基于RISC-V 的數控電源與直流負載一體機設計

羅星揚，傅忠云

（南京航空航天大學金城學院，江蘇南京 211156）

在日常的實驗室電子實驗中，直流電子負載和可調直流電源是較為常見的兩種儀器，但目前市面上難以找到一款集合兩者功能的儀器設備，并且其體積重量較大不便于移動。此外，隨著移動電子設備的飛速發展，對移動設備充電速度的要求也在提高[1-3]。

在這種背景下，該文將研究一種以新型RISC-V架構微控制器作為控制核心的實驗室桌面用多路供電塢和直流電子負載一體機，該設計具備以下功能：提供多路電子設備快充接口、實驗室用可調直流電壓源及直流電子負載功能，通過LCD 屏顯示設備狀態，同時具備故障保護功能。硬件設計上采用專用電壓電流監控芯片、DAC 與精密運放配合PID 算法控制MOSFET 功率消耗器件[4-5]，并具備上位機通信功能。

1 系統整體架構設計

整個一體機集成了多口快速充電、數控可調直流電源輸出和直流電子負載三大主要功能，采用新型RISC-V 內核單片機作為主控制芯片。多口快速充電塢包括兩個Type-C接口和4個標準USB-A接口，最多可同時為4 臺移動電子設備進行互相獨立的大功率快速充電。數控直流電源提供一路24 V/3 A 可調直流輸出。電子負載部分接入待測電源最高耐壓耐流36 V/8 A，散熱功耗為150 W，可根據用戶需要設定為恒流或恒功率模式，另支持開爾文四線高精度電壓測量[6-7]。前面板可顯示系統狀態和各類參數，并可通過按鍵進行調整，支持通過串口與上位機進行通信。整體系統結構框架如圖1 所示。

圖1 整體系統框架

2 系統硬件電路設計

2.1 多口快速充電塢

多口快速充電塢模塊根據輸出電壓關聯性可分為三組，每一組之間的電壓和功率輸出互相獨立不受制約。第一組由SW3518S 作為協議主控，根據接入的移動設備的需求調整Type-C 和USB-A 接口輸出電壓，其支持USB-PD/QC/AFC/FCP/VOOC 等常見快充協議，Type-C 單口最高輸出功率可達100 W。第二組由IP6525S 作為快充協議主控和降壓轉換器，最高支持22.5 W 功率輸出。第三組則為固定直流12 V 輸出，使用TI 公司的TPS54331 作為降壓轉換器，通過配置反饋腳SW 的電壓值得到12 V 輸出。

2.2 控制板

控制板負責監測和控制整個系統的工作狀態，并作為前面板交互操作。整個控制板由GD32VF103RBT6及其最小系統外圍電路、USB 轉串口、EEPROM 存儲器、2.0寸彩色LCD顯示屏、LED指示燈和按鍵構成。

GD32VF103RBT6 是兆易創新推出的采用RV 32IMAC 指令集的32 位通用微控制器，運行主頻為108 MHz，具備豐富的外設資源[8]。顯示器件使用2.0寸全彩高清LCD 顯示屏。

2.3 功率板

功率板作為整個系統的核心部分，其構成相對復雜，主要包括輔助電源電路、數控可調直流輸出電路、直流電子負載電路、四線電壓測量電路、散熱風扇電路、NTC 溫度檢測電路和外部接口。

2.3.1 數控可調直流輸出電路

數控電壓源部分采用基于DAC 控制的方案[9]，可調輸出DC-DC 開關穩壓器選用XL4015E1，最大輸入電壓/電流為36 V/3 A，通過MCP4725 DAC 輸出電壓控制XL4015E1 反饋腳SW 電壓，實現可調電壓輸出[10]。

圖2 為數控可調直流輸出部分核心電路圖，XL4015E1 的內部基準電壓為1.25 V，其輸出電壓與反饋電阻R1、R3的關系為：

圖2 數控可調直流輸出部分核心電路圖

向SW 腳接入DAC 并串聯限流電阻后，根據基爾霍夫電流定律（KCL）可推導出輸出電壓Vout與DAC 輸出電壓VDAC的關系：

易知當R1、R2和R3電阻值固定時，輸出電壓Vout和DAC 輸出電壓VDAC呈線性反比關系。在圖2 所示反饋電阻值的條件下，經過整理可得關系式為：

考慮到DAC 輸出電壓范圍為0～3.3 V，即通過改變DAC 輸出電壓實現了輸出電壓在0.92～24 V 之間可調，外置DAC 選用MCP4725 單通道12 數模轉換器，可實現0.1 V 輸出電壓調整步進。

2.3.2 直流電子負載電路

直流電子負載部分可分為功率管負載主電路、電流采樣和負反饋放大電路、DAC 參考電壓輸出電路和使能控制電路，電路原理圖如圖3 所示。其基本原理為電流通過采樣電阻RS1時產生壓降VSHUNT，經過精密運放放大后與參考電壓Vref比較，若大于Vref則減小MOSFET 柵極電壓VGS從而降低導通深度，回路電流ID減小，反之則增加VGS，形成負反饋，直到ID穩定在恒定值。根據理想運放的虛短虛斷特性，并忽略MOS 管柵極電流IG，可得到參考電壓Vref和MOS 管回路電流ID的關系為：

