黃寶華，龍順宇，周雅妮，郝昕

（海南熱帶海洋學院 海洋信息工程學院，海南三亞，572022）

0 引言

降壓型開關電源（Вuck DC-DC）是能夠進行功率轉換的器件，它是以功率器件、變壓器、電感器、電抗器等電子元器件組成的電子電路。由于其體積小，轉換效率高，拓撲結構簡單，被廣泛地運用于車載設備、農業(yè)設備、家用設備、航空航天、醫(yī)療電子，等領域。同時開關電源作為電力電子中的關鍵技術，對其進行研究也具有較大意義。

本設計采用STC8H 單片機產生導通時間恒定的矩形波，通過主控單片機STC8H8K64US4 實時采集反饋回來的電壓進行PID 閉環(huán)調控，使其輸出電壓達到所設預值，在一定程度上有效提高降了壓電源的整體性能。

1 COT 調制實現(xiàn)

■1.1 COT 調制方式

COT 是恒定導通時間的PWM 調制。本文選用數(shù)字方法產生COT，相比模擬方法可以解決頻率不固定，和必須要求ESR 大的缺點，COT 調制方法瞬態(tài)響應好，容易穩(wěn)定，適合core 電源。

COT（Constant On-Time）又名恒定導通時間，在穩(wěn)態(tài)時上開關管上管的導通時間恒定，因此電感電流紋波是恒定的。傳統(tǒng)使用模擬方法的COT 如圖1 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)COT 電路沒有環(huán)路補償器，讓它可以控制開關管導通的信號是輸出的紋波信號，只需要讓紋波信號Vo 與Vref 相比較，如果Vo ≤Vref 那么比較器就會控制T-on 開關發(fā)出恒定時間的脈沖信號，當T-on 關閉時紋波又減小到Vref 此時T-on又重新發(fā)出恒定時間的脈沖信號。T-on 的導通和輸入輸出電壓的關系為：

圖1 模擬法調制COT

其中K 為常數(shù)，當輸出電壓增大時導通時間也會變大，從而達到定頻的效果。因為沒有延時的RC 補償所以響應相比傳統(tǒng)的ВUCK 電源速度更快。

如果采用數(shù)字調制COT 可以做到更快響應以及在固定頻率實現(xiàn)電源的調制，本設計采用單片機的PWM 信號，把PWM 信號調制為COT 信號，與模擬法的作用相同。

■1.2 COT 軟件實現(xiàn)

由于模擬方法的COT 控制是通過紋波來控制，如果電容的ESR 比較小，那么紋波的相位會和輸出的相位不同步，不能保證電壓穩(wěn)定，本設計使用單片機通過程序算法直接調制COT 波形，也不會有電容ESR 的限制，在ESR 上的紋波取決于：

輸出的最后紋波電壓為：

由此可見當ESR 越小，輸出的紋波也會越小，對于負載的雜波干擾也就越小，可以符合更高條件的指標。

STC8H 具有的高級型T/C 資源，其硬件可以對外輸出16 位精度的PWM 信號（PWM 信號的頻率與占空比可以任意設置）。所以就不需要使用紋波電壓的變化來驅動MOS管，只需要使用PWM，在PWM 的基礎上稍作調整即可調制出COT 波形如圖2。只需改變相應寄存器的值就可以改變PWM 的周期與脈寬，通過軟件調整PWM 的占空比即可實現(xiàn)高電平時間恒定，而頻率不變，經過內置的PID 算法計算出各個電壓最優(yōu)的占空比PID 算法分為增量式和位置式，本設計采用增量式PID 算法，通過改變導通時間的方式來控制電壓輸出的高低，從而實現(xiàn)COT 軟件調制。

圖2 數(shù)字法調制的COT 波形

2 硬件電路實現(xiàn)

■2.1 整體方案設計

恒定導通時間降壓電源系統(tǒng)的硬件設計由STC8H 控制電路、降壓開關電路、MOS 管驅動電路、輸入電壓采樣電路，輸出電壓、電流采樣電路以及輔助供電電路共同組成。設計總框圖如圖3 所示。

圖3 設計功能框圖

本系統(tǒng)通過STC8H 單片機生成的COT 型的PWM 波，由于單片機生成PWM 波電流電壓小，且?guī)лd能力弱，所以單片機生成的COT 波形的PWM 波要經過由EG2104M 驅動芯片構成的驅動電路，控制兩個MOS 管導通和關斷，再經過低通LC 濾波完成從高電壓到低電壓的變換。采樣環(huán)節(jié)中通過電阻分壓和運算放大器將輸出電壓電流反饋回STC8H主控電路，將其反饋值與預先在按鍵上的設定的電壓值相比較。若數(shù)據(jù)有差異，單片機將控制輸出PWM 的占空比，結合PID 閉環(huán)算法實現(xiàn)閉環(huán)控制。也使得輸出電壓電流控制在安全范圍，起到電路保護的作用。最后將軟件處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示模塊。

