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（如5V或12V）升压至更高电压（如24V或36V）为特定负载供电。传统方案采用分立元件搭建升压电路，但存在效率低、体积大、稳定性差等问题。而采用专用DC-DC升压转换芯片配合微控制器，能实现更高效可靠的解决方案。

本方案选用TI的TPS61170作为核心升压器件，主要基于以下考量：

• 宽输入电压范围（3V-18V）：适配多种电源输入场景，包括锂电池组（7.4V/11.1V）、12V适配器等
• 高输出电压能力（最高38V）：满足大多数高压负载需求，如工业传感器、真空荧光管驱动等
• 集成1.2A功率MOSFET：简化外围电路设计，降低BOM成本
• 1.2MHz固定开关频率：允许使用小型电感（典型值4.7μH）和陶瓷电容，减小PCB面积

微控制器选用Microchip的PIC18F57Q43，因其具备：

• 硬件PWM模块：支持1MHz以上频率，精准控制TPS61170的CTRL引脚
• 12位ADC：实时监测输入/输出电压，实现闭环调节
• 低至1.8V工作电压：在输入电压跌落时仍能保持运行

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）通过控制开关管周期性通断，在电感储能和释放过程中实现电压提升。当开关管导通时，电感电流线性增加；关断时，电感通过二极管向输出电容和负载释放能量，此时输出电压为输入电压与电感感应电压之和。

TPS61170采用峰值电流模式控制，其工作周期由以下因素决定：

1. 内部比较器检测电感电流峰值
2. 误差放大器比较FB引脚电压与内部基准（1.229V）
3. PWM调制器根据上述信号调整占空比

2.2 关键元件选型计算

假设设计需求：输入5V→输出24V@150mA

电感选择： 最小电感值由下式决定：

L_min = (V_in × D) / (ΔI_L × f_sw)

其中：

• D = 1 - (V_in/V_out) = 1 - (5/24) ≈ 0.79
• 取电流纹波率r=0.4，则ΔI_L = r × I_out / (1-D) = 0.4×0.15/(1-0.79) ≈ 0.286A
• f_sw = 1.2MHz

计算得：

L_min = (5×0.79)/(0.286×1.2e6) ≈ 11.5μH

实际选用15μH/1.5A饱和电流的屏蔽电感（如TDK VLS201510ET-150M）

输出电容计算： 为满足输出电压纹波≤1%（即240mV）：

C_out ≥ I_out × D / (f_sw × ΔV_out) = 0.15 × 0.79 / (1.2e6 × 0.24) ≈ 0.41μF

考虑负载瞬态响应，选用10μF/50V X7R陶瓷电容（如Murata GRM32ER71H106KA12L）

二极管选型： 需满足：

• 反向耐压 > V_out = 24V
• 平均电流 > I_out = 150mA
• 快恢复特性（trr < 50ns）

选用肖特基二极管B340A（40V/3A，VF≈0.5V）

3. 硬件实现与PCB设计要点

3.1 典型应用电路

TPS61170外围电路包含以下关键部分：

1. 功率回路：

   • 输入滤波：10μF X7R陶瓷电容靠近VIN引脚
   • 电感连接：SW引脚至电感，走线宽度≥1mm
   • 输出整流：肖特基二极管阳极接SW，阴极接输出电容

2. 反馈网络：

   • 分压电阻计算：V_out = 1.229×(1+R1/R2) 取R2=10kΩ，则R1=10k×(24/1.229-1)≈185kΩ（选用187kΩ 1%精度电阻）
   • FB引脚走线远离噪声源，必要时加100pF滤波电容

3. 控制接口：

   • CTRL引脚可接PIC的PWM输出（建议频率100kHz-1MHz）
   • 使能引脚EN通过10k电阻上拉到VIN

3.2 PCB布局规范

1. 层叠设计：

   • 4层板优选方案：
     • 顶层：信号走线+功率元件
     • 内层1：完整地平面
     • 内层2：电源层（分割为输入/输出区域）
     • 底层：控制信号走线

