基于微控制器的升壓轉(zhuǎn)換器的制作教程

步驟1：基本原理

Wikipedia對(duì)該原理進(jìn)行了很好的解釋，但是這里有一個(gè)快速指南：

升壓轉(zhuǎn)換器可快速打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)。 （我的設(shè)計(jì)以65kHz運(yùn)行。）

開(kāi)關(guān)閉合時(shí)（第一幅圖），它在輸入電源兩端連接一個(gè)電感，而二極管則阻止任何電流從輸出側(cè)回流。

電感器充電。 （盡管在輸入端短接一根線圈的線圈似乎會(huì)浪費(fèi)很多功率，但電感器實(shí)際上會(huì)將能量存儲(chǔ)在其內(nèi)核中。）

當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感器會(huì)抵抗任何變化電流（并且將其短接在電源上意味著它有很多電流通過(guò)）。由于輸出側(cè)的電阻比開(kāi)關(guān)高得多，因此電感器必須提高其電壓以保持電流流動(dòng)。 （通過(guò)改變電壓來(lái)阻止電流變化是電感器的神奇特性。）

輸出電容器從電感器和更高電壓的電源中充電。

當(dāng)開(kāi)關(guān)再次接通時(shí)，電容器將以較高的電壓充電并為負(fù)載供電，直到下一個(gè)周期。由于電源僅在時(shí)間的一部分上施加到輸出側(cè)，因此輸出電壓上始終會(huì)出現(xiàn)紋波。

如果開(kāi)關(guān)在每個(gè)周期中導(dǎo)通時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（其占空比較高），則電感器會(huì)存儲(chǔ)更多能量，從而在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更高的輸出電壓。通過(guò)控制占空比，可以調(diào)整電壓。

就原理而言，您如何將其變成真實(shí)的電路？

第2步：選擇關(guān)鍵組件

為獲得準(zhǔn)確值，我整理了一個(gè)Google電子表格模板，該模板可通過(guò)TI進(jìn)行計(jì)算指南。下面，我嘗試總結(jié)閱讀文檔并四處搜索后收集的經(jīng)驗(yàn)法則。

電感器

電感器是電路中最重要的部分。

它的標(biāo)題值是它的電感，以亨利為單位。電子表格將幫助您計(jì)算正確的值。我建議將計(jì)算值設(shè)為1.5-2倍，以便有一定的余量。

您還需要簽出：

額定電流，該電流必須足以處理電感中的峰值電流（由電子表格計(jì)算）。

形狀：之所以選擇環(huán)形線圈，是因?yàn)樗鼈儜?yīng)該具有較低的EMF干擾。我讀過(guò)的一位消息人士說(shuō)，如果您不擔(dān)心干擾，則線軸電感器是最好的選擇。

核心材料是您想要的一種適合功率電感器的材料。我去買了一個(gè)作為功率電感器銷售的環(huán)形線圈。我相信它具有鐵氧體磁芯。

我使用了這個(gè)150uH電感器。

開(kāi)關(guān)

這是電路中第二重要的部分，以及我第一次犯錯(cuò)的地方。 MOSFET是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗苋菀子?a target="_blank">微控制器驅(qū)動(dòng)。您需要注意以下幾點(diǎn)：

Rds（on）這很關(guān)鍵，它是開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)的電阻。我的第一次嘗試是因?yàn)檫@里的值太高而使人sc目結(jié)舌。 《10mOhm是理想的。如果該值太高，則電感器將無(wú)法吸收足夠的電流，從而浪費(fèi)了開(kāi)關(guān)中的功率。

Vgs（th）值，這是您必須施加到晶體管柵極以使其導(dǎo)通的電壓。如果您使用的是5V微控制器，則該電壓必須為1-2V。

Vds（max），這是晶體管可以處理的最大電壓，用于輸出電壓加上一些安全裕度。

Ids（max），即開(kāi)關(guān)可以處理的最大電流。根據(jù)電子表格，該值必須大于峰值電流。

我使用了此開(kāi)關(guān)。

電容器

電子表格應(yīng)計(jì)算電路中電容器的最小值。我發(fā)現(xiàn)，為音頻放大器供電時(shí)，我需要的輸出容量要比指定的容量大得多。

輸出級(jí)的電容器需要具有低ESR值才能提高效率。

我選擇了一個(gè)大的ESR低的電解電容器，然后與22uF陶瓷電容器并聯(lián)，希望進(jìn)一步過(guò)濾輸出。

在輸入端，我使用了相同的設(shè)置。

二極管

二極管非常簡(jiǎn)單，只需肖特基二極管即可，它可以處理平均電流并且正向電壓低（450mV似乎是極限。非異國(guó)情調(diào)的部分）。

微控制器

我之所以選擇ATTiny84A，是因?yàn)樗捎猛装b提供，它的體積不太大，并且AVR GCC工具鏈還不錯(cuò)。我遵循Lady Ada的本教程來(lái)啟動(dòng)并運(yùn)行該工具鏈，并使用AVR Eclipse開(kāi)發(fā)了代碼。我需要對(duì)硬件進(jìn)行相當(dāng)精確的控制，以使PWM以65kHz的頻率運(yùn)行，因此使用更抽象的Arduino IDE可能會(huì)比較困難。

