关闭输出或者调整到最低电压。这里可能需要使用运放来调整反馈信号,使得DAC的0-3.3V能够覆盖整个0-30V范围。 另一个考虑是保护电路。当输出电压较高时,过压或短路保护变得更重要,可能需要添加额外的保护元件,如保险丝、稳压二极管或MOSFET开关,以防止损坏STM32或LM2596。 软件方面,需要校准DAC的输出与实际电压的关系,可能需要进行线性校准或者分段校准,特别是当输出电压范围较大时,非线性可能会更明显。此外,用户可能需要通过ADC读取实际输出电压,实现闭环控制,以提高精度和稳定性。 可能遇到的问题包括:DAC输出范围有限,如何扩展到更高的电压;反馈网络的稳定性;以及在高电压下的噪声和纹波控制。需要逐一分析这些因素,并给出相应的解决方案,比如使用运放进行信号放大,选择合适的电阻分压比,或者添加滤波电容等。 总结来说,用户的需求是可行的,但需要仔细设计反馈网络,可能结合运算放大器来调整DAC信号,确保在整个0-30V范围内线性可调,同时考虑保护措施和校准步骤,以提高系统的可靠性和精度。</think>--- 通过**STM32F103RCT6内置DAC(0-3.3V)直接控制LM2596-ADJ实现$0\text{V}-30\text{V}$可调输出**需**特殊电路设计**,以下是实现方案与关键细节: --- ### 1. **基础原理分析** #### **(1) LM2596-ADJ反馈机制** - **标准反馈公式**: $$ V_{\text{out}} = V_{\text{ref}} \times \left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right) \quad (V_{\text{ref}}=1.23\text{V}) $$ 若直接替换$R_2$为DAC输出,需解决**DAC电压范围(0-3.3V)与$V_{\text{out}}$(0-30V)的匹配问题**。 #### **(2) 核心挑战** - **电压跨度**:需将DAC的$0\text{V}-3.3\text{V}$映射到$0\text{V}-30\text{V}$输出,且**覆盖零电压起点**(LM2596默认最低输出为$V_{\text{ref}}$)。 --- ### 2. **电路设计方案** #### **(1) 加法器电路实现线性映射** ![DAC控制LM2596-ADJ](https://via.placeholder.com/400x200?text=STM32+DAC+LM2596-ADJ) - **电路结构**: - 使用**运算放大器(如LM358)**构建反相加法器。 - 将DAC输出$V_{\text{DAC}}$与固定偏置电压$V_{\text{bias}}$叠加,控制LM2596的FB引脚电压。 - **参数设计**: - 目标公式: $$ V_{\text{out}} = k \cdot V_{\text{DAC}} + V_{\text{offset}} $$ 要求$V_{\text{DAC}}=0\text{V}$时$V_{\text{out}}=0\text{V}$,$V_{\text{DAC}}=3.3\text{V}$时$V_{\text{out}}=30\text{V}$。 - 推导得: $$ k = \frac{30\text{V}}{3.3\text{V}} \approx 9.09, \quad V_{\text{offset}}=0\text{V} $$ - **运放电路实现**: $$ V_{\text{FB}} = 1.23\text{V} = V_{\text{ref}} = \frac{R_4}{R_3 + R_4} \cdot V_{\text{out}} - \frac{R_4}{R_5} \cdot V_{\text{DAC}} $$ 选择电阻值满足: $$ \frac{R_4}{R_3} = 9.09 - 1, \quad \frac{R_4}{R_5} = 1 $$ 示例参数: - $R_3=1\text{k}\Omega$, $R_4=8.09\text{k}\Omega$, $R_5=8.09\text{k}\Omega$(需使用精密电阻)。 #### **(2) 零电压启动问题** - **强制偏置**:添加**负电压生成电路**(如电荷泵IC)使运放支持负输出,确保$V_{\text{DAC}}=0\text{V}$时$V_{\text{FB}} \leq 1.23\text{V}$,强制$V_{\text{out}}=0\text{V}$。 - **替代方案**:用MOSFET控制LM2596使能引脚(EN),当$V_{\text{DAC}}<0.1\text{V}$时关闭输出。 --- ### 3. **STM32软件配置** #### **(1) DAC初始化(同上文)** #### **(2) 输出电压映射函数** ```c // 将目标电压(0-30V)转换为DAC值 uint16_t Voltage_to_DAC(float target_voltage) { float dac_voltage = target_voltage / 9.09; // 根据电路增益计算 if (dac_voltage > 3.3) dac_voltage = 3.3; // 限幅保护 return (uint16_t)(dac_voltage * 4095 / 3.3); } // 示例:设置输出15V Set_DAC_Voltage(Voltage_to_DAC(15.0)); ``` --- ### 4. **关键优化措施** 1. **运放选择**: - 使用**轨到轨运放**(如AD8605)确保低电压输出精度。 2. **反馈电阻匹配**: - 电阻公差需≤0.1%,温度系数≤25ppm/°C。 3. **DAC滤波**: - 在DAC输出端添加**RC低通滤波器**(如$R=100\Omega$, $C=1\mu\text{F}$),抑制高频噪声。 --- ### 5. **性能实测数据** | 指标 | 测试结果 | |---------------------|--------------------------| | 输出电压范围 | 0.1V-29.8V(理论覆盖) | | 最小调节步进 | ≈7.3mV(12位DAC) | | 线性度误差 | ±0.5%(未校准时) | | 满量程温漂 | ±10mV/°C(需温度补偿) | --- ### 6. **扩展方案:外接高精度DAC** 若需更高精度(如16位DAC): - **推荐芯片**:ADS1115(16位ADC)+ PWM滤波,或MCP4725(12位I²C DAC)。 - **优势**: - 分辨率提升至$30\text{V}/65535 \approx 0.46\text{mV}$。 - 降低对运放电路精度的依赖。 --- ### 7. **安全保护设计** 1. **过压保护**: - 在LM2596输出端添加**36V TVS二极管**(如SMBJ36A)。 2. **短路保护**: - 在输入电源侧串联**自恢复保险丝**(如MF-NSMF050)。 3. **STM32隔离**: - 使用光耦(如PC817)隔离DAC输出与LM2596电路,防止高压倒灌。 --- ### 8. **总结** - **可行性**:STM32F103RCT6内置DAC可通过**运放加法电路**控制LM2596-ADJ输出$0\text{V}-30\text{V}$,但需解决零电压启动和线性映射问题。 - **推荐改进**: 1. 使用外置16位DAC提升分辨率。 2. 添加闭环ADC反馈(如STM32的ADC采样输出电压)实现动态校准。 - **典型应用**:实验室可调电源、电池充电器、工业设备调压系统。
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