基于Buck—Boost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0.5

2.2 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65mv。

6 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

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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