一种DC-DC变换器系统论文和设计-杨凌云

全文摘要

本实用新型属于电源技术领域，尤其涉及一种DC‑DC变换器系统，包括系统供电输入端、辅助电源电路、BOOST电路、电压电流采样电路、控制电路和人机交互系统；辅助电源电路输入端连接系统供电输入端，输出端为供电端。该系统输出纹波较小，通过BOOST电路和软件PID控制实现了输入电压15‑21V，输出电压30‑36V高精度、步进可调的开关电源，具有电压调整率小于0.2％,负载调整率小于0.1％，DC‑DC变换器效率93％，输出纹波300mV，2A过流保护，自恢复，电路简单稳定，体积小，人机交互良好等特点。

主设计要求

1.一种DC-DC变换器系统，其特征是，包括系统供电输入端、辅助电源电路、BOOST电路、电压电流采样电路、控制电路和人机交互系统；辅助电源电路输入端连接系统供电输入端，输出端为供电端；BOOST电路输入端连接系统供电输入端，其输出端连接电压电流采样电路；电压电流采样电路输出端连接控制电路的输入端；控制电路的输出端与BOOST电路的控制端连接；人机交互系统与控制电路相连。

设计方案

2.如权利要求1所述的DC-DC变换器系统，其特征是，系统供电输入端为15-21V直流电压。

3.如权利要求2所述的DC-DC变换器系统，其特征是，辅助电源电路包括第一、第二降压转换器TPS5430和低压降线性稳压器LM1117，输入的15-18V直流电压通过第一降压转换器TPS5430转换为9V直流电压；第二降压转换器TPS5430连接9V直流电压，并将9V直流电压转换为5V直流电压；低压降线性稳压器LM1117连接5V直流电压，并将5V直流电压转换为3.3V直流电压。

4.如权利要求1所述的DC-DC变换器系统，其特征是，BOOST电路包括第一电解电容、第二电解电容、瓷片电容、续流二极管、开关管和电感，第一电解电容与电感一端连接，电感另一端分别连接续流二极管正极和开关管的漏极，开关管的源极接地；续流二极管负极连接第二电解电容，第二电解电容与瓷片电容并联；续流二极管选用两个SR360A，60V并联，开关管选用CSD19536，电感选择以77254A7为磁芯绕制电感。

5.如权利要求3所述的DC-DC变换器系统，其特征是，电压电流采样电路包括电压采样部分和电流采样部分；电压采样部分包括运算放大器OPA118组成的射极跟随器、RC滤波电路和AD转换器ADS1118；运算放大器OPA118组成的射极跟随器分别连接RC滤波电路和AD转换器ADS1118；电流采样部分包括康铜丝采样电阻和电压输出电流分流监控器INA282，康铜丝采样电阻通过RC电路连接于电压输出电流分流监控器INA282输入端，电压输出电流分流监控器INA282输出端与AD转换器ADS1118连接，辅助电源电路的5V直流电压为运算放大器OPA118供电；辅助电源电路的3.3V直流电压为AD转换器ADS1118和电压输出电流分流监控器INA282供电。

6.如权利要求3所述的DC-DC变换器系统，其特征是，控制电路包括MSP430F6638单片机和MOS管驱动电路；MSP430F6638单片机通过IO口接收电压电流采样电路的数据并利用PID稳压算法对系统进行负反馈调节，其输出控制波形PWM波输入MOS管驱动电路；MOS管驱动电路采用驱动器UCC27211，在其输出端串联一个10欧电阻；辅助电源电路的9V直流电压为驱动器UCC27211供电；辅助电源电路的5V直流电压为MSP430F6638单片机供电。

7.如权利要求5所述的DC-DC变换器系统，其特征是，人机交互系统包括OLED显示屏和3*4矩阵扫描键盘,OLED显示屏通过SPI接口与MSP430F6638单片机相连接，3*4矩阵扫描键盘与MSP430F6638单片机IO口相连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于电源技术领域，尤其涉及一种DC-DC变换器系统。

背景技术

DC-DC变换器是一种将一种直流电压转换为另一种直流电压的电路拓扑。一般在小功率的场合，使用Buck(降压式)和Boost(升压式)两种拓扑。但在功率很大的场合则多采用反激、半桥、推挽或全桥的电路拓扑。按照结构划分有隔离型与非隔离型，隔离型变压器将输入与输出进行电气隔离，能量通过磁能传递到输出端，而非隔离型变压器的就是通过开关管直接变化。

