基于单片机的DC-DC变换器设计

尹庆庆，张祥庆，李文祁，郭吟浩，王 珊

（山东师范大学 山东 济南 250358）

基于单片机的DC-DC变换器设计

尹庆庆，张祥庆，李文祁，郭吟浩，王 珊

（山东师范大学 山东 济南 250358）

本开关电源设计采用STC12C5A60S2单片机发生43 kHz的PWM脉冲信号，经过IR2104控制MOS管，从而控制整个BUCK（降压式变换）电路和BOOST（升压式变换）。单片机内部自带的10位ADC能通过电压电流检测，实时反馈电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电流电压闭环控制系统。按键能设置输出电流从1A到2 A，以0.05 A递增，按键设置的输出电流的误差小于0.02 A。液晶能显示实时输出电流与电压。根据测试，同步BUCK效率为96%，同步BOOST效率为95%。具有充电过压保护功能。

开关电源；BUCK；BOOST；STC单片机；IR2104；过流保护

随着电子科学技术的迅速发展，电源的应用领域越来越广泛，同时也对电源的性能提出了更高的要求。近年来，新的电子元器件，新电磁材料，不断出现，传统的电源逐渐被开关电源代替，开关电源具有频率高、效率高、功率因数高、可靠性高、体积小等特点[1]，并成为现代供电系统的主流。但是，随着电子科学技术的发展，我们对测量的精度和应用的便捷性要求越来越高。提高开关电源的精度、效率和减小体积仍然是我们需要解决的问题[2]。

针对以上的问题，我们将对开关电源进行进一步的改造，为了方便实际实验数据的读取和测量精度的提高，我们用低功耗的 LCD作为数据显示装置，用单片机控制产生PWM波并读取数据[3]，从而设计了这款基于单片机的DC-DC变换器。

1 作品硬件结构及设计

1.1 总体框架

总体设计构架如图1所示。

图1 总体设计构架

1.2 控制电路

控制电路采取性价比较高的单片机STC12C5A60S2；显示采取低功耗LCD，用来显示输入电压，输出电压，标准电流，实际电流[4]。

1.3 驱动电路

IR2104是一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片内部是采用被动式泵荷升压原理[5]。主开关数量较少，驱动电路简单，线圈圈数较少，可以减轻重量，抗不平衡能力强，不需要泄放回路。

1.4 选择合适的开关工作频率

为降低开关损害，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声[6]，工作频率应在音频内。综合考虑后，我们把开关电源设定在20 kHz。

1.5 保护电路设计

控制电路采用STC12C5A60S2单片机，内置10位AD方便测量模拟信号。当U1超过阈值U1th=24±0.5 V时，单片机会控制PWM波的占空比，使DC-DC回路停止工作，从而起到保护电路的作用。

1.6 主回路器件的选择及参数计算

1.6.1 LC滤波电路推导

根据推导公式如式（1）所示：此中Ton为PWM一个周期内导通时间、Ui为输入电压、Uo为输出电压、Ud为肖特基二极管的电压降 （约等于0.6 V）、Io为一个直流/直流模块的输出电流。输入电压4.2*5=21 V，输出电压最高36 V。

PWM的占空比为D:

代入数据后得到：

一般而言，开关电源的频率越高，电感的感量可以越小，效率也可以越高[7]。此单片机能输出的PWM最高频率为47 kHz，所以本设计选择让单片机输出47 kHz的PWM。那么f= 47 kHz导通时间Ton为：

电感量L为：

因此将各参数代入式（5）得式（6）：

计算的电感为113 μH，采用150 μH的电感，可降低电感温度。另外本设计采用铜线和磁芯做成的电感以增大电感的储能能量提升供电的效率[8]。

按照串连型开关电源的电容推导公式如式（7）所示，此中C为电容容量、Io为一个模块个输出电压、△Up-p为输出纹波电压，T为PWM一个周期的时间。

输出电压最大为36 V，我们设定纹波电压为0.1 V，将各参数代入式（7）得式（8）结果：

本设计采用2个1 000的电容，达到降低纹波电压的目的。

1.6.2 电流检测计算

为了板子器件的安全，我们设定保护电流为2A，即电流超过2 A，系统进入保护状态。本设计采用电阻分压的式样对输出的电压进行实时检测，因为采样电压直接输送给单片机10位ADC进行检测，单片机供电电源为5 V，所以其内部自带的检测的最高电压也为5 V[9]，OP07A由双电源供电，所以能输出最大电压为：