圖3 直流電子負載部分主要電路圖

由式（4）可知，MOS 功率管回路電流ID與參考電壓Vref成線性正比關系，因此可通過改變DAC 輸出Vref實現控制直流電子負載回路電流。此外，電子負載部分所接入的待測電源的電流、電壓的測量采用INA226 單16 位電流檢測芯片，采用串行I2C 總線進行讀寫，可降低PCB 布線難度。

另外，由于功率MOSFET 自身存在較大的寄生電容，在回路電流負載較大時會產生自激振蕩，嚴重影響整個反饋回路工作的穩定性和電壓電流測量精度。針對此問題引入了PI 調節器補償運放電路相位差，以消除自激振蕩，提高穩定性[4，11]。

3 軟件程序設計

3.1 程序代碼結構

整個系統的軟件控制程序采用自下而上的分層架構。最底層由RISC-V 內核支持文件和GD32VSDK 構成，GD32V-SDK 是兆易創新官方提供的專用于GD32VF103 系列MCU 的固件庫，可通過庫函數開發方式操作外設[12]，中間層為芯片外設驅動層和設備驅動層。應用層位于頂層，包含系統的各個功能實現代碼，如系統狀態顯示、溫度保護等。

3.2 程序運行流程

系統程序流程圖如圖4 所示。系統上電后首先配置ECLIC 中斷優先級分組[13]，隨后對ADC、TIMER、SPI、I2C總線等片上外設進行初始化，接著對INA226、MCP4725 等板級外設芯片進行初始化參數寫入。當所有外設初始化完畢后刷新GUI 進入系統狀態參數主界面。

圖4 系統程序流程圖

為了使整個主程序運行更高效，將整個主程序執行代碼放在主循環中，通過配置Timer5 定時器中斷每隔30 ms 執行主循環中的代碼。首先從INA226讀取直流電源輸出和電子負載回路的總線電壓電流功率值，根據需要從MCP3421 讀取16 位四線法測量電壓值[14]并在LCD 屏顯示。當其中任何值超過了預設的安全閾值時立即關閉輸出，實現過溫過流保護。隨后根據用戶設定的直流電源輸出電壓值和電子負載定電流值，調用增量式PID 整定算法調整MCP4725 的 輸 出 參 考電壓[15]，調 整XL4015E1 的SW反饋腳電壓和主功率MOS 管的VGS門極電壓，從而控制直流電源輸出電壓和電子負載回路電流值，隨后等待下一次中斷循環執行。

正常運行時按下前面板OK 鍵后，將會彈出參數設定界面，可對直流輸出電壓值和電子負載輸入電流值進行調整。

4 樣機制作與性能測試

根據前述設計進行樣機制作，并進行了性能測試，電壓、電流目標調整精度為0.1 V 和0.1 A。

多口供電塢部分通過接入多個移動電子設備并串接電流表頭進行測試。Type-C 接口和支持65 W PD供電筆記本電腦的電源接口相連，實測功率可以長時間穩定在58 W左右。第二組接口接入移動電源，成功激活QC3.0 快充協議，最大輸出功率可達18 W。

可調直流電源部分，分別在空載和滿載狀態下設置不同電壓，對比電壓設定值和實際測量電壓值，其中，3 A 滿載條件下輸出精度測試結果如表1所示。

表1 可調直流電源輸出精度測試結果

根據表1 可知，當設置目標電壓在1.8～23 V 時，實際輸出電壓與設置目標電壓誤差最大不超過0.03 V，滿足設計需求。當設置目標電壓為1.5 V 時，誤差為0.17 V。經過實際測量和分析，由于功率板上LDO 輸出存在誤差，MCP4725 的工作電壓只有3.28 V，無法達到理想的3.3 V，根據式（3），當目標輸出電壓較低時難以通過繼續提高DAC 輸出電壓實現更低的輸出，后期可通過更換性能更好的LDO 來解決。

直流電子負載部分，通過接入實驗室用可調直流電源進行性能和精度測試。恒流模式下輸入精度測試結果如表2 所示，測試在輸入電壓為20 V 的條件下進行。

表2 直流電子負載輸入精度測試結果

根據表2 可知，恒流模式下設置電流與實際電流誤差在0.02 A 以內，精度基本滿足設計要求。當電流和電壓增大至一定程度時，回路電壓和電流值會劇烈波動，此時通過適當調整運放部分PI 調整器的阻容值避免[4，16]劇烈波動。

5 結論

該文設計了一種基于RISC-V 內核微控制器的多功能數控電源與直流負載一體機，將數控直流可調電源[17-18]、直流電子負載和多口快速充電塢三大功能集成在一臺小型設備中，解決了傳統分立儀器體積大占空間、移動不便等問題，并通過數控方式實現了彩色LCD 屏顯示、過溫過流保護、上位機通信等功

能。通過理論分析了各部分的實現方法與可行性，并通過制作樣機驗證了其可行性，經測試其工作穩定，精度滿足設計要求，目前樣機已投入學校電類創新實踐實驗室的日常使用中，有效提高了實驗測試的效率。