Два повышающих DC/DC преобразователя на основе маленького микроконтроллера

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2018

Dhananjay Gadre

EDN

В наше время батареи являются распространенными источниками питания портативных систем, в том числе систем, основанных на микроконтроллерах. Многие микроконтроллеры работают при низких напряжениях питания, таких как 1.8 В. Это значит, что для питания схемы достаточно двух элементов AA или AAA. Но, если в схеме используются более высокие напряжения, скажем, для светодиодной подсветки жидкокристаллического дисплея, которая требует приблизительно 7.5 В, напряжение источника питания, например, 3 В, необходимо повысить до нужного значения, воспользовавшись подходящей микросхемой DC/DC преобразователя. Однако сделать вполне работоспособный повышающий DC/DC преобразователь напряжения можно и на основе микроконтроллера [1], добавив к нему несколько дискретных компонентов.

Рисунок 1.	Выходное напряжение повышающего импульсного регулятора выше входного напряжения. Регулятор работает либо в режиме CCM (режим непрерывной проводимости), либо в режиме DCM (режим прерывистой проводимости).

В этой статье показано, как создать даже не один, а два DC/DC преобразователя с помощью одного крошечного восьмивыводного микроконтроллера и нескольких дискретных компонентов. Схема масштабируема, и может быть адаптирована под широкий диапазон выходных напряжений просто путем изменения управляющей программы микроконтроллера. Можно даже запрограммировать любую нужную скорость нарастания выходного напряжения при включении. На Рисунке 1 показана базовая топология повышающего импульсного преобразователя. Выходное напряжение такого регулятора больше, чем входное. Повышающий импульсный регулятор работает либо в режиме CCM (continuous-conduction mode – режим непрерывной проводимости), либо в режиме DCM (discontinuous-conduction mode – режим прерывистой проводимости). Проще установить режим DCM [2]. Названия режимов происходят из того факта, что в режиме DCM ток дросселя в течение некоторого времени внутри каждого периода ШИМ спадает до нуля; в режиме CCM он никогда не равен нулю. Максимальный ток I_LM​AX протекает через дроссель в конце активного состояния импульса ШИМ (когда ключ открыт) и равен

(1)

где

V_DC – входное напряжение;
D – коэффициент заполнения импульсов ШИМ;
T – полная длительность периода ШИМ;
L – индуктивность дросселя.

Ток диода спадает до нуля за время T_R.

(2)

Ток нагрузки, равный среднему току диода,

(3)

после подстановки (1) и (2) и упрощения можно выразить формулой:

(4)

Выходное напряжение VOUT равно

(5)

Емкость выходного конденсатора, определяющую напряжение пульсаций, можно найти из соотношения

(6)

где

dV/dt – спад выходного напряжения за время периода сигнала ШИМ;
I – ток нагрузки;
C – требуемая емкость выходного конденсатора.

Общий период сигнала ШИМ равен T и является системной константой. Для режима DCM должно выполняться условие T > D×T + T_R. Разность между T и (D×T+T_R) представляет собой мертвое время.

В качестве ключа, коммутирующего дроссель, обычно используется биполярный транзистор или MOSFET. MOSFET предпочтительнее из-за его способности пропускать большие токи, лучшего КПД и более высокой скорости переключения. Однако при низких напряжениях трудно найти подходящий MOSFET с достаточно низким пороговым напряжением затвор-исток, и он может быть достаточно дорогим. Поэтому в схеме используется биполярный транзистор (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Используя внутренние АЦП и таймеры, микроконтроллер ATtiny13 управляет двумя повышающими DC/DC преобразователями.

Микроконтроллеры поддерживают частоты ШИМ от 10 кГц до значений, превышающих 200 кГц. Желательно, чтобы частота ШИМ была высокой, поскольку это позволяет использовать дроссели с меньшей индуктивностью и, соответственно, меньшего размера. Микроконтроллер ATtiny13 имеет режим «быстрой» ШИМ с частотой примерно 37.5 кГц и разрешением 8 бит. Чем выше разрешение ШИМ, тем с большей точностью можно установить выходное напряжение. Максимальный ток дросселя, согласно (1), при индуктивности 20 мкГн равен 0.81 А. Допустимый ток транзистора, коммутирующего дроссель, должен быть больше этого значения. Максимальный коллекторный ток n-p-n транзистора 2SD789 составляет 1 А, так что для данного DC/DC преобразователя он вполне подходит. Наибольший ток нагрузки, достижимый при выбранных компонентах, как следует из (4), равен 54 мА, что соответствует требованиям в части максимального выходного тока для канала 7.5 В.

Микроконтроллер ATtiny13 содержит два высокоскоростных канала ШИМ и четыре канала 10-битного АЦП. Остальные каналы ШИМ и АЦП использованы в схеме второго DC/DC преобразователя с выходным напряжением 15 В и максимальным током нагрузки 15 мА. Индуктивность дросселя преобразователя равна 100 мкГн. Емкость выходного конденсатора можно рассчитать с помощью формулы (6). Если задаться амплитудой пульсаций 5 мВ, для выходного напряжения 7.5 В при токе нагрузки 50 мА и периоде ШИМ 27 мкс потребуется конденсатор емкостью 270 мкФ. Ближайшее стандартное значение равно 330 мкФ. Аналогично, для выходного напряжения 15 В нужен конденсатор емкостью 81 мкФ, поэтому в схеме использован конденсатор 100 мкФ.

Программы для микроконтроллера написаны на Си с использованием бесплатного компилятора AVR GCC [3]. Микроконтроллер AVR ATtiny13 работает от внутреннего генератора на частоте 9.6 МГц без внутреннего делителя, поэтому частота ШИМ равна 9.6 МГц/256 = 37.5 кГц. Напряжение внешнего опорного источника равно 1.2 В. Основная программа выполняет бесконечный цикл, попеременно считывая данные из двух каналов АЦП, измеряющих выходные напряжения в процедуре прерывания, и корректируя соответствующие значения коэффициентов заполнения ШИМ.

Ссылки

Материалы по теме

Загрузки