基于單片機的DC-DC變換器設計

尹慶慶，張祥慶，李文祁，郭吟浩，王 珊

（山東師范大學 山東 濟南 250358）

基于單片機的DC-DC變換器設計

尹慶慶，張祥慶，李文祁，郭吟浩，王 珊

（山東師范大學 山東 濟南 250358）

本開關電源設計采用STC12C5A60S2單片機發生43 kHz的PWM脈沖信號，經過IR2104控制MOS管，從而控制整個BUCK（降壓式變換）電路和BOOST（升壓式變換）。單片機內部自帶的10位ADC能通過電壓電流檢測，實時反饋電流和電壓數值，并由此調整輸出的PWM的占空比，形成電流電壓閉環控制系統。按鍵能設置輸出電流從1A到2 A，以0.05 A遞增，按鍵設置的輸出電流的誤差小于0.02 A。液晶能顯示實時輸出電流與電壓。根據測試，同步BUCK效率為96%，同步BOOST效率為95%。具有充電過壓保護功能。

開關電源；BUCK；BOOST；STC單片機；IR2104；過流保護

隨著電子科學技術的迅速發展，電源的應用領域越來越廣泛，同時也對電源的性能提出了更高的要求。近年來，新的電子元器件，新電磁材料，不斷出現，傳統的電源逐漸被開關電源代替，開關電源具有頻率高、效率高、功率因數高、可靠性高、體積小等特點[1]，并成為現代供電系統的主流。但是，隨著電子科學技術的發展，我們對測量的精度和應用的便捷性要求越來越高。提高開關電源的精度、效率和減小體積仍然是我們需要解決的問題[2]。

針對以上的問題，我們將對開關電源進行進一步的改造，為了方便實際實驗數據的讀取和測量精度的提高，我們用低功耗的 LCD作為數據顯示裝置，用單片機控制產生PWM波并讀取數據[3]，從而設計了這款基于單片機的DC-DC變換器。

1 作品硬件結構及設計

1.1 總體框架

總體設計構架如圖1所示。

圖1 總體設計構架

1.2 控制電路

控制電路采取性價比較高的單片機STC12C5A60S2；顯示采取低功耗LCD，用來顯示輸入電壓，輸出電壓，標準電流，實際電流[4]。

1.3 驅動電路

IR2104是一種高性能的半橋驅動芯片，該芯片內部是采用被動式泵荷升壓原理[5]。主開關數量較少，驅動電路簡單，線圈圈數較少，可以減輕重量，抗不平衡能力強，不需要泄放回路。

1.4 選擇合適的開關工作頻率

為降低開關損害，應盡量降低工作頻率；為避免產生噪聲[6]，工作頻率應在音頻內。綜合考慮后，我們把開關電源設定在20 kHz。

1.5 保護電路設計

控制電路采用STC12C5A60S2單片機，內置10位AD方便測量模擬信號。當U1超過閾值U1th=24±0.5 V時，單片機會控制PWM波的占空比，使DC-DC回路停止工作，從而起到保護電路的作用。

1.6 主回路器件的選擇及參數計算

1.6.1 LC濾波電路推導

根據推導公式如式（1）所示：此中Ton為PWM一個周期內導通時間、Ui為輸入電壓、Uo為輸出電壓、Ud為肖特基二極管的電壓降 （約等于0.6 V）、Io為一個直流/直流模塊的輸出電流。輸入電壓4.2*5=21 V，輸出電壓最高36 V。

PWM的占空比為D:

代入數據后得到：

一般而言，開關電源的頻率越高，電感的感量可以越小，效率也可以越高[7]。此單片機能輸出的PWM最高頻率為47 kHz，所以本設計選擇讓單片機輸出47 kHz的PWM。那么f= 47 kHz導通時間Ton為：

電感量L為：

因此將各參數代入式（5）得式（6）：

計算的電感為113 μH，采用150 μH的電感，可降低電感溫度。另外本設計采用銅線和磁芯做成的電感以增大電感的儲能能量提升供電的效率[8]。

按照串連型開關電源的電容推導公式如式（7）所示，此中C為電容容量、Io為一個模塊個輸出電壓、△Up-p為輸出紋波電壓，T為PWM一個周期的時間。

輸出電壓最大為36 V，我們設定紋波電壓為0.1 V，將各參數代入式（7）得式（8）結果：

本設計采用2個1 000的電容，達到降低紋波電壓的目的。

1.6.2 電流檢測計算

為了板子器件的安全，我們設定保護電流為2A，即電流超過2 A，系統進入保護狀態。本設計采用電阻分壓的式樣對輸出的電壓進行實時檢測，因為采樣電壓直接輸送給單片機10位ADC進行檢測，單片機供電電源為5 V，所以其內部自帶的檢測的最高電壓也為5 V[9]，OP07A由雙電源供電，所以能輸出最大電壓為：

