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微型微控制器承载双直流/直流升压转换器
接线图
2024年10月20日 19:22 58
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电池是便携式系统应用的典型电源，如今基于微控制器的便携式系统并不罕见。各种微控制器都在低电源电压下工作，例如 1.8V。因此，你可以使用两节 AA 或 AAA 电池为电路供电。但是，如果电路需要更高的电压（例如，用于 LCD 的 LED 背光，需要大约 7.5V 直流电压），则必须使用合适的直流/直流转换器将电源电压从 3V 升压到所需电压。但是，你也可以使用微控制器，借助一些额外的分立元件，开发合适的直流/直流升压转换器
本设计实例展示了如何仅使用一个微型八引脚微控制器和一些分立元件来创建两个 DC/DC 转换器，而不仅仅是一个。该设计具有可扩展性，只需更改微控制器的控制软件，即可使其适应各种输出电压要求。您甚至可以对微控制器进行编程，以生成任何所需的输出电压启动率。图 1 显示了升压开关稳压器的基本拓扑结构。此类稳压器的输出电压大于输入电压。升压开关稳压器可在 CCM（连续导通模式）或 DCM（非连续导通模式）下工作。为 DCM 操作设置电路更容易（参考文献 2）。该名称源于这样一个事实：在 DCM 中，电感电流在每个 PWM 周期内都会在一段时间内降至 0A；而在 CCM 中，电感电流永远不会为 0A。最大电流在 PWM 输出的高周期结束时（开关打开时）通过电感，并且为：
（1）其中 V DC 为输入电压，D 为占空比，T 为总周期时间，L 为电感器电感。流过二极管的电流在时间 T R内降至零。
负载电流是平均二极管电流，
从公式 1 和公式 2 简化为：
输出电压V OUT为：
决定纹波电压的输出电容值为：
其中，dV/dt表示PWM信号周期内输出电压的下降，I是负载电流，C是所需的输出电容。
PWM 波的总周期为 T，是系统常数。D 是 PWM 波的占空比，T R 是二极管导通的时间。在 T R结束时，二极管电流降至 0A。对于 DCM，波的周期为 T>D×T+T R 。PWM 周期 T 与 (D×T+T R ) 之差是死区时间。
操作电感器的开关通常是 BJT（双极结晶体管）或 MOSFET。MOSFET 是首选，因为它能够处理大电流、效率更高、开关速度更快。然而，在低压下，很难找到具有足够低栅极-源极阈值电压的合适 MOSFET，而且价格昂贵。因此，本设计使用了 BJT（图 2 ）。
微控制器提供 10 kHz 至 200 kHz 以上的 PWM 频率。较高的 PWM 频率是可取的，因为它可以降低电感值，从而减小电感。Atmel 的 Tiny13 AVR 微控制器具有“快速”PWM 模式，频率约为 37.5 kHz，分辨率为 8 位。较高的 PWM 分辨率可以更紧密地跟踪所需的输出电压。根据公式 1，20 H 电感的最大电感电流为 0.81A。切换电感的晶体管的最大集电极电流应大于此值。2SD789 NPN 晶体管的集电极电流限制为 1A，因此适用于此直流/直流转换器。根据公式 4，使用这些值可实现的最大负载电流为 54 mA，因此满足 7.5V 输出电压的最大所需负载电流要求。
Tiny13 微控制器拥有两个高速 PWM 通道和四个 10 位 ADC 通道。另一个 PWM 通道和一个 ADC 通道创建第二个 DC/DC 转换器，输出电压为 15V，最大负载电流为 15 mA。此转换器的电感值为 100H。要计算输出电容值，请使用公式 6。对于 5 mV 纹波，7.5V 输出电压的电容值为 270 ?F，因为输出电流为 50 mA，PWM 时间周期为 27 s，因此该电路使用最接近的较大值 330 ?F。同样，对于 15V 输出电压，所需的电容值为 81 ?F，因此设计使用 100 F 电容。
微控制器的程序采用 C 语言编写，并使用开源AVR GCC 编译器。AVR Tiny13 微控制器在内部时钟频率 9.6 MHz 下工作，没有内部时钟分频器，因此 PWM 频率为 9.6 MHz/256=37.5 kHz。内部参考电压为 1.1V。主程序在中断子程序中交替读取两个通道的 ADC，以监控输出电压。主程序执行无限循环，通过读取 ADC 值来监控输出电压并相应地调整 PWM 值。
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