目前DC-DC变换器广泛运用于各类：电力、通讯、工业设备、军用车载、医疗救护车、警车、船舶、太阳能、卫星通信设备、及风能发电等领域，在工业界占据着极其重要的地位，DC-DC变换器的质量好坏直接影响着电器的工作状态。而当今社会节能减排、保质增效、科学发展、可持续发展的现实要求迫切需要DC-DC变换器技术在越来越多的领域发挥作用。因此，非常有必要研制一种DC-DC变换器电源装置，以适应不同场合的供电需求。目前人们居家生活使用的电器中可以到处看到DC-DC变换器的应用，但目前市面上电器使用的DC-DC变换器输出质量较差，容易造成剧烈不稳定影响，而且带负载能力差，输出纹波较大，对用电器的使用寿命有着巨大的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能实现高质量DC-DC变换、效率高、噪音小、具有各类保护和自恢复功能、灵活性强、人机交互良好的中小功率正DC-DC变换电源。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种DC-DC变换器系统，包括系统供电输入端、辅助电源电路、BOOST电路、电压电流采样电路、控制电路和人机交互系统；辅助电源电路输入端连接系统供电输入端，输出端为供电端；BOOST电路输入端连接系统供电输入端，其输出端连接电压电流采样电路；电压电流采样电路输出端连接控制电路的输入端；控制电路的输出端与BOOST电路的控制端连接；人机交互系统与控制电路相连。

在上述的DC-DC变换器系统中，系统供电输入端为15-21V直流电压。

在上述的DC-DC变换器系统中，辅助电源电路包括第一、第二降压转换器TPS5430和低压降线性稳压器LM1117，输入的15-18V直流电压通过第一降压转换器TPS5430转换为9V直流电压；第二降压转换器TPS5430连接9V直流电压，并将9V直流电压转换为5V直流电压；低压降线性稳压器LM1117连接5V直流电压，并将5V直流电压转换为3.3V直流电压。

在上述的DC-DC变换器系统中，BOOST电路包括第一电解电容、第二电解电容、瓷片电容、续流二极管、开关管和电感，第一电解电容与电感一端连接，电感另一端分别连接续流二极管正极和开关管的漏极，开关管的源极接地；续流二极管负极连接第二电解电容，第二电解电容与瓷片电容并联；续流二极管选用两个SR360A，60V并联，开关管选用CSD19536，电感选择以77254A7为磁芯绕制电感。

在上述的DC-DC变换器系统中，电压电流采样电路包括电压采样部分和电流采样部分；电压采样部分包括运算放大器OPA118组成的射极跟随器、RC滤波电路和AD转换器ADS1118；运算放大器OPA118组成的射极跟随器分别连接RC滤波电路和AD转换器ADS1118；电流采样部分包括康铜丝采样电阻和电压输出电流分流监控器INA282，康铜丝采样电阻通过RC电路连接于电压输出电流分流监控器INA282输入端，电压输出电流分流监控器INA282输出端与AD转换器ADS1118连接，辅助电源电路的5V直流电压为运算放大器OPA118供电；辅助电源电路的3.3V直流电压为AD转换器ADS1118和电压输出电流分流监控器INA282供电。

在上述的DC-DC变换器系统中，控制电路包括MSP430F6638单片机和MOS管驱动电路；MSP430F6638单片机通过IO口接收电压电流采样电路的数据并利用PID稳压算法对系统进行负反馈调节，其输出控制波形PWM波输入MOS管驱动电路；MOS管驱动电路采用驱动器UCC27211，在其输出端串联一个10欧电阻；辅助电源电路的9V直流电压为驱动器UCC27211供电；辅助电源电路的5V直流电压为MSP430F6638单片机供电。

在上述的DC-DC变换器系统中，人机交互系统包括OLED显示屏和3*4矩阵扫描键盘,OLED显示屏通过SPI接口与MSP430F6638单片机相连接，3*4矩阵扫描键盘与MSP430F6638单片机IO口相连接。

本实用新型的有益效果：本实用新型的输出纹波较小，通过BOOST电路和软件PID控制实现了输入电压15-21V，输出电压30-36V高精度、步进可调的开关电源，具有电压调整率小于0.2％,负载调整率小于0.1％，DC-DC变换器效率93％，输出纹波300mV，2A过流保护，自恢复，电路简单稳定，体积小，人机交互良好等特点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的BOOST电路电路图；

