CN111614255A - 一种便携式电压转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种便携式电压转换器，其特征在于：包括开关电源、控制器、稳压模块，所述稳压模块接入6～12V电源并将其转化为稳定的3.3V电源输入到控制器中，所述控制器通过反馈电路采集开关电源的电压，根据采集到的电压值输出三路PWM信号对开关电源的输出电压进行调整；本发明电路内有升压和降压两个模块，能够输入6V～12V电压，输出3.3～12V稳定电压，从而能快速地对模块进行选择、拼接和调试，提高设计电子产品的速度，解决了设计者在设计过程中快速地解决模块间的电压兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式电压转换器。
背景技术
随着电子技术的高速发展，电子产品的设计越来越趋于模块化拼 接式的设计。每个电子产品被分为多个模块单元，每个模块分别代表 产品的一个基本功能，设计者需要对各个模块进行划分，选择以及排 布和拼接，从而设计出一个完整的产品。在硬件方面，一个完整的产 品大致分为三个大模块：电源模块，控制模块，被控制模块；通过控 制模块来控制被控制模块，从而达到产品所需要的功能。单片机由于 其体积小，价格低廉，功耗低，计算速度快等优点，在小型电子产品 中被广泛应用于控制模块。经过多年的发展，为了提高通用性和互换 性，单片机的工作额定电压都统一在3.3V、5V，而被控制模块是产 品功能的代表，是根据设计者的需要而设计、改变的，其工作电压不 一定是3.3V或5V。由于成本原因，如无特殊需要，每个电子产品都 只有一个恒定的输入电压。所以在电子设计中，模块间的电压兼容性 是每个设计者都要考虑的问题，
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种便携式电压转换器。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种便携式电压转换器；包括开关电源、控制器、 稳压模块，所述稳压模块接入6～12V电源并将其转化为稳定的3.3V电 源输入到控制器中，所述控制器通过反馈电路采集开关电源的电压， 根据采集到的电压值输出三路PWM信号对开关电源的输出电压进行 调整；
所述开关电源包括降压电路和升压电路，降压电路和升压电路均 通过一个MOS管通断；
所述控制器通过分别对降压电路和升压电路输入PWM信号控制 降压电路和升压电路中MOS管的通断；
所述控制器还与上位机连接。
所述反馈电路分别对降压电路和升压电路的电压值进行采集。
所述降压电路包括高压型MOS管Q2，MOS管Q2的漏极与电源 VCC连接，其源极与电感L1的一端和二极管D2的负极连接，二极管 D2的正极接地，MOS管Q2的栅极接入控制器的一路PWM信号，MOS 管Q2的漏极和源极之间还连接有继电器KZ1。
所述升压电路包括低压MOS管Q3，MOS管Q3的漏极与电感L1和 二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与极性电容C1的正极和电阻 R6的一端连接，所述MOS管Q3的源极、电容C1的负极、电阻的另一 端共同接地。
所述反馈电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，电阻R2 和电阻R3串联，串联后的一端与电源VCC连接，另一端接地，电阻 R2和电阻R3的连接端向控制器输入降压电路输入电压值信号；所述 电阻R4和电阻R5串联，串联后的一端与二极管D3的负极连接，另一端接地，电阻R4和电阻R5的连接端向控制器输入升压电路输入电压 值信号。
所述稳压模块包括三极管Q1，三极管Q1的集电极与电源VCC连 接，三极管的基极与瞬态抑制二极管D1的负极连接，瞬态抑制二极 管D1的正极接地，三极管Q1的集电极和基极之间还通过电阻R1连接， 其发射极输出3.3V稳压电源。
所述控制器和降压电路之间还连接有PWM信号驱动电路。
