基于Buck—Boost電路的DC/DC變換器的設(shè)計

賀婷婷 韓寧

摘 要 本文設(shè)計的是一個開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其工作過程為：預(yù)置一個電壓值，CPU識別后輸出PWM波，然后將信號放大足以達(dá)到開關(guān)管的開通，單片機(jī)會根據(jù)預(yù)設(shè)值和采樣電路采樣的值之間的差值，調(diào)用算法來修改脈沖占空比，輸出后的PWM波來控制開關(guān)管，從而能得到期望的預(yù)設(shè)值，然后根據(jù)判斷是否有差值調(diào)用PID算法調(diào)整脈沖占空比最終輸出期望的穩(wěn)定電壓。

【關(guān)鍵詞】DC-DC PWM MOS管 PID

電源在我們生活中無處不見，尤其現(xiàn)在科技的迅速發(fā)展，不管小功率還是大功率儀器都離不開電源供電。如今，便攜式產(chǎn)品越來越多，需要更小型，輕便的電源來供電，這就要求我們根據(jù)客戶的需求進(jìn)行設(shè)計，可以進(jìn)行人機(jī)交換的新型的直流電源。通過對比傳統(tǒng)電源與開關(guān)電源，顯而易見，可以看出，開關(guān)電源更具有前沿性，更具有研究價值，而且會提高電源的效率，這正是我們所要實現(xiàn)的目標(biāo)之一。為了實現(xiàn)高效率的電源，在本文中特別設(shè)計了開關(guān)型穩(wěn)壓電源，大大降低了靜態(tài)電流消耗從而提高了電源效率，與以往的電源相比，其具有體積小，重量輕、功耗低，效率高、高頻化等優(yōu)點。

1 總體方案設(shè)計

本節(jié)主要說明電路的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

DC-DC直流穩(wěn)壓電源主要由以下六部分組成：初步整流穩(wěn)壓部分、驅(qū)動電路、主電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、主控電路、顯示電路。此外，還有下載模塊等。

1.2 工作原理

市電經(jīng)過初步整流濾波后，一路電壓經(jīng)過三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，得到一個+5V的電壓，該電壓為單片機(jī)提供工作電壓，另外一路電壓經(jīng)過穩(wěn)壓器穩(wěn)壓得到一個+15的電壓作為輸入電壓。單片機(jī)會根據(jù)輸入電壓值和采樣電路采樣的值之間的差值，修改脈沖占空比，來控制開關(guān)管通斷，從而能得到期望的預(yù)設(shè)值，并根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所采樣的電壓值和輸入電壓值進(jìn)行比較，然后根據(jù)差值調(diào)用PID算法再次修改脈寬使輸出電壓穩(wěn)定。在該系統(tǒng)中，我們可以根據(jù)自己的需要從鍵盤輸入期望的電壓，單片機(jī)會調(diào)用PID算法，對輸出的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制。

2 硬件電路設(shè)計

開關(guān)電源的硬件電路的設(shè)計：單片機(jī)采用AT89C51作為主控芯片，主電路采用帶輸入電壓前饋的電壓型控制，采樣電路采用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實時地采樣反饋給單片機(jī)進(jìn)行處理，顯示電路采用共陽極的四位數(shù)碼管，驅(qū)動電路采用光電耦合器設(shè)計的來驅(qū)動MOS管。下面介紹本設(shè)計的核心。

2.1 主電路

如圖1所示為該設(shè)計的主電路為Buck-boost電路拓?fù)鋱D，主要由MOSFET管、儲能電感、電容、續(xù)流二極管、采樣電阻等組成，采用輸入電壓前饋的電壓型控制電路。

通過控制MOS管的開通和關(guān)斷時間來控制輸出電壓的大小。該電路的基本原理是：

當(dāng)VT處于通態(tài)期間時，UL=E；而當(dāng)VT處于斷態(tài)時，UL=-UO。于是，所以輸出電壓為。

若改變導(dǎo)通比a，則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。若a>0.5時為降壓，當(dāng)0.5

2.2 驅(qū)動電路

采用光電耦合式驅(qū)動電路，其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測功率開關(guān)管的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，不適應(yīng)于某些要求比較高的場合。由于這次設(shè)計的電路是直流電路，且要求不是很高，所以選擇光耦隔離。

如圖2所示為驅(qū)動電路的核心器件，2接AT89C51的P1.0口，1接NPN型的三極管，起到放大電流的作用，使驅(qū)動電路正常工作。PC817為光耦合器，它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，用于傳遞模擬信號。

3 軟件電路設(shè)計

對于整體系統(tǒng)來說，主電路中輸入15V的電壓，主電路為Buck-Boost電路，電壓調(diào)節(jié)范圍廣，因此通過鍵盤預(yù)置的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出期望值，而單片機(jī)作為控制電路，當(dāng)鍵盤有輸入，系統(tǒng)立即會做出響應(yīng)，根據(jù)采樣電壓與鍵盤輸入之間的差值，更新脈寬，輸出用戶期望的電壓，隨后系統(tǒng)仍掃描鍵盤，當(dāng)沒有再次輸入時，系統(tǒng)調(diào)用PID控制算法，控制輸出電壓穩(wěn)定。軟件子程序包括：

（1）鍵盤和數(shù)碼管掃描子程序；

（2）ADC0832轉(zhuǎn)換子程序；

（3）定時器0中斷產(chǎn)生方波子程序；

（4）PID控制子程序；

（5）定時器1中斷修改占空比、進(jìn)行PID控制、數(shù)碼顯示子程序。

4 PID算法

常規(guī)的離散PID算法有兩種表現(xiàn)形式：即全量式和增量式。

全量式離散PID算法的表達(dá)式為：

式中為時間步長。

增量式離散PID算法的表達(dá)式為：

比較兩式可知，增量式算法不需要累計歷史偏差量，適用于軟件實現(xiàn)，本系統(tǒng)PID算采用的就是增量式算法。

AD轉(zhuǎn)換采樣的電壓轉(zhuǎn)換為0-255之間的數(shù)字量，設(shè)定的值要轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量，本電源在3到30伏可調(diào)，那么需要把0到30伏轉(zhuǎn)換為0到255的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換公式為30*255/30=255，即255對應(yīng)30V，經(jīng)轉(zhuǎn)換以后就可以相互比較。如圖3所示為 PID運算流程圖。

5 調(diào)試結(jié)果

通過調(diào)試將設(shè)計變?yōu)閷嵨?。調(diào)試過程中面對了很多問題，調(diào)試與焊接過程是同時進(jìn)行的，這樣一步一步的實現(xiàn)設(shè)計各部分的功能。實際電路板如圖4所示：

測試結(jié)果為：

輸出電壓范圍為3.1V-29.86V；

最大輸出電流為2A；

紋波電壓峰峰值65mv。

6 總結(jié)

本文研究的結(jié)果中仍有些不完善的地方，主要包括：

（1）調(diào)試的時候，功率管使用時間長，就會發(fā)燙。

（2）軟件設(shè)計中仍然存在一些小瑕疵，雖不至于影響系統(tǒng)的運行，但相信改良之后，系統(tǒng)的運行速度將得到更好的改進(jìn)。

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作者單位

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010005