基于Buck-Boost拓撲的數字DC-DC變換器設計

杜英 ，郝茂森

(1. 山西農業大學 信息科學與工程學院 太谷，030051;2. 總裝備部工程兵軍代局駐西安和蘭州地區軍代室)

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基于Buck-Boost拓撲的數字DC-DC變換器設計

杜英1，郝茂森2

(1. 山西農業大學 信息科學與工程學院 太谷，030051;2. 總裝備部工程兵軍代局駐西安和蘭州地區軍代室)

針對常規DC-DC變換器輸出電壓調整困難、反饋實現復雜、智能化程度低的問題，提出了一種新型的能夠根據用戶要求快速改變輸出電壓的DC-DC變換器，并且能夠根據電源輸入的電壓變化情況實時調整控制參數，實現穩定的電壓輸出，且輸出電壓不受輸入電壓變化的影響。通過對不同負載和電源輸入變化的實驗驗證，該DC-DC變換器具有輸出電壓穩定精確、紋波率小、反饋快速準確的特點，對于某些對輸入電壓穩定性要求高的場合有實際應用意義。

DC-DC變換；開關電源；Buck-Boost；DSP

引 言

隨著半導體技術和大功率集成電路制造技術的發展，DC-DC變換技術有效克服了開關頻率低、效率低、體積大的缺點，從而得到廣泛的應用[1-2]。然而常規的DC-DC變換器使用模擬控制器，控制電路復雜，一旦確定輸出電壓，參數更改十分困難，使得DC-DC變換器需要針對不同供電電壓的設備設計不同的參數，通用性差；同時,模擬控制電路受外界環境干擾大，控制信號精度較差，使輸出電壓的品質受到影響[3]。本文對開關電源拓撲進行比較后，提出一種基于DSP控制的Buck-Boost拓撲的DC-DC變換器。控制器可以通過改變開關頻率和占空比快速得到用戶需要的電壓。通過實時測量電壓輸出值實現系統的輸出反饋，使得控制器能夠根據輸入電壓的變化實時調整開關的相關控制參數，從而穩定輸出電壓。通過對不同供電要求的負載進行實驗，證明該DC-DC變換器具有調整簡便、輸出電壓穩定、紋波率小、適用范圍廣的優點。

1 基于Buck-Boost拓撲的開關電源

1.1 開關電源拓撲比較

目前常用的開關電源拓撲有Buck、Boost、Buck-Boost三種[4-5]。

設開關導通時電感兩端電壓Von，開關斷開時電感兩端電壓為Voff，輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vout，開關導通時間為Ton，開關截止時間為Toff。當電感處于平衡狀態，即開關電源穩定輸出時，可以得到

Vonton=Vofftoff

(1)

(2)

由上式可得開關的占空比D為

(3)

在Buck拓撲中

(4)

在Boost拓撲中

(5)

在Buck-Boost拓撲中

(6)

在開關信號中，占空比D的區間為[0,1)，所以從三種拓撲的占空比方程可以看出，Buck拓撲只能用于降壓型的DC-DC變換器，Boost拓撲只能用于升壓型的DC-DC變換電路，而Buck-Boost拓撲則可以同時實現對輸入電壓的升壓和降壓。

圖1 PWM控制信號傳輸電路

Buck-Boost拓撲只需要對開關的占空比進行調整就能夠實現對輸入電壓的升壓和降壓調整，而對于開關信號的占空比調整，DSP具有很高的調整精度和響應速度，所以在數字控制的DC-DC變換器中，使用Buck-Boost拓撲較為簡單和方便。

1.2 Buck-Boost拓撲參數

在DC-DC變換器電路應用中，輸出電壓Vout，最大輸出電流Iout和紋波率r需要嚴格確定。其中輸出電壓Vout由該拓撲占空比方程可得

(7)

輸出電流為

(8)

其中IL為電感所流過的電流。

電源的紋波率r為

(9)

其中IPK為電流的峰峰值，化簡得

(10)

則可以求得控制器需要的頻率為

(11)

由以上推導可知DC-DC控制電路能夠控制開關頻率及占空比與電源關鍵參數輸出電壓、輸出電流和紋波率的關系。由此就可以在數字信號處理器中構建控制信號和反饋信號的關系。

2 Buck-Boost控制電路

2.1 開關電源拓撲比較

數字控制DC-DC變換電路采用TMS320F2812控制，其工作頻率最高能夠達到150 MHz，且具有內置的PWM信號輸出模塊，能夠通過對寄存器的控制快速地確定PWM信號的頻率和占空比。 該芯片內用于控制占空比的寄存器是16位的，所以能夠將控制信號的占空比控制到很精確的數值。

TMS320F2812輸出控制信號后，需要對信號進行調理。由于數字控制系統使用CMOS電平，而變換器電路中的電壓是不斷變化的值，控制電路和DC-DC變換電路之間很容易產生相互干擾，這就需要電路做到傳輸PWM信號的同時隔離電路中的相互干擾。光電耦合器PIC412通過光信號代替電信號的傳輸，可以實現信號的電氣隔離。由于控制信號的電平與變換器中功率開關導通所需要的電壓差值較大，同時數字控制電路的驅動能力不足以驅動電源開關，所以信號傳輸過程中還要對信號的功率進行拉升。PWM信號傳輸電路如圖1所示。

具有特定頻率和占空比的PWM信號經過光電耦合器的傳輸后，實現了電氣隔離。通過使用IR2117對信號進行拉升后，PWM信號達到了能夠驅動開關的功率，且仍能保證占空比和頻率與控制器輸出的一致性。