■2.2 關鍵電路設計

2.2.1 降壓開關電路

該模塊為同步Вuck DC-DC 組成。電路如圖4 所示。

圖4 buck 主拓撲電路

主拓撲電路中由兩顆HY 3010P N 溝道增強型TO-220封裝的mos 管作為同步整流的開關管，該MOS 管最大耐壓為100V，最大耐受電壓為100A，導通電阻為10mΩ，導通損耗低，散熱效率好，可以成為開關管的選擇。C1，C2，C3 為輸入的濾波電容，其中C1，C2 是用來濾除高頻雜波，C4 和L1 構成LC 低通回路濾波器，用來濾除的紋波，同時也滿足MEI 的要求，R2 和D3 組成的電路可以使上管緩慢開啟，而D2 和R3 組成的電路可以讓下管迅速關斷，以減小寄身電容的干擾，C5 和C6 為濾除高頻雜波的輸出濾波電容，CS 為一個接地采樣點，R1 為電流的采樣電阻。

2.2.2 MOS 管驅動電路

MOS 管驅動電路如圖5 所示。

圖5 MOS 管驅動電路

根據(jù)Q1 的導通需求，柵極和源極的電壓至少大于3V才可以使MOS 管導通，由于Q2 管源極為輸出端，不屬于常規(guī)的接地，所以Q2 柵極的驅動屬于浮動驅動，由于單片機的驅動能力有限，無法驅動兩個MOS 管，所以本設計采用了屹晶微的EG2104N MOS 管驅動芯片，此芯片為高低MOS 管專屬芯片，可以產生兩路互補的PWM 波，可以有效地驅動Q1 和Q2 兩個MOS 管，在Q1 導通時12V 直流電通過D4 向C12 充電，從而把VS 端的電壓抬高，此時Q2 管上的柵極電壓始終大于源極電壓，就可以保證Q2 管的導通。

2.2.3 采樣電路

本設計中的單片機STC8H 有三路ADC 可供使用，為了精確捕捉輸入電壓和輸出電壓和電流的參數(shù)，引入了采樣濾波放大電路如圖6、圖7 所示。

圖6 輸出電壓電流采樣

圖7 輸入電壓采樣

R8 和R10 把輸出電壓縮小為原來的21 倍，等比縮小的電壓經過運放再經過濾波電路再從ADCOV 端口傳輸給單片機進行采集，CS 點作為采樣電阻的電壓，經過運算放大器和R7 和R9 的放大，電壓的放大公式為：

計算出放大倍數(shù)為16 倍，再通過濾波電路傳輸給單片機A/D 引腳進行捕捉。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件部分主要是基于STC8H 作為主控制器的前提下實現(xiàn)PWM 波的輸出、輸出電壓以及電流的采集、過壓和過流的保護、顯示模塊等。主程序的流程圖如圖8 所示。

圖8 軟件流程圖

系統(tǒng)首先完成STC8H 的初始化，隨后單片機開始檢測是否按鍵按下，當檢測到有按鍵按下，系統(tǒng)會進入外部中斷，更改設定值；接著采集輸入電壓電流到主控單片機進行檢測，若大于限定值將進入電源保護模式；最后將輸出的電壓電流與設定值相比較，若不符合設定值將進入PID 閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，當輸出電壓電流無誤，將會把電壓電流顯示在顯示模塊上，可以實時監(jiān)控輸出。

4 測試結果分析

測試前檢測PCВ 上元件焊接，無誤后，檢查各測試設備連接無誤后進行測試。分別測量空載以及不同帶載情況下的輸出電壓電流。

經過多次對該電源的輸入電壓電流，輸出電壓電流的測量，并計算出本文設計的降壓電源效率為95.5%，負載調整率為3.94%，綜合輸出的數(shù)據(jù)，本電源滿足一些場合的電源要求。

表1 輸入輸出電壓、電流測試表

5 結語

本文所設計的基于Вuck 變換器的數(shù)字COT 控制電源經過調試和實驗，最終可實現(xiàn)輸入5V～48V 直流電，輸出0V-36V 的直流電，最大輸出電流為5A，COT 控制的環(huán)路簡單、負載調整率小、輕載時效率高，是電源供電設備優(yōu)先選擇的方案。通過原理分析和焊接實驗，表明該電源轉換效率高，反速度靈敏，輸出紋波小，工作狀態(tài)穩(wěn)定；在單片機軟件的過壓過流保護機制下，可以滿足工作需求。