微型微控制器托管雙直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器

電池是便攜式系統(tǒng)應(yīng)用的典型電源，如今基于微控制器的便攜式系統(tǒng)并不罕見。各種微控制器在低電源電壓下運(yùn)行，例如 1.8V。因此，您可以使用兩節(jié) AA 或 AAA 電池為電路供電。然而，如果電路需要更高的電壓——例如，LCD 的 LED 背光需要大約 7.5V 的直流電壓——你必須使用合適的 dc/dc 轉(zhuǎn)換器將電源電壓從 3V 提升到所需的電壓。

電池是便攜式系統(tǒng)應(yīng)用的典型電源，如今基于微控制器的便攜式系統(tǒng)并不罕見。各種微控制器在低電源電壓下運(yùn)行，例如 1.8V。因此，您可以使用兩節(jié) AA 或 AAA 電池為電路供電。然而，如果電路需要更高的電壓——例如，LCD 的 LED 背光需要大約 7.5V 的直流電壓——你必須使用合適的 dc/dc 轉(zhuǎn)換器將電源電壓從 3V 提升到所需的電壓。但是，您也可以使用微控制器在一些額外的分立元件的幫助下開發(fā)合適的直流/直流升壓電壓轉(zhuǎn)換器（參考文獻(xiàn) 1 ）。

圖 1 升壓開關(guān)穩(wěn)壓器中的輸出電壓高于輸入電壓。升壓開關(guān)穩(wěn)壓器以 CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）或 DCM（斷續(xù)導(dǎo)通模式）運(yùn)行。

該設(shè)計(jì)理念展示了如何僅使用一個(gè)微型八引腳微控制器和一些分立元件來創(chuàng)建一個(gè)而不是兩個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。該設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性，您只需更改微控制器的控制軟件即可使其適應(yīng)各種輸出電壓要求。您甚至可以對微控制器進(jìn)行編程以生成任何所需的輸出電壓啟動(dòng)速率。圖 1 顯示了升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種穩(wěn)壓器的輸出電壓高于輸入電壓。升壓開關(guān)穩(wěn)壓器以 CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）或 DCM（斷續(xù)導(dǎo)通模式）運(yùn)行。為 DCM 操作設(shè)置電路更容易（參考文獻(xiàn) 2). 這個(gè)名字于DCM中每個(gè)PWM周期內(nèi)電感電流下降到0A一段時(shí)間；在 CCM 中，電感器電流永遠(yuǎn)不會(huì)為 0A。在 PWM 輸出的高電平周期結(jié)束時(shí)（當(dāng)開關(guān)打開時(shí)）流過電感的電流為：

(1)

其中 V DC 是輸入電壓，D 是占空比，T 是總周期時(shí)間，L 是電感器的電感量。通過二極管的電流在時(shí)間 T R內(nèi)下降到零。

(2)

負(fù)載電流是平均二極管電流，

(3)

從等式 1 和等式 2 簡化為：

(4)

輸出電壓 V OUT為：

(5)

決定紋波電壓的輸出電容值為：

(6)

其中dV/dt表示PWM信號周期內(nèi)輸出電壓的壓降，I為負(fù)載電流，C為所需的輸出電容。

PWM波的總周期為T，是一個(gè)系統(tǒng)常數(shù)。D是PWM波的占空比，T R 是二極管導(dǎo)通的時(shí)間。在 T R結(jié)束時(shí)，二極管電流降至 0A。 DCM的波周期為T>D×T+T R。PWM 周期 T 和 (D×T+T R ) 之差就是死區(qū)時(shí)間。

操作電感器的開關(guān)通常是 BJT（雙極結(jié)晶體管）或 MOSFET。MOSFET 是，因?yàn)樗軌蛱幚泶箅娏?、更高的效率和更高的開關(guān)速度。然而，在低電壓下，很難找到具有足夠低的柵極到源極閾值電壓的合適 MOSFET，而且可能很昂貴。因此，此設(shè)計(jì)使用 BJT（圖 2 ）。

圖 2 Atmel Tiny13 AVR 微控制器使用其內(nèi)部 ADC 和 PWM 調(diào)節(jié)兩個(gè)升壓直流/直流轉(zhuǎn)換器輸出。

微控制器提供 10 kHz 到 200 kHz 以上的 PWM 頻率。高 PWM 頻率是可取的，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致較低的電感值，這轉(zhuǎn)化為一個(gè)小電感。Atmel的 Tiny13 AVR 微控制器具有“快速”PWM 模式，頻率約為 37.5 kHz，分辨率為 8 位。更高的 PWM 分辨率提供了更緊密地跟蹤所需輸出電壓的能力。 對于 20μH 電感器，公式 1中的電感器電流為 0.81A。開關(guān)電感的晶體管的集電極電流應(yīng)大于該值。2SD789 NPN 晶體管具有 1A 的集電極電流限制，因此適用于此 dc/dc 轉(zhuǎn)換器。這些值可實(shí)現(xiàn)的負(fù)載電流，來自公式 4, 為 54 mA，因此滿足 7.5V 輸出電壓所需的負(fù)載電流要求。

Tiny13 微控制器擁有兩個(gè)高速 PWM 通道和四個(gè) 10 位 ADC 通道。另一個(gè) PWM 通道和一個(gè) ADC 通道創(chuàng)建第二個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，輸出電壓為 15V，負(fù)載電流為 15mA。該轉(zhuǎn)換器的電感值為 100 μH。要計(jì)算輸出電容值，請使用公式 6。對于 5 mV 紋波，7.5 V 輸出電壓的電容器值為 270 μF，因?yàn)檩敵鲭娏鳛?50 mA，PWM 時(shí)間周期為 27 μsec，因此該電路使用接近的較大值 330 μF。同樣，對于 15V 輸出電壓，所需的電容器值為 81μF，因此設(shè)計(jì)使用 100μF 電容器。

微控制器的程序是用 C 語言編寫的，并使用開源AVR GCC 編譯器。AVR Tiny13 微控制器在沒有內(nèi)部時(shí)鐘分頻器的情況下以 9.6 MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘頻率運(yùn)行，因此 PWM 頻率為 9.6 MHz/256=37.5 kHz。內(nèi)部參考電壓為 1.1V。主程序在中斷子程序中交替讀取兩個(gè)監(jiān)控輸出電壓的 ADC 通道。主程序執(zhí)行無限循環(huán)，通過讀取 ADC 值并相應(yīng)地調(diào)整 PWM 值來監(jiān)控輸出電壓。