2.2 電源反饋控制模塊

由于輸入電源電壓值有波動，同時變換器中電感、功率開關及續流二極管并不具有理想的電特性，某些性能會隨外界環境的變化而發生變化。所以當控制器按照理想的參數計算并輸出PWM信號后，得到的輸出電壓往往不是理論值。這就需要對輸出電壓進行反饋，使得控制器能夠根據輸出電壓值隨時調整參數，已達到要求的輸出值。

將過載負載與地之間串聯入一個電阻值極小的精密電阻r0，通過測量在電阻上的壓降，實現對流過負載電流的測量，再通過換算得出輸出電壓，進而反饋給控制器相應的參數。DSP通過對A/D轉換電路的控制實現對電壓值的采集，從而獲得輸出值的反饋參數。A/D采集及控制電路如圖2所示。

2.3 控制器控制程序

作為控制器的DSP向電源開關輸入PWM信號，其影響輸出電壓特性的參數主要是占空比和頻率。電源輸出電壓的關鍵參數(輸出電壓、輸出電流和紋波率)與控制參數(占空比、輸出頻率)的關系如式(7)、(8)和(11)所示。控制器可根據上述公式確定理論的輸出信號參數。

圖2 A/D采集及控制電路

通過A/D電路采集的輸出電壓反饋到控制器后，控制器通過相應的變化對輸出的控制信號進行調整。加入反饋后的控制流程如圖3所示。

圖3 控制程序流程圖

在硬件控制程序中，PWM輸出信號主要由GP定時器進行控制。使用GP定時器產生PWM輸出需要采用連續遞增或連續增/減計數模式，可產生不對稱或對稱的PWM波形。確定輸出控制模式后，可以通過對TxCON寄存器的設置，實現PWM波形的觸發方式。通過設置TxPR寄存器的計數值實現對系統時鐘的分頻，進而實現設置PWM波形的頻率。通過設置TxCMPR寄存器的計數值實現PWM波形的觸發點，進而實現對輸出控制信號占空比的設置。

3 實驗驗證

本文設計了一種輸出電壓穩定精確、紋波率小、反饋快速準確的DC-DC變換器。實驗過程中，對于恒定負載阻抗，能夠輸出穩定的電壓；對于變化的負載阻抗，控制器能夠在負載阻抗變換后快速改變控制參數，達到要求的輸出電壓。

3.1 功率和效率測試

通過改變負載阻抗的大小測試系統的承載能力，并計算輸出的最大功率及電源效率。測試數據如表1所列。

表1 不同負載的測試數據

變換器的輸出功率可達到30 W，變換效率為80%，且效率隨負載增大而增大。因為負載較小時，電路中的電流較大，進而二極管和開關管功耗會增大，且電流增大易使電感磁飽和，損耗會增大。

輸出電壓27.8 V，負載阻抗30 Ω時，PWM波形正常，輸出電壓穩定，系統工作正常，如圖4、圖5所示。

變換器輸出紋波電壓如圖6所示。

從圖中可以看出，變換器的波紋電壓均值為35 mV。

3.2 輸出電壓可調測試

DC-DC變換器根據輸入電壓變化情況實時調整控制參數，快速改變輸出電壓，實現穩定的電壓輸出。測試結果如圖7和圖8所示。

圖4 負載30 Ω時的輸出

圖5 輸出的PWM波形圖

圖6 輸出電壓紋波

結 語

數字控制的DC-DC變換器是使用數字控制器(DSP)將傳統的模擬控制器進行替換的開關電源。該變換器保留了Buck-Boost拓撲的優點，并且引入了帶有反饋的數字控制系統。數字控制系統對于控制參數的確定不僅方法簡單，輸出值精確，而且是一種不依靠經驗的設計方法，

圖7 輸出28 V

圖8 輸出31 V

[1] Sanjaya Maniktala.精通開關電源設計[M].王志強，等譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[2] 郝曉鵬，甄國涌，焦新泉.多路可控可監測穩壓電源的設計[J].自動化與儀表，2010(11)：49-51.

[3] 潘亞培.基于DSP的高頻開關電源設計與實現[D].南京：南京理工大學，2013.

[4] 姜志亮.寬壓高效DC/DC模塊電源設計[D].北京：北方工業大學，2013.

[5] 謝秀鐲，戚棟，關國輝. 基于數字化控制的開關電源的研究[J].電工技術，2007(3):24-25.

杜英(碩士),研究方向為測試系統自動化。

(責任編輯：高珍 收修改稿日期：2013-12-16)

Digital DC-DC Converter Based on Buck-Boost Topology

Du Ying1, Hao Maosen2

(1. College of Information Science and Engineering,Shanxi Agricultural University，Taigu 030051,China；2. The Military Representative Office of Engineer Military Representative Bureau in Xi’an and Lanzhou)

Against the fact that the voltage values of DC-DC converter is difficult to adjust due to complex feedback and low degree of intelligence, this paper proposes a new type of DC-DC converter that can be adjusted easily. This converter can adjust the control parameters along with the input voltage, keeping the output voltage stable. Experiments of different loads and input voltage show that this DC-DC converter has the advantage of stable output voltage, low voltage fluctuation, quick and accurate feedback. It has practical meaning in terms of requiring stable output voltage.

DC-DC conversion；switching power supply；Buck-Boost；DSP

山西農業大學科技創新基金(201321)。

TN86

A