基于单片机的DC-DC升压隔离电路设计

姜文波

（北华大学科技园管委会，吉林 吉林 132013）

0 引 言

DC-DC转换器是一种能够有效地将直流电转换成高频直流电的混合电源装置，主要使用高频功率转换技术。高频直流电压可以通过电力交换装置转换为低频交换电压，并且入口和出口完全绝缘。本系列产品主要适用于航空、航天、通信、雷达以及其他分布式电力系统领域[1-3]。

20世纪90年代，由于在功率范围内的低损耗，DC-DC系列转换器数量的增加速度大幅提高。其中，6～25 W的DC-DC变换器被广泛使用在检查电子测量仪器和设备、数字显示装置的电脑中。市场需求和遥感系列251～750 W的DC-DC转换器增长率也相对较快，主要是因为适合应用在工业工程、数字通信电子设备、通信设备以及远程数据传输多媒体数字频道中。DC-DC系列转换器已经在电子工业遥感和数字远程通信技术中具有巨大的市场应用和发展前景。

1 DC-DC变换器

DC-DC转换器是一种电力转换装置，在正常工作中，主要功能是将电路中传输的所有直流电源转换成另一个直流电压。电源主要提供从直流输入到直流输出的变换，控制电路主要提供电源转换所需的各种控制信号，包括直流信号处理、反馈回路、交换电路以及模拟电路[4-6]。

DC-DC变换器主电路原理如图1所示，由输入电源U、升压电感L、全桥逆变电路Q1～Q4、隔离升压变压器T（升压比为n）、全桥整流电路D1～D4、输出滤波电容C以及负载R组成。iL为电感电流（输入电流），U0为输出电压（负载电压），i0为输出电流[7]。

图1 DC-DC变换器主电路原理图

2 控制电路的设计

根据DC-DC变换器主电路原理，设计控制电路包括数据采集电路模块、保护电路模块、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）模块、单片机主控制模块以及人机界面电路模块，总框架如图2所示。

图2 硬件设计总框架

2.1 控制芯片的选择

89C51的内部结构包括中央处理器、程序内存、数据内存、计时器、计数器以及其他主要模块，它还包括数据总线、地址总线、控制总线3个主线，本设计使用了AT89C51微控制器[8]。

2.2 单片机系统电路设计

本文采用AT89C51单片机对DC-DC变换器进行程序控制，可检测DC-DC变换器输入、输出等运行状态参数，并控制变换器输出期望电压电流等参数运行。设计单片机最小系统，包括晶体振荡器电路和复位电路等，即可实现对数据采集电路，人机界面的控制。复位电路和晶振电路分别如图3和图4所示。

图3 复位电路

图4 晶振电路

2.3 数据采集电路设计

数据采集模块的集成电路采用ADC0809转换芯片，其主要功能之一就是可以帮助单片机实时收集DC-DC转换电路中的电压值，然后与参考值进行比较。单片机电路执行输入给定参数计算，输出信号PWM计算控制电路信号到DC-DC中并转换控制电路[10]。

2.4 人机界面电路的设计

人机交互的模块虽然并非是整个系统的基础和核心，但却是整个系统中不可或缺的一部分。用户在操作时可方便地直接输入控制参数，并以简单的数字形式实时显示控制信号，完成了人机交互。本模块对精度要求不高，只需通过使用74LS373芯片对8位LED数字信号管进行静态显示。

2.5 保护电路的设计

为了增加开关电路板的安全性，保证开关电路板在正常及异常状态下工作，控制电路中包含保护电路。保护电路分为自我保护和负载保护，一旦发生故障，开关电路立即停止工作，发出警报。

2.6 PWM调制

由于51系列单片机没有PWM的输出功能，因此需要通过一定的硬件电路，采用定时器配合软件的方法进行PWM调制波的输出。具体实现过程为通过电位器改变PWM占空比，将0～5 V的模拟电压信号输入到ADC0809模数转换器，转换为数字量输入到AT89C51，将PWM程序经过串口芯片下载到单片机，运行后再输出相应PWM调制信号。

3 电路的仿真

结合本文DC-DC升压隔离电路控制系统的硬件电路设计，要求变换器输入电压为12～15 V，输出电压为35～45 V。为保证合适的纹波电压，输出电容选择650 μF的电解电容，同时根据带载能力与纹波电压的影响，选择400 μH左右的电感。利用Proteus仿真软件绘制布线如图5所示，结果如图6所示。

图5 Proteus布线图

图6 电路输出仿真波形

从如图6的Proteus仿真示波器结果可以看出，示波器中Channel A通道为系统输入电压值，即DC-DC变换器输入为直流14 V，经过DC-DC升压隔离电路之后的输出为直流40 V（Channel B通道，由此可以验证该电路是可行的，并且输出电压的振幅可以增加到所需的数值。

4 结 论

本课题结合了DC-DC变换器目前发展状况和存在的问题，设计了一种单片机控制的DC-DC变换器。系统具有算法简单、易于实施、价格低廉、运行稳定以及易于推广的优点。本文采用AT89C51单片机和ADC0809模数转化器，完成数据采集、数据分析处理、输出量的控制、电路原理图的绘制和硬件电路图的设计，最后完成软件的编程及其硬件功能的调试。实验结果显示，电压振幅可以增加到所需的振幅，证明了本文所设计的大功率DC-DC升压隔离变换电路的有效性和可靠性，具有一定的理论价值和使用价值。