PWM信号驱动电路包括三极管Q7，三极管Q7的基极与控制器的 I/O口连接，发射极与二极管D5的正极连接，集电极与电阻R11和电 阻R10连接，电阻R10与三极管Q6的基极连接，三极管Q6集电极与电 阻R9和电阻R8连接，电阻R8与三极管Q4和三级管Q5的基极连接，三 极管Q4的集电极和三级管Q5的集电极共同与电阻R7连接，电阻R1与 MOS管Q2的栅极连接；所述电阻R11、电阻R9、三极管Q4的发射极 共同与二极管D4的负极连接，二极管D4的正极与MOS管Q2的漏极连 接，所述二极管D5的负极、三极管Q6的发射极、三极管Q5的发射极共同与MOS管的源极连接，所述三极管Q4的发射极还与极性电容C2 的正极连接，三极管Q5的发射极还与极性电容C2的负极连接。
本发明的有益效果在于：电路内有升压和降压两个模块，能够输 入6V～12V电压，输出3.3～12V稳定电压，从而能快速地对模块进行选 择、拼接和调试，提高设计电子产品的速度，解决了设计者在设计过 程中快速地解决模块间的电压兼容性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的电路图；
图3是本发明的单片机系统流程图；
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限 于所述。
一种便携式电压转换器；包括开关电源、控制器、稳压模块，控制器 采用的单片机具体为STM32f103c8t6单片机，采用Cortex-M3内核 F1系列小内存处理器，加入电源、时钟及复位电路实现最小的工作 电路系统。其中，采用通用定时器TIM2作为上桥PWM波的输出，该通用定时器TIM2对应引脚为PA0、PA1、PA2、PA3四个GPIO口， 采用的GPIO接口为PA0、PA1、PA2；采用通用定时器TIM4作为下 桥PWM波的输出，该通用定时器TIM4对应引脚为PB6、PB7、PB8、 PB9四个GPIO口，所采用的GPIO接口为PB6、PB7、PB8。同时， TIM2和TIM4共用同一个时钟源为72MHz，故时钟同步；配置两个 定时器重加载值为1000，分频值为36时钟分割，输出1K (72M/36/1000＝2K，由于向上向下计数故为1K)频率的PWM波； 将作为下桥的通用定时器TIM4的重加载值比通用定时器TIM2的重 加载值数值上多2，时钟频率为2MHz，2*1/2M＝1us，计算可知死区 为1μs。
所述稳压模块接入6～12V电源并将其转化为稳定的3.3V电源输 入到控制器中，所述控制器通过反馈电路采集开关电源的电压，根据 采集到的电压值输出三路PWM信号对开关电源的输出电压进行调 整；
所述开关电源包括降压电路和升压电路，降压电路和升压电路均 通过一个MOS管通断；
所述控制器通过分别对降压电路和升压电路输入PWM信号控制 降压电路和升压电路中MOS管的通断；
所述控制器还与上位机连接。
所述反馈电路分别对降压电路和升压电路的电压值进行采集。
所述降压电路包括高压型MOS管Q2，MOS管Q2的漏极与 电源VCC连接，其源极与电感L1的一端和二极管D2的负极连 接，二极管D2的正极接地，MOS管Q2的栅极接入控制器的一 路PWM信号，MOS管Q2的漏极和源极之间还连接有继电器 KZ1。对于buck电路，电感的选取遵循公式：
式中:Ui—电感两端的电压；Uo—输出电压；D—PWM方波占空 比；
—PWM方波频率；Tof—PWM方波低电平时间；Io—输出电 流；允许的电流纹波ΔI越小，k值越小，选择的电感L越大，此时可以 选择较小的电容值。反之，电流纹波大，电感值L小，就需要更大的电容来进行滤波。一般选取k＝0.05～0.1。
所述升压电路包括低压MOS管Q3，MOS管Q3的漏极与电感 L1和二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与极性电容C1的正 极和电阻R6的一端连接，所述MOS管Q3的源极、电容C1的负极、 电阻的另一端共同接地。对于boost电路，电感的选取遵循公式：
