容纳两个DC/DC升压转换器的微控制器

电池是便携式系统应用的典型电源，并且目前基于微控制器的便携式系统也不少见。各种微控制器均工作于低电源电压（如1.8V）。因此人们能采用两节AA或AAA电池为电路供电。但是，如果电路需要更高电压——例如LCD的LED背光照明，它需要大约7.5VDC，则必须采用合适的DC/DC转换器把电源电压从3V提升至需要的电压。不过借助几个额外的分立元件，人们也可采用微控制器开发合适的DC/DC升压转换器。  

  

本设计实例介绍如何用一个微型8引脚微控制器和几个分立元件来创建两个（而不只是一个）DC/DC转换器。该设计方案可伸缩，人们只须改变微控制器的控制软件，就能使它适应多种输出电压要求。人们甚至能对微控制器编程生成任何必要的输出电压启动速率。图1描绘了升压开关稳压器的基本拓扑结构。此类稳压器中的输出电压大于输入电压。升压开关稳压器工作于CCM（连续导电模式）或DCM（非连续导电模式）。更容易为DCM工作模式设置电路（参考文献2）。该名称源于以下事实：在DCM中的每个PWM期间，电感电流降至0A并持续一段时间；在CCM中，电感电流从不为0A。在PWM输出端的高电平周期结束时（此时开关接通），最大电流流经电感，大小为：

(1)

其中VDC为输入电压，D为占空比，T为总周期时间，L为电感值。流经二极管的电流在TR时间内降至零。

(2)

负载电流为平均二极管电流，

(3)

根据式(1)和式(2)，简化为：

(4)

输出电压VOUT为：

(5)
输出电容的值决定了纹波电压，电容值为：

(6)

其中dV/dt表示PWM信号期间的输出电压降，I为负载电流，C为必要的输出电容。

PWM波的总周期为T，并为系统常量。D为PWM波的占空比，而TR为二极管导电时间。在TR结束时，二极管电流降至0A。对于DCM，T>D×T+TR。PWM周期T与(D×T+TR)的差值为死区。

操作电感的开关通常是BJT（双极结晶体管）或MOSFET。MOSFET是首选，这是因为它能处理大电流，效率更高，并且开关速度更快。但是在低压时，很难找到栅极至源极阈值电压足够低的合适MOSFET，并且可能很贵。因此本设计使用BJT（图2）。  


  
微控制器提供的PWM频率为10kHz至超过200kHz。期望较高的PWM频率，这是因为它带来较低的电感值，这就能使用小电感。Atmel公司的Tiny13AVR微控制器具有“快速”PWM模式，频率约为37.5kHz，分辨率为8比特。更高的PWM分辨率使人们能更密切地跟踪期望的输出电压。对于20mH电感，来自式(1)的最大电感电流为0.81A。开关该电感的晶体管的最大集电极电流应大于该值。2SD789NPN晶体管的集电极电流极限为1A，因此适合于这种DC/DC转换器。根据式(4)，可由这些值实现的最大负载电流为54mA，因此满足了7.5V输出电压的最大需要负载电流要求。  

Tiny13微控制器具有两条高速PWM通道和四条10比特ADC通道。另一条PWM通道和一条ADC通道为15V输出电压和15mA最大负载电流创建了第二个DC/DC转换器。该转换器的电感器的值为100mH。要计算输出电容值，应使用式(6)。对于5mV纹波，用于7.5V输出电压的电容器的值为270mF，由于输出电流为50mA且PWM时间周期为27ms，因此该电路使用最接近的较大值330mF。与此类似，对于15V输出电压，需要的电容值为81mF，因此设计使用100mF电容。  

微控制器所用的程序是C语言，并使用开放源代码AVRGCC编译器在没有内部时钟分频器的情况下，AVRTiny13微控制器工作于9.6MHz内部时钟频率，因此PWM频率为9.6MHz/256=37.5kHz。内部参考电压为1.1V。主程序交替读取ADC的两条通道，后者在中断例程中监视输出电压。主程序执行无穷循环，通过读取ADC值监视输出电压，并相应调整PWM值。