一种基于Buck 变换器的数字COT 控制电源设计

黄宝华，龙顺宇，周雅妮，郝昕

（海南热带海洋学院 海洋信息工程学院，海南三亚，572022）

0 引言

降压型开关电源（Вuck DC-DC）是能够进行功率转换的器件，它是以功率器件、变压器、电感器、电抗器等电子元器件组成的电子电路。由于其体积小，转换效率高，拓扑结构简单，被广泛地运用于车载设备、农业设备、家用设备、航空航天、医疗电子，等领域。同时开关电源作为电力电子中的关键技术，对其进行研究也具有较大意义。

本设计采用STC8H 单片机产生导通时间恒定的矩形波，通过主控单片机STC8H8K64US4 实时采集反馈回来的电压进行PID 闭环调控，使其输出电压达到所设预值，在一定程度上有效提高降了压电源的整体性能。

1 COT 调制实现

■1.1 COT 调制方式

COT 是恒定导通时间的PWM 调制。本文选用数字方法产生COT，相比模拟方法可以解决频率不固定，和必须要求ESR 大的缺点，COT 调制方法瞬态响应好，容易稳定，适合core 电源。

COT（Constant On-Time）又名恒定导通时间，在稳态时上开关管上管的导通时间恒定，因此电感电流纹波是恒定的。传统使用模拟方法的COT 如图1 所示。可以发现COT 电路没有环路补偿器，让它可以控制开关管导通的信号是输出的纹波信号，只需要让纹波信号Vo 与Vref 相比较，如果Vo ≤Vref 那么比较器就会控制T-on 开关发出恒定时间的脉冲信号，当T-on 关闭时纹波又减小到Vref 此时T-on又重新发出恒定时间的脉冲信号。T-on 的导通和输入输出电压的关系为：

图1 模拟法调制COT

其中K 为常数，当输出电压增大时导通时间也会变大，从而达到定频的效果。因为没有延时的RC 补偿所以响应相比传统的ВUCK 电源速度更快。

如果采用数字调制COT 可以做到更快响应以及在固定频率实现电源的调制，本设计采用单片机的PWM 信号，把PWM 信号调制为COT 信号，与模拟法的作用相同。

■1.2 COT 软件实现

由于模拟方法的COT 控制是通过纹波来控制，如果电容的ESR 比较小，那么纹波的相位会和输出的相位不同步，不能保证电压稳定，本设计使用单片机通过程序算法直接调制COT 波形，也不会有电容ESR 的限制，在ESR 上的纹波取决于：

输出的最后纹波电压为：

由此可见当ESR 越小，输出的纹波也会越小，对于负载的杂波干扰也就越小，可以符合更高条件的指标。

STC8H 具有的高级型T/C 资源，其硬件可以对外输出16 位精度的PWM 信号（PWM 信号的频率与占空比可以任意设置）。所以就不需要使用纹波电压的变化来驱动MOS管，只需要使用PWM，在PWM 的基础上稍作调整即可调制出COT 波形如图2。只需改变相应寄存器的值就可以改变PWM 的周期与脉宽，通过软件调整PWM 的占空比即可实现高电平时间恒定，而频率不变，经过内置的PID 算法计算出各个电压最优的占空比PID 算法分为增量式和位置式，本设计采用增量式PID 算法，通过改变导通时间的方式来控制电压输出的高低，从而实现COT 软件调制。

图2 数字法调制的COT 波形

2 硬件电路实现

■2.1 整体方案设计

恒定导通时间降压电源系统的硬件设计由STC8H 控制电路、降压开关电路、MOS 管驱动电路、输入电压采样电路，输出电压、电流采样电路以及辅助供电电路共同组成。设计总框图如图3 所示。

图3 设计功能框图

本系统通过STC8H 单片机生成的COT 型的PWM 波，由于单片机生成PWM 波电流电压小，且带载能力弱，所以单片机生成的COT 波形的PWM 波要经过由EG2104M 驱动芯片构成的驱动电路，控制两个MOS 管导通和关断，再经过低通LC 滤波完成从高电压到低电压的变换。采样环节中通过电阻分压和运算放大器将输出电压电流反馈回STC8H主控电路，将其反馈值与预先在按键上的设定的电压值相比较。若数据有差异，单片机将控制输出PWM 的占空比，结合PID 闭环算法实现闭环控制。也使得输出电压电流控制在安全范围，起到电路保护的作用。最后将软件处理后的数据传输到显示模块。

