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容納兩個DC/DC升壓轉換器的微控制器

2008-09-04
作者:Dhananjay V Gadr

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  電池是便攜式系統應用的典型電源,并且目前基于微控制器" title="微控制器">微控制器的便攜式系統也不少見。各種微控制器均工作于低電源電壓(如1.8V)。因此人們能采用兩節AA或AAA電池為電路供電。但是,如果電路需要更高電壓——例如LCD的LED背光照明,它需要大約7.5VDC,則必須采用合適的DC/DC轉換器把電源電壓從3V提升至需要的電壓。不過借助幾個額外的分立元件,人們也可采用微控制器開發合適的DC/DC升壓轉換器(參考文獻1)。

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  本設計實例介紹如何用一個微型8引腳微控制器和幾個分立元件來創建兩個(而不只是一個)DC/DC轉換器。該設計方案可伸縮,人們只須改變微控制器的控制軟件,就能使它適應多種輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓要求。人們甚至能對微控制器編程生成任何必要的輸出電壓啟動速率。圖1描繪了升壓開關穩壓器的基本拓撲結構。此類穩壓器中的輸出電壓大于輸入電壓。升壓開關穩壓器工作于CCM(連續導電模式)或DCM(非連續導電模式)。更容易為DCM工作模式設置電路(參考文獻2)。該名稱源于以下事實:在DCM中的每個PWM期間,電感電流降至0A并持續一段時間;在CCM中,電感電流從不為0A。在PWM輸出端的高電平周期結束時(此時開關接通),最大" title="最大">最大電流流經電感,大小為:


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  其中VDC為輸入電壓,D為占空比,T為總周期時間,L為電感值。流經二極管的電流在TR時間內降至零。

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  (2)

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  負載電流" title="負載電流">負載電流為平均二極管電流,


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  根據式(1)和式(2),簡化為:


  (4)

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  輸出電壓VOUT為:


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  輸出電容的值決定了紋波電壓,電容值為:


  (6)

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  其中dV/dt表示PWM信號期間的輸出電壓降,I為負載電流,C為必要的輸出電容。

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  PWM波的總周期為T,并為系統常量。D為PWM波的占空比,而TR為二極管導電時間。在TR結束時,二極管電流降至0A。對于DCM,T>D×T+TR。PWM周期T與(D×T+TR)的差值為死區。

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  操作電感的開關通常是BJT(雙極結晶體管)或MOSFET。MOSFET是首選,這是因為它能處理大電流,效率更高,并且開關速度更快。但是在低壓時,很難找到柵極至源極閾值電壓足夠低的合適MOSFET,并且可能很貴。因此本設計使用BJT(圖2)。

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  微控制器提供的PWM頻率為10kHz至超過200kHz。期望較高的PWM頻率,這是因為它帶來較低的電感值,這就能使用小電感。Atmel公司的Tiny13AVR微控制器具有“快速”PWM模式,頻率約為37.5kHz,分辨率為8比特。更高的PWM分辨率使人們能更密切地跟蹤期望的輸出電壓。對于20mH電感,來自式(1)的最大電感電流為0.81A。開關該電感的晶體管的最大集電極電流應大于該值。2SD789NPN晶體管的集電極電流極限為1A,因此適合于這種DC/DC轉換器。根據式(4),可由這些值實現的最大負載電流為54mA,因此滿足了7.5V輸出電壓的最大需要負載電流要求。

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  Tiny13微控制器具有兩條高速PWM通道和四條10比特ADC通道。另一條PWM通道和一條ADC通道為15V輸出電壓和15mA最大負載電流創建了第二個DC/DC轉換器。該轉換器的電感器的值為100mH。要計算輸出電容值,應使用式(6)。對于5mV紋波,用于7.5V輸出電壓的電容器的值為270mF,由于輸出電流為50mA且PWM時間周期為27ms,因此該電路使用最接近的較大值330mF。與此類似,對于15V輸出電壓,需要的電容值為81mF,因此設計使用100mF電容。

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  微控制器所用的程序是C語言,并使用開放源代碼AVRGCC編譯器(www.avRFreaks.net)。在沒有內部時鐘分頻器的情況下,AVRTiny13微控制器工作于9.6MHz內部時鐘頻率,因此PWM頻率為9.6MHz/256=37.5kHz。內部參考電壓為1.1V。主程序交替讀取ADC的兩條通道,后者在中斷例程中監視輸出電壓。主程序執行無窮循環,通過讀取ADC值監視輸出電壓,并相應調整PWM值。

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參考文獻:


1. “Boostconverter,”Wikipedia.
2. Pressman,AbrahamI,SwitchingPowerSupplyDesign,SecondEdition,McGraw-HillProfessional,1997-11-1,ISBN-10:0070522367,ISBN-13:978-0070522367.

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