式中：Ton—PWM方波高电平时间；Ii＝Io/η(1-D)—输入电流平均 值；η—开关电源效率；其余符号与buck电路电感公式相同。
buck电路的输入电压与输出电压之比等于PWM方波占空比，即： 
boost电路的输入电压减去输出电压的差比上输出电压等于 PWM方波占空比即：
所述反馈电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，电阻R2 和电阻R3串联，串联后的一端与电源VCC连接，另一端接地，电阻 R2和电阻R3的连接端向控制器输入降压电路输入电压值信号；所述 电阻R4和电阻R5串联，串联后的一端与二极管D3的负极连接，另一端接地，电阻R4和电阻R5的连接端向控制器输入升压电路输入电压 值信号。
所述稳压模块包括三极管Q1，三极管Q1的集电极与电源VCC连 接，三极管的基极与瞬态抑制二极管D1的负极连接，瞬态抑制二极 管D1的正极接地，三极管Q1的集电极和基极之间还通过电阻R1连接， 其发射极输出3.3V稳压电源。使用S8086三极管和4.3V稳压二级管组 成一个简单的3.3V稳压模块，将不定的输入电压降压到恒定的3.3V来 给单片机供电。
所述控制器和降压电路之间还连接有PWM信号驱动电路。
PWM信号驱动电路包括三极管Q7，三极管Q7的基极与控制器的 I/O口连接，发射极与二极管D5的正极连接，集电极与电阻R11和电 阻R10连接，电阻R10与三极管Q6的基极连接，三极管Q6集电极与电 阻R9和电阻R8连接，电阻R8与三极管Q4和三级管Q5的基极连接，三 极管Q4的集电极和三级管Q5的集电极共同与电阻R7连接，电阻R1与 MOS管Q2的栅极连接；所述电阻R11、电阻R9、三极管Q4的发射极 共同与二极管D4的负极连接，二极管D4的正极与MOS管Q2的漏极连 接，所述二极管D5的负极、三极管Q6的发射极、三极管Q5的发射极共同与MOS管的源极连接，所述三极管Q4的发射极还与极性电容C2 的正极连接，三极管Q5的发射极还与极性电容C2的负极连接。如图2 所示电路中ADC1点的电压等于1/4输入电压，ADC2等于1/4输出电 压，供单片机采集电压实现反馈调节。当开启降压模块时，继电器和Q2关闭，Q1工作，组成buck电路；反之Q1关闭，继电器开启，Q2工 作，组成boost电路。由于Q2所使用的SI2302为低压型mos管，与单 片机引脚电平兼容，且源极接地，所以PWM2和PWM3可以直接接入 单片机I/O口。但Q1使用的是IRF33205高压型mos管，栅极电平不与 单片机兼容，并且源极接电感正极(源极电压不定)，所以PWM1与 单片机I/O口之间需要驱动电路。
驱动电路利用三极管非门的放大作用，把单片机I/O口的低电压 放大到足以驱动mos推挽电路；再利用电容的自举特性，使得在开通 状态下mos管的栅极电压始终大于源极电压。通过此驱动电路，Q1场 效应管便能正常实现开关功能，但由于驱动电路本身的特性，经实测 工作频率不得大于100kHz。
本发明让电子设计者在设计过程中快速地解决模块间的电压兼 容性，模块输入电压范围6V～12V，输出电压在3.3V～12V范围内可调， 精确值为0.1V。从而能快速地对模块进行选择、拼接和调试，提高设 计电子产品的速度。
如图3所示，单片机内系统工作过程为：
程序初始化阶段，预设两个定时器分别对应升压模块和降压模 块，设定好输出两个通道的PWM频率，开启双通道A/D采集，并激 活控制面板等待用户设置需要的输出电压。在等待用户输入需求时采 集输入电压值。当用户设定好需要的输出电压后，根据A/D采集的 输入电压值与用户的设定值来判断开启升压或降压模块对应的定时 器，开启该定时器通道输出PWM方波，方波占空比根据反馈的输出 电压值来调节，调节过程使用PI调节，程序流程图如图3。以下为主 要程序代码说明:
adcx＝Get_Adc_Average(ADC_CH2,10)；
adcy＝Get_Adc_Average(ADC_CH1,4)；
temp＝((float)adcx*(3.3/4096)*4)；
temp_vcc＝((float)adcy*(3.3/4096)*4)；
