基于STM32F103的单相在线式不间断电源设计

摘要：本文是以“基于STM32F103的单相在线式不间断电源设计”作为研究对象，设计制作一款由控制电路、整流电路、Boost升压电路、单相逆变电路、交流直流采样电路、辅助电源电路构成的单相在线式不间断电源系统设计。以STM32F103RCT6作为主控芯片，采用Boost升压电路对输入电压升压，使逆变之前的直流电压维持在60V以上，从而使电压和负载调整率大大提高。采用全桥式DC-AC变换器以及单极性SPWM调节来提高电源工作效率和降低谐波分量，减小输出波形的失真度，从而实现电源设计整体要求。

关键词：STM32F103;Boost电路;DC-AC转换器;SPWM调节;C语言;

Abstract: Taking "single-phase On-line UPS design based on STM32F103" as the research object, this paper designs and manufactures a single-phase On-line UPS system composed of control circuit, rectifier circuit, boost boost circuit, single-phase circuit, AC / DC sampling circuit and auxiliary power supply circuit. Stm32f103rct6 is used as the main control chip, and the boost boost circuit is used to boost the input voltage to maintain the DC voltage above 60V before inverter, so as to greatly improve the voltage and load adjustment rate. The full bridge DC-AC converter and unipolar SPWM regulation are used to improve the working efficiency of the power supply, reduce the harmonic component and reduce the distortion of the output waveform, so as to realize the overall requirements of the power supply design.

Keywords: STM32F103; Boost circuit; C-AC converter; SPWM regulation; C language;

1 引言

电源是实现电能变换和功率传递的主要设备,有电器的地方就有电源, 现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件,这些半导体需要几伏到几十伏的直流供电,以便得到正常工作所必需的能源。这些直流电源有的属于化学电源,如采用干电池和蓄电池,但这些不能持久性的供电。大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等变换为所需的直流电压。完成这种变换任务的电源成为直流稳压电源。开关电源是一种新型的电源设备,较之于传统的线性电源,其技术含量高、耗能低、使用方便,并取得了较好的经济效益。开关电源的高频变换电路形式很多,常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。

本次论文以单相不间断电源作为研究目标，提出了“基于STM32F103的单相在线式不间断电源设计”的目标。通过多方面的电路设计以及程序编写，使最终设计制造结果符合功能需求。在对研究内容设计之前，首先对2020年电赛省赛题目进行了分析，通过对赛题的分析研究，我们认为，要完成题目需要满足以下几个指标：

1）无论交流供电还是直流供电时，输出电压都要满足30V±0.2V。

2）在指标1的条件下单片机闭环调制使负载调整率和电压调整率尽可能低。

3）在满足以上的的条件下，使电路整体的效率尽可能高。

2 方案设计以及元器件选择

2.1 单相不间断电源的方案设计

最小系统采用STM32F103C8T6最小系统版，采用Boost升压电路对输入电压升压，使逆变之前的直流电压维持在60V以上，整流电路采用全桥式DC-AC变换器，极大提高了电源效率。并且采用单极性SPWM调节来降低谐波分量，减小输出波形的失真度。

本设计主要内容如下：

交流供电,U1=36V,输出交流电流=1A时,输出交流电压U=30V±0.2V,频率 =50±0.2Hz 。
交流供电,U=36V,在0.1A~1.0A范围变化,负载调整率Si≤0.5%。
交流供电,lo=1A,U1在29V~43V范围内变化,电压调整率Su≤0.5%
在要求(1)条件下,不间断电源输出电压为正弦波,失真度THD≤2%。
断开交流电源,即时切换至直流(储能器件侧)供电,U=24V,输出交流电流 l=1A时,输出交流电压U=30V0.2V,频率f=50±0.2Hz。
直流供电,U=24V,在U=30V,1=1A的条件下,使在线式不间断电源效率n尽可能高。

图2-1 单相不间断电源的方案设计

2.2 STM32F103C8T6简介

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核的32位的微控制器，采用 LQFP48 封装，由意法半导体公司（ST）推出，属于STM32系列。其程序存储器FLASH容量是64KB ，RAM容量是20KB，工作温度为-40°C ~ 85°C，系统时钟最高可到72MHz。

图2-2 C8T6最小系统版

类别：集成电路(IC)

家庭：嵌入式-微控制器

总线宽度：32-位

速度：72MHz

外围设备：DMA，电机控制PWM，PWM，温度传感器

输入/输出数：37

程序存储器容量：64KB (64K x 8)

