Programowany zasilacz z 4 wyjściami i obsługą za pomocą touch-panela na STM32F429I-DISC1

W artykule przedstawiamy projekt cyfrowo sterowanego zasilacza z czterema niezależnymi kanałami wyjściowymi, obsługiwanego za pomocą graficznego interfejsu HMI zaimplementowanego wraz z całym układem sterowania w popularnym zestawie STM32F429I-DISC1. Oprogramowanie zestawu powstało przy użyciu bezpłatnych narzędzi programistycznych.

Zasilacz wyposażono w 4 niezależne kanały wyjściowe, każdy o regulowanym napięciu wyjściowym i wbudowanym wzmacniaczu pomiarowym, zapewniającym pomiar natężenia prądu obciążającego. Mikrokontroler mierzy także sumaryczny prąd wejściowy zasilacza oraz wysokostabilne napięcie referencyjne, niezbędne do precyzyjnego przetwarzania ADC.

Schemat elektryczny obwodu wejściowego zasilacza pokazano na rysunku 1. Elementy oznaczone jako P0 oraz J1 to dwa złącza wejściowe połączone równolegle. P0 to typowa dwutorowa listwa zaciskowa, natomiast J1 to złącze zasilania DC dodane w celu poprawy wygody użytkowania urządzenia. Element D3 to dioda Schottky’ego zabezpieczająca cały układ przed niewłaściwym podłączeniem zasilania. Kondensatory C18 oraz C20 filtrują sygnał zasilający.

Rys. 1. Schemat elektryczny obwodu wejściowego zasilacza

Część składająca się z elementów R17, U8 oraz C23, odpowiada za pomiar prądu w kanale wejściowym. Płynący prąd powoduje spadek napięcia na rezystorze o małej rezystancji wynoszącej 10 mΩ. Spadek napięcia na nim ma niewielką wartość (rzędu mV…mV), dlatego jest stukrotnie wzmacniany za pomocą układu U8. Sygnał z wyjścia wzmacniacza jest filtrowany kondensatorem C23 zgodnie z zaleceniem noty katalogowej. Etykietę IN_C podłączono do multipleksera analogowego, który przedstawimy w dalszym opisie. Rezystory R15 i R16 tworzą dzielnik napięcia, który formuje napięcie na wejściu ADC mikrokontrolera w dopuszczalnym zakresie wartości.

Rys. 2. Schemat jednego z czterech kanałów wyjściowych zasilacza

 

Schemat elektryczny obwodu wyjściowego (jednego z czterech identycznych) pokazano na rysunku 2. Najistotniejszym elementem kanału wyjściowego jest przetwornica impulsowa ADP2302. Jej zasilanie przetwornicy zostało zrealizowane poprzez podłączenie napięcia zasilania (etykieta VCC) do pinu VIN poprzez kondensator filtrujący C6 oraz połączenie pinu GND z potencjałem masy. Etykieta EN3 oznacza port wyjściowy mikrokontrolera, jest on podłączony do pinu EN. Realizacja tego połączenia pozwala na sterowanie włączaniem i wyłączaniem przetwornicy przez mikrokontroler, dzięki czemu może mieć on wpływ na wartość napięcia wyjściowego (poprzez sterowanie PWM).

Wyprowadzenie FB (feedback) układu ADP2302 spełnia rolę wejścia komparatora napięcia, który odpowiada za stabilizację wartości napięcia wyjściowego przetwornicy. Standardowa konfiguracja tego układu przewiduje podłączenie pinu do rezystancyjnego dzielnika napięcia wyjściowego. Domyślna konfiguracja umożliwia uzyskanie tylko jednej, ustalonej „na sztywno” wartości napięcia wyjściowego. Regulacja napięcia wymaga zastosowania potencjometru w miejsce jednego z rezystorów, ale w projekcie założono regulację cyfrową realizowaną na drodze elektronicznej.

Rozwiązanie tej kwestii przedstawiono na rysunku 2. Pin FB przetwornicy podłączono do dzielnika rezystancyjnego napięcia wyjściowego, składającego się z rezystorów R7 oraz R4. Do węzła FB podłączono generowany mikrokontrolerem sygnał PWM (opisany na schemacie etykietą TIM3_CH1(PWM)). Sygnał ten przepuszczono przez filtr złożony z elementów R5, R6, C7 w celu wygładzenia go i stworzenia napięcia quasi-stałego.

Konfigurację sygnału PWM oraz filtru można porównać działaniem do przetwornika DAC. Poprzez zmianę współczynnika wypełnienia sygnału PWM zmieniana jest średnia wartość napięcia. Zmieniając napięcie na niższe generuje na wyjściu napięcie wyższe, aby utrzymać w węźle FB wartość 0,8 V, zmieniając napięcie w węźle sprzężenia zwrotnego na wyższe, przetwornica na wyjściu generuje napięcie niższe. W ten właśnie sposób zrealizowano sterowanie napięciem wyjściowym przetwornicy. Konieczne było dobranie odpowiednich wartości rezystorów R4, R5, R6, R7 do zakresu napięciowego sygnału PWM tak, aby na wyjściu otrzymać zakres napięć wymagany w projekcie (założono od 3 V do 9 V).

Poniższy wzór opisuje zależność napięcia wyjściowego od napięcia PWM i wartości rezystorów:

gdzie:

VFB – napięcie w węźle FB wynoszące 0,8V

VOUT – napięcie wyjściowe przetwornicy

VPWM – napięcie wynikające z sygnału PWM

R4, R7 – wartości rezystorów z schematu (rysunek 2)

R56 – suma wartości rezystorów R5 + R6

Do pobrania