【开源】STC8A8K可调固定电压源

STC8A8K可调/固定电压源

（原型机，仅提供灵感和思路，不宜复刻）

主图

正面

方案一预览图

方案二预览图

一．功能简介

该电源由STC8A8K64SMCU控制，具有：

1. 可调、固定两种输出模式；
2. 0.96寸OLED电压显示和Led工作状态指示灯；
3. 短路保护，输出过压、低压警告，输入过压保护；
4. 程序调试过程的硬件保护电路；
5. AC 220V市电输入和DC 4.5~12V宽电压输入。

二.硬件基本原理

1.控制层（顶层）

         顶层主要负责向中间层传递4位二进制的控制信号，分别连接四个电源模块的使能端，上层旋钮控制“待机”、“3.3V”、 “5.0V”、“12V”、“ADJ”三种状态的切换，进而控制模块工作状态，改变输出电压。

（1）MCU控制

        MCU的ADC模数转换口与电位器相连，在程序中针对转换结果设置不同的区间，实现旋钮（电位器）控制工作模式。在不同的工作模式下，MCU输出不同的3位二进制信号，传递给下一级的3-8译码器（74HC238）输入端，选择8个输出端口中的4个，作为上文提到的“4位二进制的控制信号”，既传递给下一层，也作为led的控制信号，驱动led指示当前工作状态，在OLED或是MCU离线时，指示当前工作状态或错误原因。

为什么采用数字IC作为MCU和电源模块之间的缓冲？为什么不直连MCU和电源模块简化设计？其一是因为该电源为原型机，在面向硬件编程的过程中，如果错误地同时使能两个电源模块可能会损坏电源，因此利用3-8译码器类似互锁的原理，保证同时只有一个电源模块被使能。在程序和硬件已经可行的情况下可以去除这一步。其二是可以作为装饰品，那么大一块空着也是空着。

（2）ADC电压采样

       使用了STC8A8K的ADC采样功能，使用原始的电阻分压采样，带SMBJ5.0保护ADC采样口。共设置两条采样通道，先烧录测试程序（已上传附件），使用较精确的电压表在可调模式下，记录不同电压对应的ADC转换结果（理论上是线性变化的），计算出回归方程，写入正式的程序中，由两个通道分别计算求平均值，最终得到当前的电压值。最后将结果通过OLED驱动程序显示在屏幕上。

采样通道（下）

上层PCB

 

2.（被）驱动层（中层）

      中间层主要负责根据顶层传递下来的控制信号，启用对应的电源模块，输出正确的电平。

控制信号           输出电压

000                   0V(闲置)

001                      3.3V

010                       5V

011                      12V

100            1.8~13V（可调）

111              0V（保护状态）

（1）固定输出电源模块

固定输出模式包括3.3V、5V、12V固定电压的输出模式，采用了对应型号的LM2596作为电源模块，按照正确的接线方式连接使能端和信号线即可实现功能。

（2）输出可调电源模块

         选择LM2596-ADJ开关电源模块，使用一大一小两个阻值的旋钮电位器串联作为反馈电阻，旋转旋钮改变反馈电压大小，实现输出电压的调节功能，一大一小的阻值则可以实现电压粗调和微调。

         注：这种简单地设计并不属于数字电源的范畴，若想要实现纯数字控制的数字可调电源，可以用分立元件重建中间层，搭建一个大型降压开关电源，将MCU的IO口连接到开关管的栅极，输出不同占空比的高频方波信号（PWM调制），并设计闭环反馈系统，来输出并维持不同的Vout。

中层PCB

 

 

3.电源层（底层）

方案一（内置变压器、2.2W）

          底层主要负责上面两层的供能，将220V的AC市电转化为15V的DC直流电，作为各电源模块降压前的VDD。再通过LDO将DC 15V转化为DC 5V提供给MCU、OLED等器件。此外，还设置了直流输入的备用路径，将DC 4.5~8V的输入电压提升到15V，再作为上述的VDD。

        （1）AC 220V to DC 15V

220V市电通过220：12的变压器和整流桥转化为16.9V左右（≤12*√2 V），再通过1个LM2596-ADJ电源模块降为更稳定的15V电压，提供给中层作为VDD。同时VDD通过LDO（ASM1117-5.0）转化为5V的控制信号电源，提供给中上两层。

        （2）DC 4.5~8V to 15V

         为了防止突然断电或者没有市电接口，但又急需一个电压源的情况出现，该电源设计了针对USB、DC 2.1和DC 1.3等传统5V电源接口的输入路径。5V电压通过升压电源模块XL6019，升压到15V，直接作为VDD提供给旁边的5V LDO和中层电源模块。并且设有肖特基二极管作为PN结隔离，在主要路径上阻断备用路径流向，防止同时接入AC 220V和5V DC时可能产生的冲突或意料之外的逆流。值得注意的是，碍于功率（能量）的守恒，并且没有配备任何快充协议，该路径输出功率极其小。

        （3）短路保护

除每层的GND都带有自恢复保险外，出于对220V市电基本的尊重，底层市电的变压器输入脚还带有一个玻璃管保险丝座，可根据需求选择不同参数的保险丝。

        （4）过压保护（硬件）

在顶层关键器件（MCU和OLED）的5V和GND之间加入TVS瞬态抑制管的齐纳二极管过压截止电路。

                                     过压截止电路

（电路图上方引出的导线连接Pmos栅极，作为开关信号控制Vcc的通、断）

（5）继电器开关

          由LDO产生的5V电源供电，控制5V电源和中上两层的开关，继电器关闭时导通，继电器启动时关断，因此不参与输出分流（这种设计纯粹是为了安全，其实完全没有必要）。

           缺陷：

          由于选择的变压器最大输出400mA（12V）电流，并且两级开关电源的转换效率最多80%，导致该方案输出能力很弱，输出功率仅2.2W。许多反馈电阻的取值区间较窄，由于设计上的忽视，错误的取值可能导致5V LDO的报废。