图3为本实用新型实施新型的电压电流采样电路图；

图4为本实用新型实施例的控制电路图；

图5为本实用新型实施例的人机交互系统电路图；

图6为本实用新型实施例的辅助电源电路图；

其中，1-系统供电输入端、2-辅助电源电路、3-BOOST电路、4-电压电流采样电路、5-控制电路、6-人机交互系统，21-第一降压转换器TPS5430、22-第二降压转换器TPS5430、23-低压降线性稳压器LM1117，31-第一电解电容、32-第二电解电容、33-瓷片电容、34-续流二极管、35-开关管、36-电感，41-运算放大器OPA118组成的射极跟随器、42-AD转换器ADS1118、43-康铜丝采样电阻、44-电压输出电流分流监控器INA282，51-PWM波、52-驱动器UCC27211、53-10欧电阻、54-MSP430F6638单片机，62-3*4矩阵扫描键盘、63-OLED显示屏。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

如图1所示，本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种新型DC-DC变换器系统，包括系统供电输入端1、辅助电源电路2、BOOST电路3、电压电流采样电路4、控制电路5、人机交互系统6；辅助电源电路2输入端连接系统供电输入端1，其输出端分别连接各芯片的供电端；BOOST电路3输入端连接系统供电输入端，其输出端连接电压电流采样电路4；电压电流采样电路4输出端连接控制电路5的输入端；控制电路5的输出端输出PWM波与BOOST电路3的控制端连接；人机交互系统6与控制电路5相连。

如图2所示，BOOST电路3中的MOS管受单片机输出的PWM波控制从而输出一个稳定电平的直流信号。BOOST电路输入端用大的第一电解电容31滤低频，输出端选用大的第二电解电容32和瓷片电容33混合滤波，第二电解电容32滤低频，瓷片电容33滤高频以降低输出纹波；对于BOOST电路中的续流二极管34，因为SR360反向恢复速度快，所以选用两个SR3603A，60V并联接入；开关管35选用开关速度快，导通电阻小，耐压值足够大的CSD19536。电感36选择以77254A7为磁芯绕制电感以满足设计要求。

如图3所示，电压电流采样电路4的电压采样部分由输出电压直接分压，为保证采样的精度选取合适的分压比，经过运算放大器OPA118组成的射极跟随器41和RC滤波后输入AD转换器ADS111842；电流采样部分为了保证采样的精度，选用功率大，温漂小的康铜丝采样电阻43，经电压输出电流分流监控器INA28244放大压差后输入AD转换器ADS111842，最后将两路AD转换得到得数据传给控制电路5。

如图4所示，控制电路5包括MSP430F6638单片机54和MOS管驱动电路；MSP430F6638单片机自身有处理能力强、运算速度、快超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境等特点。系统中MSP430F6638单片机54通过IO口接受来自电压电流采样电路的数据并利用PID稳压算法对系统进行负反馈调节，其输出控制波形PWM波51输入MOS管驱动电路；MOS管驱动电路使用低损耗的驱动器UCC27211 52，在其输出端串联一个10欧的小电阻53以防止MOS管被静电击穿；过流保护和自恢复功能由反馈系统控制，当检测到输出电流大于2A时，控制MOS管关断，延时2.5s后自恢复。

如图5所示，人机交互系统6包括OLED显示屏63和3*4矩阵扫描键盘62,OLED显示屏63通过SPI接口与MSP430F6638单片机54相连接，3*4矩阵扫描键盘62与其IO口相连接，能实时监控输出电流和输出电压。

如图6所示，辅助电源电路2包括第一降压转换器TPS5430 21、第二降压转换器TPS5430 22和低压降线性稳压器LM1117 23，输入的15-18V直流电压经第一降压转换器TPS5430 21后得9V直流电压，9V直流电压经过第二降压转换器TPS5430 22后得到5V直流电压，5V直流电压经低压降线性稳压器LM1117 23后得3.3V直流电压。第一降压转换器TPS5430 21输出端9V电压给低损耗的驱动器UCC27211 52供电，第二降压转换器TPS543022输出端5V电压给运算放大器OPA118 41和MSP430F6638单片机54供电；低压降线性稳压器LM1117 23输出端3.3V电压给AD转换器ADS1118 42和电压输出电流分流监控器INA282 44供电。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。

设计图

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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