2 A電流經過0.025Ω電阻得到的電壓為：

這里選擇R12和R11選擇68 K和1K，放大倍數為：

因為β＞βo，符合設計要求。

即當電流為2 A時，運放輸出電壓為：

1.6.3 電壓檢測計算

輸入電壓為21 V，而單片機的采樣電壓最高位5 V，故電壓采樣電阻比例應該小于

這里取R2和R8是100 K和10 K，

因為 β1＜β2，所以滿足條件。

當21 V輸入時，單片機檢測到的電壓是：

2 作品軟件結構及設計

2.1 軟件流程

軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

2.2 控制主要程序

函數說明：主函數

3 實驗結果分析及討論

3.1 測 試

3.1.1 測量I1

I1=2 A，調整直流穩壓電源輸出電壓，使在U2:24～36V范圍內變化時，充電電流I1的變化。如表1所示。

表1 I1測試結果

3.1.2 測量I1的精度

如表2所示。

表2 I1精度

3.1.3 測量功率

設定I1=2 A，在U2=30 V條件下，變換器的效率。如表3所示。

表3 功率測試結果

3.1.4 測量效率

將裝置設定為放電模式，保持U2=30±0.5 V，變換器效率。如表4所示。

表4 效率測試結果

3.1.5 測量U2的值

Us在32～38 V范圍內變化時，U2的值。如表5所示。

3.2 結果分析

3.2.1 產生偏差的原因對效率等進行理論分析和計算時，采用的是器件參數的典型值，但實際器件的參數有明顯的離散型[10]，電路性能也無法達到理論分析值，另外底線干擾及信號線過長導致系統誤差過大。

表5 U2測試結果

3.2.2 測試結果分析

在初期測試的過程中，實驗數據和題目的要求根本達不到，電流的調節精度達不到8%，損耗很大，于是繼續調整電路部分元器件的參數，如高速開關二極管參數的選擇和濾波電容的參數選擇[11]，測試初期充電過程中的變換效率也達不基本的要求，我們對方案進行了改進，選擇導通壓降較小的高速開關二極管，以降低損耗[12]。根據電路具體的要求選擇合適的電容和電感，結合理論公式和經驗，合理選擇磁芯和繞線規格，避免磁飽和并降低銅損和磁損[13]。

同時，由于之前產生PWM與電路不匹配，調節的精度也不夠高，因此我們通過反復調整程序來提高PWM波的頻率，從而提高PWM波的精度[14]。

4 結束語

本裝置利用了單片機和集成芯片的功能，完成了信號的采集、處理和顯示，不但可以精確檢測并記錄輸入、輸出電壓，便于計算此電源的效率，同時實時反饋電流和電壓數值，并由此調整輸出的PWM的占空比，形成電流電壓閉環控制系統，提高了裝置精度。另外，此裝置僅重189 g，體積小，還具有充電過壓保護功能，防止電路損壞。根據測試，同步BUCK和同步BOOST效率都可達到95%以上[15-16]。在實際應用中具有極好的推廣性，能為改進其他類似開關電源提供借鑒。

[1]曲學基.新編高頻開關穩壓電源[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]錢振宇.開關電源的電磁兼容性[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3]郭天祥.新概念51單片機C語言教程設計[M].北京：電子工業出版，2009.

[4]陳海晏.51單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[5]Abraham I.Pressman.開關電源設計[M].北京：電子工業出版社，2007.

[6]Marty Brown.開關電源設計指南[M].北京：機械工業出版社，2004.

[7]張占松，蔡宣二.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社，2004.

[8]劉勝利，李龍文.高頻開關電源新技術應用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[9]張毅剛.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈工大出版社，2004.

[10]王水平，賈靜，方海燕等.開關穩壓電源原理及設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[11]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[12]邱關源.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2010.

[13]陳永真，孟麗囡.高效率開關電源設計與制作[M].北京：中國電力出版社，2008.

[14]余孟嘗.數字電子技術[M].北京：高等教育出版社，2007.

[15]趙同賀.新型開關電源典型電路設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[16]趙衛.開關電源的過流保護電路[J].電子科技，2011（6）：116-117.

Design of DC-DC converter based on single chip microcomputer

YIN Qing-qing，ZHANG Xiang-qing，LI Wen-qi，GUO Yin-hao，WANG Shan
（Shandong Normal University，Jinan 250358，China）

The design of this switching power supply adopts the STC12C5A60S2 microcontroller to send out the PWM pulse signal of 47 kHz，which can get command of the MOS tubes through IR2104，thus controlling the whole BUCK （A step-down conversion）and BOOST（A boost conversion）circuit.The ADC with 10 internal that comes from the MCU can detect the realtime current feedback and the voltage values，and thereby adjusting the duty cycle of the output PWM to form a closed-loop current voltage controlling system.The button can set the output current from 1A to 2A increased by 0.05A，with the error within 0.02A.The real-time output voltage and current can be displayed by LCD.According to the test，the efficiency of synchronous BUCK was 96%while the synchronous BOOST'swas 95%，which proved its function of overvoltage protection in charging.

switching power；BUCK；BOOST；STC microcontroller；IR2104；over-current protection

TN98

A

1674－6236（2016）23-0186-04

2015-12-20稿件編號：201512207

尹慶慶（1994—），男，山東濰坊人。研究方向：電源技術。