基于Buck—Boost電路的DC/DC變換器的設計

賀婷婷 韓寧

摘 要 本文設計的是一個開關型直流穩壓電源系統，其工作過程為：預置一個電壓值，CPU識別后輸出PWM波，然后將信號放大足以達到開關管的開通，單片機會根據預設值和采樣電路采樣的值之間的差值，調用算法來修改脈沖占空比，輸出后的PWM波來控制開關管，從而能得到期望的預設值，然后根據判斷是否有差值調用PID算法調整脈沖占空比最終輸出期望的穩定電壓。

【關鍵詞】DC-DC PWM MOS管 PID

電源在我們生活中無處不見，尤其現在科技的迅速發展，不管小功率還是大功率儀器都離不開電源供電。如今，便攜式產品越來越多，需要更小型，輕便的電源來供電，這就要求我們根據客戶的需求進行設計，可以進行人機交換的新型的直流電源。通過對比傳統電源與開關電源，顯而易見，可以看出，開關電源更具有前沿性，更具有研究價值，而且會提高電源的效率，這正是我們所要實現的目標之一。為了實現高效率的電源，在本文中特別設計了開關型穩壓電源，大大降低了靜態電流消耗從而提高了電源效率，與以往的電源相比，其具有體積小，重量輕、功耗低，效率高、高頻化等優點。

1 總體方案設計

本節主要說明電路的結構組成和工作原理。

1.1 結構設計

DC-DC直流穩壓電源主要由以下六部分組成：初步整流穩壓部分、驅動電路、主電路、模數轉換電路、主控電路、顯示電路。此外，還有下載模塊等。

1.2 工作原理

市電經過初步整流濾波后，一路電壓經過三端穩壓器穩壓后，得到一個+5V的電壓，該電壓為單片機提供工作電壓，另外一路電壓經過穩壓器穩壓得到一個+15的電壓作為輸入電壓。單片機會根據輸入電壓值和采樣電路采樣的值之間的差值，修改脈沖占空比，來控制開關管通斷，從而能得到期望的預設值，并根據模數轉換電路所采樣的電壓值和輸入電壓值進行比較，然后根據差值調用PID算法再次修改脈寬使輸出電壓穩定。在該系統中，我們可以根據自己的需要從鍵盤輸入期望的電壓，單片機會調用PID算法，對輸出的電壓進行穩壓控制。

2 硬件電路設計

開關電源的硬件電路的設計：單片機采用AT89C51作為主控芯片，主電路采用帶輸入電壓前饋的電壓型控制，采樣電路采用ADC0832模數轉換芯片，實時地采樣反饋給單片機進行處理，顯示電路采用共陽極的四位數碼管，驅動電路采用光電耦合器設計的來驅動MOS管。下面介紹本設計的核心。

2.1 主電路

如圖1所示為該設計的主電路為Buck-boost電路拓撲圖，主要由MOSFET管、儲能電感、電容、續流二極管、采樣電阻等組成，采用輸入電壓前饋的電壓型控制電路。

通過控制MOS管的開通和關斷時間來控制輸出電壓的大小。該電路的基本原理是：

當VT處于通態期間時，UL=E；而當VT處于斷態時，UL=-UO。于是，所以輸出電壓為。

若改變導通比a，則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。若a>0.5時為降壓，當0.5

2.2 驅動電路

采用光電耦合式驅動電路，其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測功率開關管的電壓和電流的狀態，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩定性比較好。但是它需要較多的工作電源，不適應于某些要求比較高的場合。由于這次設計的電路是直流電路，且要求不是很高，所以選擇光耦隔離。

如圖2所示為驅動電路的核心器件，2接AT89C51的P1.0口，1接NPN型的三極管，起到放大電流的作用，使驅動電路正常工作。PC817為光耦合器，它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，用于傳遞模擬信號。

3 軟件電路設計

對于整體系統來說，主電路中輸入15V的電壓，主電路為Buck-Boost電路，電壓調節范圍廣，因此通過鍵盤預置的電壓進行調節輸出期望值，而單片機作為控制電路，當鍵盤有輸入，系統立即會做出響應，根據采樣電壓與鍵盤輸入之間的差值，更新脈寬，輸出用戶期望的電壓，隨后系統仍掃描鍵盤，當沒有再次輸入時，系統調用PID控制算法，控制輸出電壓穩定。軟件子程序包括：

（1）鍵盤和數碼管掃描子程序；

（2）ADC0832轉換子程序；

（3）定時器0中斷產生方波子程序；

（4）PID控制子程序；

（5）定時器1中斷修改占空比、進行PID控制、數碼顯示子程序。

4 PID算法

常規的離散PID算法有兩種表現形式：即全量式和增量式。

全量式離散PID算法的表達式為：

式中為時間步長。

增量式離散PID算法的表達式為：

比較兩式可知，增量式算法不需要累計歷史偏差量，適用于軟件實現，本系統PID算采用的就是增量式算法。

AD轉換采樣的電壓轉換為0-255之間的數字量，設定的值要轉換為對應的數字量，本電源在3到30伏可調，那么需要把0到30伏轉換為0到255的數字量，轉換公式為30*255/30=255，即255對應30V，經轉換以后就可以相互比較。如圖3所示為 PID運算流程圖。

5 調試結果

通過調試將設計變為實物。調試過程中面對了很多問題，調試與焊接過程是同時進行的，這樣一步一步的實現設計各部分的功能。實際電路板如圖4所示：

測試結果為：

輸出電壓范圍為3.1V-29.86V；

最大輸出電流為2A；

紋波電壓峰峰值65mv。

6 總結

本文研究的結果中仍有些不完善的地方，主要包括：

（1）調試的時候，功率管使用時間長，就會發燙。

（2）軟件設計中仍然存在一些小瑕疵，雖不至于影響系統的運行，但相信改良之后，系統的運行速度將得到更好的改進。

參考文獻

[1]朱榮麗，孫京.關于通信電源相關問題的研究[J].城市建設理論研究：電子版，2012（09）.

[2]張波.開關電源的優點及應用[J].電氣開關，2007，45（01）：39-40.

[3]王滔.開關型穩壓電源[J].科技風，2011（01）：220-220.

[4]王瑞.一種新型智能開關穩壓電源設計[J].建材技術與應用，2016（04）：14-17.

[5]韓京清.非線性PID控制器[J].自動化學報，1994，20（04）：487-490.

[6]汪嶺.DC/DC升壓變換器設計[D].上海交通大學，2007.

[7]寧春巍，丁國清.新型線性光電隔離電路的設計[J].測控技術，2011，30（06）：41-44.

作者單位

內蒙古工業大學信息工程學院 內蒙古自治區呼和浩特市 010005