步驟3：

這是我想到的電路。

本質(zhì)上，微控制器（后面的代碼。..）使用其PWM輸出來(lái)控制開(kāi)關(guān)。

它通過(guò)反饋電位計(jì)使用其ADC監(jiān)視輸出電壓。

如果電壓降至目標(biāo)以下，則會(huì)增加PWM的占空比，從而增加電感器中的電流，從而增加輸出電壓。

如果電壓超過(guò)目標(biāo)值，則會(huì)降低占空比。

可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)調(diào)節(jié)電壓。

輸出上的440歐姆電阻可確保轉(zhuǎn)換器上始終有一些負(fù)載。我通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了這一價(jià)值。如果我沒(méi)有從中汲取足夠的負(fù)載，我的5V輸入電源將關(guān)閉。您也許可以克服更大的阻力。不過(guò)，加載輸出至關(guān)重要。空載時(shí)，轉(zhuǎn)換器將變得不穩(wěn)定，電感器將輸出非常大的電壓。

與大電容器并聯(lián)的小電容器是濾波電容器。大型電解槽具有較高的電阻，因此，將一個(gè)小的陶瓷或聚合物蓋并聯(lián)放置有助于應(yīng)對(duì)瞬態(tài)尖峰。

ADC輸入上的0.1uF電容只是一個(gè)濾波器。

為照片質(zhì)量差而致歉！我很興奮，它能起作用，所以在拍好照片之前將其密封在項(xiàng)目中。

步驟4：單片機(jī)代碼

我已經(jīng)將工作代碼放入了在Github上。它由幾個(gè)部分組成：

這些#defines和const聲明進(jìn)行編譯時(shí)計(jì)算，因此代碼只需要執(zhí)行簡(jiǎn)單的uint8_t比較，而不需要浮點(diǎn)數(shù)，這在微控制器中是不可行的。使用const會(huì)鼓勵(lì)編譯器在編譯時(shí)進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果類型強(qiáng)制為uint8_t。

#define PWM_FREQ 62500

#define PWM_RESOLUTION（F_CPU/PWM_FREQ）

＃定義MIN_DUTY_CYCLE 0.40

＃定義MAX_DUTY_CYCLE 0.80

常量#define DIVIDER_RATIO 30.0

#define DESIRED_ADC_IN_V（DESIRED_VOUT/DIVIDER_RATIO） const uint8_t DESIRED_ADC_RESULT = 255 * DESIRED_ADC_IN_V/VREF;

這些定義了一些有用的實(shí)用程序宏，因此

#define DUTY_CYCLE_REG OCR0B

#define ADC_ENABLE（）（ADCSRA | = _BV（ADEN））

#define ADC_START_CONVERSION（）（ADCSRA | = _BV（ADSC） ））

主要功能有一個(gè)初始設(shè)置階段，在該階段它將打開(kāi)我們需要的各種外圍設(shè)備：

i nt main（void）{

/*將A7設(shè)置為輸出。 （需要PWM。）*/

DDRA | = _BV（DD7）;

PORTA = 0;

/*讓輸入功率穩(wěn)定。.. */

_delay_ms（500）;

/*

*將Timer0配置為快速PWM。它將

*-在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)打開(kāi)輸出引腳

*-當(dāng)值達(dá)到DUTY_CYCLE_REG

時(shí)將其關(guān)閉*-達(dá)到OCR0A

時(shí)將其包裝為0 */

TCCR0A = _BV（COM0B1）| _BV（WGM01）| _BV（WGM00）;

OCR0A = PWM_RESOLUTION;

/*從40％的占空比開(kāi)始，然后逐漸上升以避免涌入。 */

DUTY_CYCLE_REG =（uint8_t）（PWM_RESOLUTION * 0.40）;

/*將Timer0時(shí)鐘源設(shè)置為主振蕩器。這將啟用計(jì)時(shí)器。 */

TCCR0B = _BV（CS00）| _BV（WGM02）;

/*

*打開(kāi)ADC，

*-使用內(nèi)部參考電壓

*-將ADC0配置為我們的電源

*-左調(diào)整結(jié)果，

*-禁用引腳上的數(shù)字輸入緩沖器

*-啟用ADC。

*/

ADMUX =/* REF = */_BV（REFS1）|/* INPUT = */0;

ADCSRA | =/* PRESCALER = 16 = 2 ^ */4;

ADCSRB | =/*左調(diào)整*/_BV（ADLAR）;

DDRA＆= ?_BV（DD0）;

DIDR0 | = _BV（ADC0D）;

ADC_ENABLE（）;

_delay_ms（1）;

然后，它簡(jiǎn)單地循環(huán)讀取電位計(jì)的模擬值并將其與目標(biāo)值進(jìn)行比較：

而（1）{

/*等待Timer0溢出。.. */

loop_until_bit_is_set（TIFR0 ，TOV0）;

/*我們的OFF周期結(jié)束時(shí)，應(yīng)該是峰值電壓。.. */

TIFR0 | = _BV（TOV0）;/*清除標(biāo)志。 */

/*檢查輸出電壓。 */

ADC_START_CONVERSION（）;

loop_until_bit_is_clear（ADCSRA，ADSC）;

uint8_t adc_result = ADCH;

如果（adc_result DUTY_CYCLE_REG }

否則，如果（adc_result》 DESIRED_ADC_RESULT &&

DUTY_CYCLE_REG》 MIN_PWM_LEVEL）{

DUTY_CYCLE_REG--;

}

}

}