基于Buck-Boost电路的DC-DC变换器的设计.docx

基于BuckBoost电路的DC/DC变换器的设计 贺婷婷 韩宁摘 要 本文设计的是一个开关型直流稳压电源系统，其工作过程为：预置一个电压值，CPU识别后输出PWM波，然后将信号放大足以达到开关管的开通，单片机会根据预设值和采样电路采样的值之间的差值，调用算法来修改脉冲占空比，输出后的PWM波来控制开关管，从而能得到期望的预设值，然后根据判断是否有差值调用PID算法调整脉冲占空比最终输出期望的稳定电压关键词】DC-DC PWM MOS管 PID电源在我们生活中无处不见，尤其现在科技的迅速发展，不管小功率还是大功率仪器都离不开电源供电如今，便携式产品越来越多，需要更小型，轻便的电源来供电，这就要求我们根据客户的需求进行设计，可以进行人机交换的新型的直流电源通过对比传统电源与开关电源，显而易见，可以看出，开关电源更具有前沿性，更具有研究价值，而且会提高电源的效率，这正是我们所要实现的目标之一为了实现高效率的电源，在本文中特别设计了开关型稳压电源，大大降低了静态电流消耗从而提高了电源效率，与以往的电源相比，其具有体积小，重量轻、功耗低，效率高、高频化等优点1 总体方案设计本节主要说明电路的结构组成和工作原理。

1.1 结构设计DC-DC直流稳压电源主要由以下六部分组成：初步整流稳压部分、驱动电路、主电路、模数转换电路、主控电路、显示电路此外，还有下载模块等1.2 工作原理市电经过初步整流滤波后，一路电压经过三端稳压器稳压后，得到一个+5V的电压，该电压为单片机提供工作电压，另外一路电压经过稳压器稳压得到一个+15的电压作为输入电压单片机会根据输入电压值和采样电路采样的值之间的差值，修改脉冲占空比，来控制开关管通断，从而能得到期望的预设值，并根据模数转换电路所采样的电压值和输入电压值进行比较，然后根据差值调用PID算法再次修改脉宽使输出电压稳定在该系统中，我们可以根据自己的需要从键盘输入期望的电压，单片机会调用PID算法，对输出的电压进行稳压控制2 硬件电路设计开关电源的硬件电路的设计：单片机采用AT89C51作为主控芯片，主电路采用带输入电压前馈的电压型控制，采样电路采用ADC0832模数转换芯片，实时地采样反馈给单片机进行处理，显示电路采用共阳极的四位数码管，驱动电路采用光电耦合器设计的来驱动MOS管下面介绍本设计的核心2.1 主电路如图1所示为该设计的主电路为Buck-boost电路拓扑图，主要由MOSFET管、储能电感、电容、续流二极管、采样电阻等组成，采用输入电压前馈的电压型控制电路。

通过控制MOS管的开通和关断时间来控制输出电压的大小该电路的基本原理是：当VT处于通态期间时，UL=E；而当VT处于断态时，UL=-UO于是，所以输出电压为若改变导通比a，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低若a>0.5时为降压，当0.52.2 驱动电路采用光电耦合式驱动电路，其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测功率开关管的电压和电流的状态，对外送出过流信号另外它使用比较方便，稳定性比较好但是它需要较多的工作电源，不适应于某些要求比较高的场合由于这次设计的电路是直流电路，且要求不是很高，所以选择光耦隔离如图2所示为驱动电路的核心器件，2接AT89C51的P1.0口，1接NPN型的三极管，起到放大电流的作用，使驱动电路正常工作PC817为光耦合器，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，用于传递模拟信号3 软件电路设计对于整体系统来说，主电路中输入15V的电压，主电路为Buck-Boost电路，电压调节范围广，因此通过键盘预置的电压进行调节输出期望值，而单片机作为控制电路，当键盘有输入，系统立即会做出响应，根据采样电压与键盘输入之间的差值，更新脉宽，输出用户期望的电压，随后系统仍扫描键盘，当没有再次输入时，系统调用PID控制算法，控制输出电压稳定。

软件子程序包括：（1）键盘和数码管扫描子程序；（2）ADC0832转换子程序；（3）定时器0中断产生方波子程序；（4）PID控制子程序；（5）定时器1中断修改占空比、进行PID控制、数码显示子程序4 PID算法常规的离散PID算法有两种表现形式：即全量式和增量式全量式离散PID算法的表达式为：式中为时间步长增量式离散PID算法的表达式为：比较两式可知，增量式算法不需要累计历史偏差量，适用于软件实现，本系统PID算采用的就是增量式算法AD转换采样的电压转换为0-255之间的数字量，设定的值要转换为对应的数字量，本电源在3到30伏可调，那么需要把0到30伏转换为0到255的数字量，转换公式为30*255/30=255，即255對应30V，经转换以后就可以相互比较如图3所示为 PID运算流程图5 调试结果通过调试将设计变为实物调试过程中面对了很多问题，调试与焊接过程是同时进行的，这样一步一步的实现设计各部分的功能实际电路板如图4所示：测试结果为：输出电压范围为3.1V-29.86V；最大输出电流为2A；纹波电压峰峰值65mv6 总结本文研究的结果中仍有些不完善的地方，主要包括：（1）调试的时候，功率管使用时间长，就会发烫。

2）软件设计中仍然存在一些小瑕疵，虽不至于影响系统的运行，但相信改良之后，系统的运行速度将得到更好的改进参考文献[1]朱荣丽，孙京.关于通信电源相关问题的研究[J].城市建设理论研究：电子版，2012（09）.[2]张波.开关电源的优点及应用[J].电气开关，2007，45（01）：39-40.[3]王滔.开关型稳压电源[J].科技风，2011（01）：220-220.[4]王瑞.一种新型智能开关稳压电源设计[J].建材技术与应用，2016（04）：14-17.[5]韩京清.非线性PID控制器[J].自动化学报，1994，20（04）：487-490.[6]汪岭.DC/DC升压变换器设计[D].上海交通大学，2007.[7]宁春巍，丁国清.新型线性光电隔离电路的设计[J].测控技术，2011，30（06）：41-44.作者单位内蒙古工业大学信息工程学院 内蒙古自治区呼和浩特市 010005