程序存储器类型：FLASH

RAM容量：20K x 8

电压-电源(Vcc/Vdd)：2 V ~ 3.6 V

模数转换器：A/D 10x12b

振荡器型：内部

其程序存储器FLASH容量是64KB (64K x 8bit)，RAM容量是20KB(20K x 8bit)，2个12bit ADC合计12路通道（外部通道只有PA0到PA7、PB0到PB1，并不是18通道），37个通用I/O口（PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1），4个16bit通用定时器（TIM1（带死区插入，常用于产生PWM控制电机）、TIM2、TIM3、TIM4），2个看门狗定时器（独立看门狗、窗口看门狗）1个24bit向下计数的滴答定时器（很重要，一般delay都使用这个定时器实现），2*IIC，2*SPI，3*USART，1*CAN，工作电压2V~3.6V，工作温度为-40°C ~ 85°C，系统时钟最高可到72MHz。

2.3 场效应管IRF540

来自Vishay的第三代功率MOSFET为设计师提供了快速开关、加固设备设计、低导通电阻和成本效益的最佳组合。TO-220AB封装是所有商业工业应用的普遍首选，功耗水平约为50 W。TO-220AB的低热阻和低封装成本使其在整个行业得到广泛接受。

图2-3 IRF540引脚图

晶体管极性:N沟道

漏极电流, Id 最大值:33A

电压, Vds 最大:100V

开态电阻, Rds(on):0.04ohm

电压 @ Rds测量:10V

电压, Vgs 最高:10V

功耗:94W

封装类型:TO-220AB

功率, Pd:120W

器件标记:IRF540N

晶体管数:1

晶体管类型:MOSFET

2.4 IR2101驱动器

美国IR公司生产的IR2110驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。

图2-4-1 IR2101外观图

IR2110是美国国际整流器公司(International Rectifier Company )利用自身独有的高压集成电路及无门锁C MOS 技术，于1990 年前后开发并投放市场的大功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。该电路芯片体积小(DIP-14、SOIC-16)，集成度高(可驱动同一桥臂两路)，响应快( ton /tof = 120/94 n s )，偏值电压高(< 600 V )，驱动能力强，内设欠压封锁，而且其成本低，易于调试，并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电，使得驱动电源路数目较其他IC驱动大大减小。对于发射机的4 管构成的全桥电路,采用2片IR2110驱动2个桥臂，仅需要一路10一20V电源，从而大大减小了控制变压器的体积和电源数目, 降低了产品成本, 提高了系统的可靠性。

图2-4-2 IR2101封装图

图2-4-3 IR2101内部结构图

3 系统硬件设计

3.1 最小系统电路设计

单片机最小系统统是指能让单片机运行起来的所需的最少器件构成的电路系统。应该满足以下要求：1.电源电路；2.下载电路；3.时钟电路；4.复位电路；这样的系统才能满足下载程序和调试程序的要求。

3.1.1 供电电路

可以使用普通的USB接口电路，5V电源输出。

图3-1-1 电源电路原理图

3.1.2 降压电路

USB的5V输入，然后输出为3.3V。

图3-1-2 降压电路原理图

3.1.3 晶振电路

图3-1-3 晶振电路原理图

3.2 电源电路

图3-2 电源电路

本部分电路设计主要采用最常用的78系列芯片，将输入电压降为12V，为IR2101驱动芯片供电。再由7805芯片将12V降压到5V，为STM32最小系统板和1602显示模块供电。

3．3 SPWM驱动电路

图3-3 SPWM 驱动原理图

本电路设计采用IR2101芯片作为驱动芯片，每一个驱动芯片控制一个高端MOS管和一个低端MOS管。

CH1N、CH2N、CH3N是芯片使能端，输入高电平时不工作，端口输出低电平，MOS管关闭。PWM1、PWM2、PWM3是SPWM调制输入口，由单片机输出的SPWM波输入对MOS管开闭进行控制。

3.4 采集模块

3-4 数据采集模块原理图

电阻分压的方式进行采集，3.3K和100K分压，单片机采集ADC_Aline电压值反馈到单片机采集。

3.5 全桥逆变电路

图3-5 全桥逆变电路原理图

此电路中每一个高端MOS管和一个低端MOS管都有一个IR2101驱动的，IR2101驱动芯片的5脚和7脚分别控制高端MOS管和低端MOS管，并且根据数据手册可以知道，这两个端口是互补的，即5脚输出高电平，7脚就输出低电平，从而使得两个MOS管可以交替开闭。

R52、R53、R9、R10、R11、R12均为保护电阻，因为MOS管中的结电容使交流电流通过，在开关管通断的过程中，产生交流电，这个时候电流是比较大的，加保护电阻防止电流过大导致MOS管损坏。

R50、R51为下拉电阻，低电平时下拉维持低电平状态，使其更加稳定，在此处可以不加。

前端两个MOS管加一个采集电路为电压反馈调节电路，后端4个MOS管组成单相全桥逆变电路。

3.6 系统总电路设计

图3-6 系统总电路设计图

题目适用于2020年电赛省赛UPS电源题目，软件编程还在更新中。

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