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基于TPS61170的智能DC-DC升压转换器设计与实现

news 2026/7/10 9:26:48

1. 项目背景与核心器件选型

在工业控制、医疗设备和实验室仪器等领域，经常需要将较低的直流电压转换为更高的直流电压。传统的线性稳压器无法满足升压需求，而开关电源方案中，DC-DC升压转换器因其高效率、小体积等优势成为首选方案。本次项目选用TI的TPS61170作为核心升压芯片，配合Microchip的PIC18F4525单片机实现智能控制，构建一个输入3-18V、输出最高38V的可调升压系统。

TPS61170这颗芯片有几个突出特点让我最终选择了它：

集成1.2A/40V的MOSFET开关管，省去外部分立器件
1.2MHz固定开关频率，允许使用小型电感
轻载时自动切换至脉冲跳跃模式提升效率
6引脚2x2mm QFN封装，节省PCB空间
内置软启动、过流保护和热关断功能

PIC18F4525作为控制核心，其优势在于：

自带PWM模块和ADC模块，适合电源控制
44引脚TQFP封装便于手工焊接
兼容5V工作电压，与TPS61170接口简单
充足的GPIO可用于状态指示和通信接口

2. 电路设计与关键参数计算

2.1 升压拓扑基础原理

升压转换器(Boost Converter)的工作原理基于电感的储能特性。当开关管导通时，电感存储能量；开关管关断时，电感电压与输入电压叠加，通过二极管向输出电容充电。输出电压与占空比D的关系为： Vout = Vin / (1 - D)

TPS61170采用电流模式控制，相比电压模式具有更好的线性调整率和负载调整率。其内部框图包含误差放大器、PWM比较器、斜率补偿电路等关键模块。

2.2 外围元件选型计算

以输入5V升压至24V/150mA为例，计算关键元件参数：

电感选择：电感电流纹波通常取最大输入电流的20%-40%。根据公式： L = (Vin × D) / (ΔI × fsw) 其中D=1-Vin/Vout=0.79，fsw=1.2MHz 计算得L≥4.7μH，选用Coilcraft的XFL4020-472ME（4.7μH/1.5A）

输出电容：考虑输出电压纹波要求≤100mV： Cout ≥ Iout × D / (fsw × ΔVout) 计算得Cout≥10μF，实际选用2颗10μF/50V X7R陶瓷电容并联

反馈电阻：FB引脚基准电压1.229V，电阻分压比： R1/R2 = (Vout/1.229) - 1 对于24V输出，取R2=10kΩ，则R1=185kΩ（可用180kΩ+5.1kΩ串联）

二极管选择：需承受最大输出电压和峰值电流，选用MBRS340T3（40V/3A肖特基）

3. PCB布局与电磁兼容设计

3.1 关键布局原则

功率回路最小化：SW引脚→电感→二极管→输出电容的环路面积要尽可能小，使用短而宽的走线
地平面分割：将功率地(PGND)与信号地(AGND)单点连接，避免噪声耦合
热设计：TPS61170的散热焊盘必须良好焊接到大面积铜箔，必要时添加过孔到背面散热
敏感信号隔离：FB反馈走线远离SW等高噪声区域，必要时采用保护环设计

3.2 实测EMI优化技巧

在原型测试中发现开关节点存在约50MHz的振铃，通过以下措施改善：

在SW引脚与二极管间串联2.2Ω电阻
在二极管阴极对地添加100pF电容
使用屏蔽电感替代开放式电感
在输入输出端添加共模扼流圈（如DLW21HN系列）

4. 单片机控制实现方案

4.1 硬件接口设计

PIC18F4525与TPS61170的接口非常简单：

用PWM1输出控制CTRL引脚实现动态调压
ADC0通道监测输出电压
GPIO控制EN引脚实现软启动/关断
预留UART接口用于PC通信

4.2 核心控制算法

// 电压闭环控制示例代码 #define TARGET_VOLTAGE 2400 // 24.00V void main() { ADC_Init(); PWM1_Init(5000); // 5kHz PWM频率 while(1) { uint16_t adc_val = ADC_Read(0); int error = TARGET_VOLTAGE - adc_val; // 简单PI控制 static int integral = 0; integral += error; if(integral > 1000) integral = 1000; if(integral < -1000) integral = -1000; uint8_t duty = 50 + error/10 + integral/100; PWM1_SetDuty(duty); __delay_ms(10); } }