容納兩個(gè)DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器的微控制器

電池是便攜式系統(tǒng)應(yīng)用的典型電源，并且目前基于微控制器的便攜式系統(tǒng)也不少見。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(jié)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(zhuǎn)換器把電源電壓從3V提升至需要的電壓。不過借助幾個(gè)額外的分立元件，人們也可采用微控制器開發(fā)合適的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器（參考文獻(xiàn)1）。

本設(shè)計(jì)實(shí)例介紹如何用一個(gè)微型8引腳微控制器和幾個(gè)分立元件來創(chuàng)建兩個(gè)（而不只是一個(gè)）DC/DC轉(zhuǎn)換器。該設(shè)計(jì)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(yīng)多種輸出電壓要求。人們甚至能對(duì)微控制器編程生成任何必要的輸出電壓啟動(dòng)速率。圖1描繪了升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此類穩(wěn)壓器中的輸出電壓大于輸入電壓。升壓開關(guān)穩(wěn)壓器工作于CCM（連續(xù)導(dǎo)電模式）或DCM（非連續(xù)導(dǎo)電模式）。更容易為DCM工作模式設(shè)置電路（參考文獻(xiàn)2）。該名稱源于以下事實(shí)：在DCM中的每個(gè)PWM期間，電感電流降至0A并持續(xù)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(jié)束時(shí)（此時(shí)開關(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(nèi)降至零。

                       (2)

負(fù)載電流為平均二極管電流，

                       (3)

根據(jù)式(1)和式(2)，簡化為：

                     (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(hào)期間的輸出電壓降，I為負(fù)載電流，C為必要的輸出電容。

PWM波的總周期為T，并為系統(tǒng)常量。D為PWM波的占空比，而TR為二極管導(dǎo)電時(shí)間。在TR結(jié)束時(shí)，二極管電流降至0A。對(duì)于DCM，T>D×T+TR。PWM周期T與(D×T+TR)的差值為死區(qū)。

操作電感的開關(guān)通常是BJT（雙極結(jié)晶體管）或MOSFET。MOSFET是首選，這是因?yàn)樗芴幚泶箅娏?，效率更高，并且開關(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(shè)計(jì)使用BJT（圖2）。

微控制器提供的PWM頻率為10kHz至超過200kHz。期望較高的PWM頻率，這是因?yàn)樗鼛磔^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(duì)于20mH電感，來自式(1)的最大電感電流為0.81A。開關(guān)該電感的晶體管的最大集電極電流應(yīng)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(zhuǎn)換器。根據(jù)式(4)，可由這些值實(shí)現(xiàn)的最大負(fù)載電流為54mA，因此滿足了7.5V輸出電壓的最大需要負(fù)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(fù)載電流創(chuàng)建了第二個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器的電感器的值為100mH。要計(jì)算輸出電容值，應(yīng)使用式(6)。對(duì)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。與此類似，對(duì)于15V輸出電壓，需要的電容值為81mF，因此設(shè)計(jì)使用100mF電容。

微控制器所用的程序是C語言，并使用開放源代碼AVRGCC編譯器(www.avRFreaks.net)。在沒有內(nèi)部時(shí)鐘分頻器的情況下，AVRTiny13微控制器工作于9.6MHz內(nèi)部時(shí)鐘頻率，因此PWM頻率為9.6MHz/256=37.5kHz。內(nèi)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(jiān)視輸出電壓。主程序執(zhí)行無窮循環(huán)，通過讀取ADC值監(jiān)視輸出電壓，并相應(yīng)調(diào)整PWM值。