2 A电流经过0.025Ω电阻得到的电压为：

这里选择R12和R11选择68 K和1K，放大倍数为：

因为β＞βo，符合设计要求。

即当电流为2 A时，运放输出电压为：

1.6.3 电压检测计算

输入电压为21 V，而单片机的采样电压最高位5 V，故电压采样电阻比例应该小于

这里取R2和R8是100 K和10 K，

因为 β1＜β2，所以满足条件。

当21 V输入时，单片机检测到的电压是：

2 作品软件结构及设计

2.1 软件流程

软件流程图如图2所示。

图2 软件流程图

2.2 控制主要程序

函数说明：主函数

3 实验结果分析及讨论

3.1 测 试

3.1.1 测量I1

I1=2 A，调整直流稳压电源输出电压，使在U2:24～36V范围内变化时，充电电流I1的变化。如表1所示。

表1 I1测试结果

3.1.2 测量I1的精度

如表2所示。

表2 I1精度

3.1.3 测量功率

设定I1=2 A，在U2=30 V条件下，变换器的效率。如表3所示。

表3 功率测试结果

3.1.4 测量效率

将装置设定为放电模式，保持U2=30±0.5 V，变换器效率。如表4所示。

表4 效率测试结果

3.1.5 测量U2的值

Us在32～38 V范围内变化时，U2的值。如表5所示。

3.2 结果分析

3.2.1 产生偏差的原因对效率等进行理论分析和计算时，采用的是器件参数的典型值，但实际器件的参数有明显的离散型[10]，电路性能也无法达到理论分析值，另外底线干扰及信号线过长导致系统误差过大。

表5 U2测试结果

3.2.2 测试结果分析

在初期测试的过程中，实验数据和题目的要求根本达不到，电流的调节精度达不到8%，损耗很大，于是继续调整电路部分元器件的参数，如高速开关二极管参数的选择和滤波电容的参数选择[11]，测试初期充电过程中的变换效率也达不基本的要求，我们对方案进行了改进，选择导通压降较小的高速开关二极管，以降低损耗[12]。根据电路具体的要求选择合适的电容和电感，结合理论公式和经验，合理选择磁芯和绕线规格，避免磁饱和并降低铜损和磁损[13]。

同时，由于之前产生PWM与电路不匹配，调节的精度也不够高，因此我们通过反复调整程序来提高PWM波的频率，从而提高PWM波的精度[14]。

4 结束语

本装置利用了单片机和集成芯片的功能，完成了信号的采集、处理和显示，不但可以精确检测并记录输入、输出电压，便于计算此电源的效率，同时实时反馈电流和电压数值，并由此调整输出的PWM的占空比，形成电流电压闭环控制系统，提高了装置精度。另外，此装置仅重189 g，体积小，还具有充电过压保护功能，防止电路损坏。根据测试，同步BUCK和同步BOOST效率都可达到95%以上[15-16]。在实际应用中具有极好的推广性，能为改进其他类似开关电源提供借鉴。

[1]曲学基.新编高频开关稳压电源[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]钱振宇.开关电源的电磁兼容性[M].北京：电子工业出版社，2005.

[3]郭天祥.新概念51单片机C语言教程设计[M].北京：电子工业出版，2009.

[4]陈海晏.51单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[5]Abraham I.Pressman.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2007.

[6]Marty Brown.开关电源设计指南[M].北京：机械工业出版社，2004.

[7]张占松，蔡宣二.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社，2004.

[8]刘胜利，李龙文.高频开关电源新技术应用[M].北京：中国电力出版社，2008.

[9]张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈工大出版社，2004.

[10]王水平，贾静，方海燕等.开关稳压电源原理及设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[11]康华光.电子技术基础模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[12]邱关源.电路[M].5版.北京：高等教育出版社，2010.

[13]陈永真，孟丽囡.高效率开关电源设计与制作[M].北京：中国电力出版社，2008.

[14]余孟尝.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2007.

[15]赵同贺.新型开关电源典型电路设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

[16]赵卫.开关电源的过流保护电路[J].电子科技，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稿件编号：201512207

尹庆庆（1994—），男，山东潍坊人。研究方向：电源技术。