Funpack4-2 - 用dsPIC33CK64MC105 Curiosity Nano 实现24V稳压电路。

内容介绍

1. 作业题目及设计思路

1.1 作业题目

设计一个基于 dsPIC33CK64MC105 微控制器的 BOOST升压电路，将 12V 输入电压升压至 24V 输出电压，并通过 PWM控制 和 电压反馈 实现稳定的输出电压。

1.2 设计思路

该设计目标是实现一个稳定的 24V输出电压，输入电压为 12V，采用 BOOST升压拓扑。通过使用 dsPIC33CK64MC105 控制PWM信号，对 MOSFET 开关进行精确控制，并通过反馈电压调整PWM占空比，确保输出电压在不同负载情况下都能维持稳定。系统设计将包括硬件部分和软件部分，硬件部分负责电源转换，软件部分负责控制和调节系统工作状态。

2. 硬件说明

2.1 硬件组成

本系统主要由以下几个硬件模块组成：

dsPIC33CK64MC105微控制器：用于生成PWM信号，控制开关元件（MOSFET）的开关状态、电压反馈采样、电流反馈采样以及电压闭环控制。
MOSFET开关：用于控制电压的升高，选择具有较低导通电阻（Rds(on)）的MOSFET以减少损耗。
电感（L）：用于储能并将输入的直流电压升高。
肖特基二极管（D）：用于提供电流路径并防止反向电流。
电容（C）：用于平滑输出电压，减少电压纹波。
电压反馈电路：通过反馈电压调整PWM占空比，确保输出电压稳定。

2.2 系统结构

输入电压为12V，通过电感L和MOSFET构成的BOOST拓扑电路，将输入5V~12V电压升压至24V输出。
输出电压通过分压电阻和采样电路反馈至微控制器ADC接口，进行实时监控。
dsPIC33CK64MC105根据采样结果调节PWM信号，以维持稳定输出。

3. 详细设计

3.1 控制原理

PWM控制：dsPIC33CK64MC105通过内部PWM模块生成占空比可调的PWM信号，控制MOSFET的开关状态，从而调节电流流入电感的时间。
电压反馈：输出电压通过反馈电路被采样，转换成数字信号输入微控制器，通过PID控制算法调节PWM占空比，维持稳定的输出电压。
保护机制：设计了过压和过流保护机制，防止电路因负载异常而损坏。微控制器通过检测输入和输出电压、电流变化，实时调节工作状态。

3.2 电路设计

BOOST转换器拓扑：采用标准BOOST拓扑，通过MOSFET控制电感的充放电过程，实现电压的升压。
电压反馈电路：使用分压电阻采样输出电压，将其与参考电压进行比较，通过控制PID算法调整PWM占空比，确保输出电压稳定。

电流反馈电路：使用CC6903SO-10A 霍尔电流传感芯片，直接采样输出电流，不必增加额外的采样电阻。

电源设计：使用XL1509-12E1、1117 两颗降压芯片，将输入电压降低至12V、3.3V 以供驱动器、单片机供电。
PCB 设计：

3.3 软件设计

MCAL 配置：
- ICD debug配置，使用 PG3，否则次开发板无法通信。
- 系统时钟配置：使用FRC时钟源+PLL 给系统提供100MHz的系统时钟源。
- 使用ADC1 采样反馈电压，并使能ADC完成中断和使用定时器触发ADC采样的方式提供稳定10kHz的采样频率和计算周期。
- PWM采用官方提供的PWM外设实现，输出频率20kHz
PID 计算的实现

double REFERENCE_VOLTAGE = 24;

double KP  = 3;
double KI = 0.1;
static double integral = 0;
double Vout, error;

static uint16_t PIController(double currentVoltage) {
    error = REFERENCE_VOLTAGE - currentVoltage;
    integral += error;
    double output = KP * error + KI * integral;
    

    if (output > CCP1PRL * 0.9) 
    {
        output = CCP1PRL * 0.9;
    } 
    else if (output < CCP1PRL * 0.05) 
    {
        output = CCP1PRL * 0.05;
    }

    return (uint16_t)output;
}

ADC 中断函数的实现

void ADC1_ChannelCallback (enum ADC_CHANNEL channel, uint16_t adcVal)
{
    if(Channel_AN0 == channel)
    {
        Vout = (double)((double) adcVal * 36.436) / 4096.0;
#if 1
        uint16_t dutyCycle = PIController(Vout);

        UpdateDutyCycle(dutyCycle);
#endif
        IO_RC6_Toggle();
    }
}

4. 总结

4.1 项目总结

本项目设计并实现了一个基于dsPIC33CK64MC105微控制器的BOOST升压电路，成功将12V输入电压升压至24V输出电压，并通过PWM控制和电压反馈机制实现了稳定的输出电压。该系统具有较好的负载适应性，能够在负载波动的情况下保持输出电压的稳定。

4.2 存在的问题及改进措施

电路效率：尽管采用了低导通电阻的MOSFET，但在高负载下仍有一定的能量损失。可以考虑选择更高效的MOSFET或提升开关频率来进一步提高效率。
电压纹波：输出电压可能在高负载时出现一定的纹波，后期可以通过优化滤波器设计来减少纹波。
散热问题：MOSFET和电感在工作时会产生热量，建议为高功率元件增加散热器或优化PCB散热设计，确保系统的长期稳定性。
增加测试：对此电路设计做完整的电源模块测试。
电流环的引入：硬件预留的电流采样，但软件中并未实现，加上电流环之后，可以实现给锂电池充电。
保护功能：引入硬件过流保护。