方案二（外置变压器、15W）

（1）AC-DC

           在方案一基础上，将更换了更大功率的变压器（30W），但也占用了更大的空间，因此将变压器移出底层电路板，让AC 220V在外面就通过变压器降压为AC 12V，再输入底层PCB。此外，将LM2596-ADJ换为XL4015降压开关电源模块，增强在方案一中提及的“AC 12V → DC （12 *√2）V → DC 15V ”过程的输出能力（说白了就是增大输出电流上限）。

[方案二] 变压器接口（右）和直流接线柱（左）

（2）5V控制电源

            方案一中，5V控制电源通过LDO直接由DC 15V降压产生，一旦Vin（原DC 15V）超过LDO上限（在测试过程经常出现），LDO功能失效，化为一个小电阻，将Vin直接输到中上两层。虽然会触发中上两层的保护机制，但是LDO肯定是没了。因此，在DC 15V和LDO的Vin之间加入12V LDO作为缓冲级，再加上过压截止电路，虽然效率降低了，但充分保护了元器件的安全。那为什么不直接在5V LDO上加入过压截止电路，而要多此一举加个缓冲级呢？这样确实更好，但我多了一个12V LDO一直用不掉。

（3）其他

           增大了PCB电源电路的线宽，其余包括继电器、备用输入、过流过压保护部分与方案（一）一致。

（4）功率测试

工作模式（mode）	负载阻值（RL/Ω）	最大输出电压（Vout,max/V）	输出功率（P/W）
3.3	5	2.5	1.25
	24	2.92	0.36
	47	3.11	0.21
5	5	3.8	2.89
	24	4.63	0.89
	47	4.85	0.5
12	5	(低压报警)	（低压报警）
	24	10.8	4.86
	47	11.39	2.76
ADJ	5	8.1	13.12
	24	11.91	5.91
	47	12.76	3.46

 

底层PCB（方案一）

底层电路图（方案一）

底层PCB（方案二）

 

底层电路图（方案二）

三 .程序基本原理

（代码风格和性能不具有任何参考性，故下文仅介绍控制原理）

1.ADC和模式切换

        （上文已介绍，不再赘述）

2.过压、低压保护

          保护机制的设想是：当Vout偏离预计值太远时，输出电源应该被掐断，进入预设的保护状态，当Vout归零后，电源应该尝试自动重启。理论上，通过ADC输出结果，保护功能非常容易实现，但实际上存在许多个特例，让保护机制出现很多间断点。

特例：

（1）档位切换时的充放电过程；

（2）接入负载时的瞬时降压和恢复过程；

（3）脱离保护状态（VEM，V_Emergency）并尝试重启时的充电过程。

          因此，需要设置多个定时器，应用多个延时规则为充放电留足时间（百毫秒级），防止保护机制误报。在程序中的中断表现为：

          T0：动态保护规则，针对容性元件的充电过程编写规则，由于电容充电V-T曲线是微分方程，因此模拟了近似的三段线性规则来逼近（其实多几段更好，但没有专业设备只能止步于此）；

          T1：静态保护规则，当档位切换停止一段时间后，恢复到正常的保护规则——即设置Vout的上下限，一旦越线直接进入T2的规则。

          T2：瞬态保护规则，当出现Vout越线时，开始计时，当计时结束时若电压仍未恢复到正确区间，触发统一的保护机制：进入保护模式（VEM），OLED显示屏提示警告原因，并在电容放完电后（Vout = 0 V时）尝试重启。计时的时间长短决定保护机制的敏感程度，一般设置为数百毫秒。

低压（负载太小）、短路保护

3.OLED驱动

          参考OLED商家提供的代码。

四.注意事项

1.方案一：

         方案一仅是第一版的原型机，由于当时选择的变压器最大输出400mA电流，并且两级开关电源的转换效率最多80%，导致该电源输出能力很弱，输出功率仅2.2W。下层中许多反馈电阻的取值比较精确，由于设计上的忽视，错误的取值可能导致5V LDO的报废；

2.方案二：

          当负载较小，输出电流较大时，虽然两级的开关电源模块都能勉强支撑输出，但输出电压都会不同程度降低。此外，第一级输出电压降低，会导致第二级的输入电压Vin降低，小于一定阈值时，内部提供的基准电压V_REF也会降低，使第二级输出的电压降低效果叠加，因此大大减小输出能力。该方案最大输出功率15W（虽然变压器是30W的，但变压器没跑满，效率肯定不止50%，但也高不到哪里去）。

          综上所述，该方案仅提供灵感，不宜复刻；

3.疯狂旋转档位旋钮可能出现误报，尤其是从输出最高电压（13.4V）的“ADJ”档位直接扭到“StandBy”档时。重启电源恢复的过程中请顺便思考一下，为什么要这么疯狂地转它；

4.在运行过程中，千万不要直接接触与市电直连的部分，如：变压器引脚、保险丝引脚等，建议用绝缘胶或橡胶包裹；

5.改进思路：

（1）删去第一级开关电源能极大地增加低阻负载下的输出能力，但同时也会增大输出波纹，降低系统容错率；

（2）MCU下载口改为USB直连下载（参考STC数据手册），减少占地面积，提升美感；

（3）重建中间层，用分立器件搭建BUCK降压电源，PWM控制信号由MCU给出，并通过ADC实现负反馈（设计中）。

上层PCB 3D效果图

底层PCB 3D效果图