容納兩個(gè)DC/DC升壓轉換器的微控制器

　　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的便攜式系統也不少見(jiàn)。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(guò)借助幾個(gè)額外的分立元件，人們也可采用微控制器開(kāi)發(fā)合適的DC/DC升壓轉換器（參考文獻1）。

　　本設計實(shí)例介紹如何用一個(gè)微型8引腳微控制器和幾個(gè)分立元件來(lái)創(chuàng )建兩個(gè)（而不只是一個(gè)）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?jiǎn)?dòng)速率。圖1描繪了升壓開(kāi)關(guān)穩壓器的基本拓撲結構。此類(lèi)穩壓器中的輸出電壓大于輸入電壓。升壓開(kāi)關(guān)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(chēng)源于以下事實(shí)：在DCM中的每個(gè)PWM期間，電感電流降至0A并持續一段時(shí)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(shí)（此時(shí)開(kāi)關(guān)接通），最大電流流經(jīng)電感，大小為：
 　　(1)

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

　　(2)

　　負載電流為平均二極管電流，
　　(3)

　　根據式(1)和式(2)，簡(jiǎn)化為：
　　(4)

　　輸出電壓VOUT為：
　　(5)
　　輸出電容的值決定了紋波電壓，電容值為：
　　(6)

　　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。

　　PWM波的總周期為T(mén)，并為系統常量。D為PWM波的占空比，而TR為二極管導電時(shí)間。在TR結束時(shí)，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。

　　操作電感的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)速度更快。但是在低壓時(shí)，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）。

　　微控制器提供的PWM頻率為10kHz至超過(guò)200kHz。期望較高的PWM頻率，這是因為它帶來(lái)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(lái)自式(1)的最大電感電流為0.81A。開(kāi)關(guān)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(shí)現的最大負載電流為54mA，因此滿(mǎn)足了7.5V輸出電壓的最大需要負載電流要求。

　　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(chuàng )建了第二個(gè)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(shí)間周期為27ms，因此該電路使用最接近的較大值330mF。與此類(lèi)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。

　　微控制器所用的程序是C語(yǔ)言，并使用開(kāi)放源代碼AVRGCC編譯器(www.avRFreaks.net)。在沒(méi)有內部時(shí)鐘分頻器的情況下，AVRTiny13微控制器工作于9.6MHz內部時(shí)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(wú)窮循環(huán)，通過(guò)讀取ADC值監視輸出電壓，并相應調整PWM值。

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