printf("％f％f\r\n",temp,temp_vcc)；
通过Get_Adc_Average()函数分别采集通道1与通道2的A/D值， 通道2采集10次求平均值，通道1采集4次求平均值。由于单片机 为12位A/D采集，且最大采集电压为3.3V，所以电压值等于A/D 值乘以3.3再除以4096，又因为在硬件设计上采用了电阻分压，A/D 采集电压等于
实际电压，所以A/D采集结果需要再乘以4。计算结 果显示在控制面板上。
v2＝v1；
v1＝V-temp；
v＝Ki*(v1-v2)+(Kp*v1)；
pwm＝pwm+v；
以上代码为基于通道2反馈的PI调节，Ki和kp为调节参数。调节 对象为输出PWM方波的占空比。
Claims (8)
1.一种便携式电压转换器，其特征在于：包括开关电源、控制器、稳压模块，所述稳压模块接入6～12V电源并将其转化为稳定的3.3V电源输入到控制器中，所述控制器通过反馈电路采集开关电源的电压，根据采集到的电压值输出三路PWM信号对开关电源的输出电压进行调整；
所述开关电源包括降压电路和升压电路，降压电路和升压电路均通过一个MOS管通断；
所述控制器通过分别对降压电路和升压电路输入PWM信号控制降压电路和升压电路中MOS管的通断；
所述控制器还与上位机连接。
2.如权利要求1所述的便携式电压转换器，其特征在于：所述反馈电路分别对降压电路和升压电路的电压值进行采集。
3.如权利要求2所述的便携式电压转换器，其特征在于：所述降压电路包括高压型MOS管Q2，MOS管Q2的漏极与电源VCC连接，其源极与电感L1的一端和二极管D2的负极连接，二极管D2的正极接地，MOS管Q2的栅极接入控制器的一路PWM信号，MOS管Q2的漏极和源极之间还连接有继电器KZ1。
4.如权利要求2所述的便携式电压转换器，其特征在于：所述升压电路包括低压MOS管Q3，MOS管Q3的漏极与电感L1和二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与极性电容C1的正极和电阻R6的一端连接，所述MOS管Q3的源极、电容C1的负极、电阻的另一端共同接地。
5.如权利要求1所述的便携式电压转换器，其特征在于：所述反馈电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，电阻R2和电阻R3串联，串联后的一端与电源VCC连接，另一端接地，电阻R2和电阻R3的连接端向控制器输入降压电路输入电压值信号；所述电阻R4和电阻R5串联，串联后的一端与二极管D3的负极连接，另一端接地，电阻R4和电阻R5的连接端向控制器输入升压电路输入电压值信号。
6.如权利要求1所述的便携式电压转换器，其特征在于：所述稳压模块包括三极管Q1，三极管Q1的集电极与电源VCC连接，三极管的基极与瞬态抑制二极管D1的负极连接，瞬态抑制二极管D1的正极接地，三极管Q1的集电极和基极之间还通过电阻R1连接，其发射极输出3.3V稳压电源。
7.如权利要求1所述的便携式电压转换器，其特征在于：所述控制器和降压电路之间还连接有PWM信号驱动电路。
8.如权利要求7所述的便携式电压转换器，其特征在于：PWM信号驱动电路包括三极管Q7，三极管Q7的基极与控制器的I/O口连接，发射极与二极管D5的正极连接，集电极与电阻R11和电阻R10连接，电阻R10与三极管Q6的基极连接，三极管Q6集电极与电阻R9和电阻R8连接，电阻R8与三极管Q4和三级管Q5的基极连接，三极管Q4的集电极和三级管Q5的集电极共同与电阻R7连接，电阻R1与MOS管Q2的栅极连接；所述电阻R11、电阻R9、三极管Q4的发射极共同与二极管D4的负极连接，二极管D4的正极与MOS管Q2的漏极连接，所述二极管D5的负极、三极管Q6的发射极、三极管Q5的发射极共同与MOS管的源极连接，所述三极管Q4的发射极还与极性电容C2的正极连接，三极管Q5的发射极还与极性电容C2的负极连接。
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