基于單片機的DC-DC變換器設(shè)計

尹慶慶，張祥慶，李文祁，郭吟浩，王 珊

（山東師范大學(xué) 山東 濟南 250358）

基于單片機的DC-DC變換器設(shè)計

尹慶慶，張祥慶，李文祁，郭吟浩，王 珊

（山東師范大學(xué) 山東 濟南 250358）

本開關(guān)電源設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機發(fā)生43 kHz的PWM脈沖信號，經(jīng)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(nèi)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(shù)值，并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比，形成電流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。按鍵能設(shè)置輸出電流從1A到2 A，以0.05 A遞增，按鍵設(shè)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(jù)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(guān)電源；BUCK；BOOST；STC單片機；IR2104；過流保護

隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，電源的應(yīng)用領(lǐng)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(xiàn)，傳統(tǒng)的電源逐漸被開關(guān)電源代替，開關(guān)電源具有頻率高、效率高、功率因數(shù)高、可靠性高、體積小等特點[1]，并成為現(xiàn)代供電系統(tǒng)的主流。但是，隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們對測量的精度和應(yīng)用的便捷性要求越來越高。提高開關(guān)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(guān)電源進行進一步的改造，為了方便實際實驗數(shù)據(jù)的讀取和測量精度的提高，我們用低功耗的 LCD作為數(shù)據(jù)顯示裝置，用單片機控制產(chǎn)生PWM波并讀取數(shù)據(jù)[3]，從而設(shè)計了這款基于單片機的DC-DC變換器。

1 作品硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計

1.1 總體框架

總體設(shè)計構(gòu)架如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計構(gòu)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(qū)動電路

IR2104是一種高性能的半橋驅(qū)動芯片，該芯片內(nèi)部是采用被動式泵荷升壓原理[5]。主開關(guān)數(shù)量較少，驅(qū)動電路簡單，線圈圈數(shù)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(guān)工作頻率

為降低開關(guān)損害，應(yīng)盡量降低工作頻率；為避免產(chǎn)生噪聲[6]，工作頻率應(yīng)在音頻內(nèi)。綜合考慮后，我們把開關(guān)電源設(shè)定在20 kHz。

1.5 保護電路設(shè)計

控制電路采用STC12C5A60S2單片機，內(nèi)置10位AD方便測量模擬信號。當(dāng)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(shù)計算

1.6.1 LC濾波電路推導(dǎo)

根據(jù)推導(dǎo)公式如式（1）所示：此中Ton為PWM一個周期內(nèi)導(dǎo)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(shù)據(jù)后得到：

一般而言，開關(guān)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(shè)計選擇讓單片機輸出47 kHz的PWM。那么f= 47 kHz導(dǎo)通時間Ton為：

電感量L為：

因此將各參數(shù)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(shè)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(guān)電源的電容推導(dǎo)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(shè)定紋波電壓為0.1 V，將各參數(shù)代入式（7）得式（8）結(jié)果：

本設(shè)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(shè)定保護電流為2A，即電流超過2 A，系統(tǒng)進入保護狀態(tài)。本設(shè)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(nèi)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(jīng)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(shù)為：

因為β＞βo，符合設(shè)計要求。

即當(dāng)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(yīng)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(dāng)21 V輸入時，單片機檢測到的電壓是：

2 作品軟件結(jié)構(gòu)及設(shè)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(shù)說明：主函數(shù)

3 實驗結(jié)果分析及討論

3.1 測 試

3.1.1 測量I1

I1=2 A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使在U2:24～36V范圍內(nèi)變化時，充電電流I1的變化。如表1所示。

表1 I1測試結(jié)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(shè)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(jié)果

3.1.4 測量效率

將裝置設(shè)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(jié)果

3.1.5 測量U2的值

Us在32～38 V范圍內(nèi)變化時，U2的值。如表5所示。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 產(chǎn)生偏差的原因?qū)π实冗M行理論分析和計算時，采用的是器件參數(shù)的典型值，但實際器件的參數(shù)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(dǎo)致系統(tǒng)誤差過大。

表5 U2測試結(jié)果

3.2.2 測試結(jié)果分析

在初期測試的過程中，實驗數(shù)據(jù)和題目的要求根本達不到，電流的調(diào)節(jié)精度達不到8%，損耗很大，于是繼續(xù)調(diào)整電路部分元器件的參數(shù)，如高速開關(guān)二極管參數(shù)的選擇和濾波電容的參數(shù)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(dǎo)通壓降較小的高速開關(guān)二極管，以降低損耗[12]。根據(jù)電路具體的要求選擇合適的電容和電感，結(jié)合理論公式和經(jīng)驗，合理選擇磁芯和繞線規(guī)格，避免磁飽和并降低銅損和磁損[13]。

同時，由于之前產(chǎn)生PWM與電路不匹配，調(diào)節(jié)的精度也不夠高，因此我們通過反復(fù)調(diào)整程序來提高PWM波的頻率，從而提高PWM波的精度[14]。

4 結(jié)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(shù)值，并由此調(diào)整輸出的PWM的占空比，形成電流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，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(jù)測試，同步BUCK和同步BOOST效率都可達到95%以上[15-16]。在實際應(yīng)用中具有極好的推廣性，能為改進其他類似開關(guān)電源提供借鑒。

[1]曲學(xué)基.新編高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]錢振宇.開關(guān)電源的電磁兼容性[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]郭天祥.新概念51單片機C語言教程設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版，2009.

[4]陳海晏.51單片機原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

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[6]Marty Brown.開關(guān)電源設(shè)計指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[7]張占松，蔡宣二.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[8]劉勝利，李龍文.高頻開關(guān)電源新技術(shù)應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[9]張毅剛.MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計[M].哈爾濱：哈工大出版社，2004.

[10]王水平，賈靜，方海燕等.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理及設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

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

[12]邱關(guān)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(guān)電源設(shè)計與制作[M].北京：中國電力出版社，2008.

[14]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[15]趙同賀.新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[16]趙衛(wèi).開關(guān)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(shù)。