■2.2 关键电路设计

2.2.1 降压开关电路

该模块为同步Вuck DC-DC 组成。电路如图4 所示。

图4 buck 主拓扑电路

主拓扑电路中由两颗HY 3010P N 沟道增强型TO-220封装的mos 管作为同步整流的开关管，该MOS 管最大耐压为100V，最大耐受电压为100A，导通电阻为10mΩ，导通损耗低，散热效率好，可以成为开关管的选择。C1，C2，C3 为输入的滤波电容，其中C1，C2 是用来滤除高频杂波，C4 和L1 构成LC 低通回路滤波器，用来滤除的纹波，同时也满足MEI 的要求，R2 和D3 组成的电路可以使上管缓慢开启，而D2 和R3 组成的电路可以让下管迅速关断，以减小寄身电容的干扰，C5 和C6 为滤除高频杂波的输出滤波电容，CS 为一个接地采样点，R1 为电流的采样电阻。

2.2.2 MOS 管驱动电路

MOS 管驱动电路如图5 所示。

图5 MOS 管驱动电路

根据Q1 的导通需求，栅极和源极的电压至少大于3V才可以使MOS 管导通，由于Q2 管源极为输出端，不属于常规的接地，所以Q2 栅极的驱动属于浮动驱动，由于单片机的驱动能力有限，无法驱动两个MOS 管，所以本设计采用了屹晶微的EG2104N MOS 管驱动芯片，此芯片为高低MOS 管专属芯片，可以产生两路互补的PWM 波，可以有效地驱动Q1 和Q2 两个MOS 管，在Q1 导通时12V 直流电通过D4 向C12 充电，从而把VS 端的电压抬高，此时Q2 管上的栅极电压始终大于源极电压，就可以保证Q2 管的导通。

2.2.3 采样电路

本设计中的单片机STC8H 有三路ADC 可供使用，为了精确捕捉输入电压和输出电压和电流的参数，引入了采样滤波放大电路如图6、图7 所示。

图6 输出电压电流采样

图7 输入电压采样

R8 和R10 把输出电压缩小为原来的21 倍，等比缩小的电压经过运放再经过滤波电路再从ADCOV 端口传输给单片机进行采集，CS 点作为采样电阻的电压，经过运算放大器和R7 和R9 的放大，电压的放大公式为：

计算出放大倍数为16 倍，再通过滤波电路传输给单片机A/D 引脚进行捕捉。

3 系统软件设计

软件部分主要是基于STC8H 作为主控制器的前提下实现PWM 波的输出、输出电压以及电流的采集、过压和过流的保护、显示模块等。主程序的流程图如图8 所示。

图8 软件流程图

系统首先完成STC8H 的初始化，随后单片机开始检测是否按键按下，当检测到有按键按下，系统会进入外部中断，更改设定值；接着采集输入电压电流到主控单片机进行检测，若大于限定值将进入电源保护模式；最后将输出的电压电流与设定值相比较，若不符合设定值将进入PID 闭环调节系统，当输出电压电流无误，将会把电压电流显示在显示模块上，可以实时监控输出。

4 测试结果分析

测试前检测PCВ 上元件焊接，无误后，检查各测试设备连接无误后进行测试。分别测量空载以及不同带载情况下的输出电压电流。

经过多次对该电源的输入电压电流，输出电压电流的测量，并计算出本文设计的降压电源效率为95.5%，负载调整率为3.94%，综合输出的数据，本电源满足一些场合的电源要求。

表1 输入输出电压、电流测试表

5 结语

本文所设计的基于Вuck 变换器的数字COT 控制电源经过调试和实验，最终可实现输入5V～48V 直流电，输出0V-36V 的直流电，最大输出电流为5A，COT 控制的环路简单、负载调整率小、轻载时效率高，是电源供电设备优先选择的方案。通过原理分析和焊接实验，表明该电源转换效率高，反速度灵敏，输出纹波小，工作状态稳定；在单片机软件的过压过流保护机制下，可以满足工作需求。