2. 热管理措施：

   • TPS61170底部散热焊盘必须通过多个过孔连接至地平面
   • 功率电感与二极管周围预留通风空间
   • 持续满载时建议添加铜箔散热区域

3. 噪声抑制技巧：

   • 输入/输出电容尽量靠近芯片引脚
   • SW节点面积最小化（<30mm²）
   • 敏感模拟地（如FB分压电阻）采用星型单点接地

4. 软件控制策略与优化

4.1 PIC18F57Q43配置流程

// 初始化PWM模块（控制TPS61170输出电压） void PWM_Init(void) { TRISCbits.TRISC5 = 0; // 设置RC5为输出（PWM1） PWM1CON = 0x80; // 使能PWM模块 PWM1CLKCON = 0x01; // 时钟源=Fosc/4 (16MHz/4=4MHz) PWM1PH = 0x00; // 相位=0 PWM1DC = 0x8000; // 初始占空比50%（16位分辨率） PWM1PR = 39; // 周期=40个时钟周期（4MHz/40=100kHz） PWM1LDCON = 0x80; // 使能PWM输出 } // ADC采样函数（监测输入/输出电压） uint16_t ADC_Read(uint8_t ch) { ADCON0bits.CHS = ch; // 选择通道（AN0=输入电压，AN1=输出电压） ADCON0bits.GO = 1; // 启动转换 while(ADCON0bits.GO); // 等待转换完成 return ((ADRESH << 8) | ADRESL); }

4.2 动态电压调节算法

通过PWM信号调节TPS61170的CTRL引脚，可实现输出电压的动态调整。CTRL引脚接受两种控制方式：

1. Easyscale™数字接口：单线协议，适合精确设定
2. PWM模拟调节：占空比与输出电压成反比

实测PWM控制特性（f_PWM=100kHz时）：

实现软启动的代码示例：

void Soft_Start(uint16_t target_voltage) { uint16_t current_voltage = ADC_Read(1); while(current_voltage < target_voltage) { PWM1DC += 50; // 逐步增加PWM占空比 __delay_ms(10); current_voltage = ADC_Read(1); // 过压保护 if(current_voltage > target_voltage * 1.1) { PWM1DC = 0; break; } } }

5. 实测性能与故障排查

5.1 效率测试数据

在输入5V、输出24V条件下：

注意：当输入电压低于4V时，效率会快速下降（约降低5-8%），建议保持输入≥4.5V

5.2 常见问题解决方案

问题1：启动时输出电压振荡

• 检查FB分压电阻布局（远离电感）
• 在FB引脚添加100pF-1nF电容
• 确保软启动时间≥1ms（可通过增大SS引脚电容实现）

问题2：重载时输出电压跌落

• 确认输入电源能力足够（5V输入时需≥1A余量）
• 检查电感饱和电流（需＞1.5倍最大负载电流）
• 测量输入线压降（建议线径≥22AWG）

问题3：轻载时有音频噪声

• 在输出端添加假负载（如10kΩ电阻）
• 检查电感规格（推荐带胶芯的屏蔽电感）
• 尝试调整PWM频率（通过CTRL引脚）

6. 进阶应用扩展

6.1 多拓扑配置方案

TPS61170除标准升压模式外，还可配置为：

1. SEPIC拓扑：实现升降压功能，适合输入电压波动大的场景

   • 需增加耦合电感（如Würth Elektronik 744873115）
   • 典型电路差异：
     • 增加隔直电容（1μF/50V）
     • 电感改为两个独立绕组

2. 反激式拓扑：实现隔离输出

   • 选用带气隙的变压器（如Coilcraft LPD6235-103MLB）
   • 需调整反馈网络为光耦隔离方案

6.2 多模块并联同步

对于需要更高输出电流（＞1.2A）的应用：

1. 主从模式：

   • 主模块CTRL引脚接PWM信号
   • 从模块CTRL引脚接主模块的SYNC输出
   • 各模块FB引脚通过电阻网络合并

2. 交错并联：

   • 设置不同模块PWM相位差（如两模块相差180°）
   • 可降低输入电流纹波约30%

6.3 与PIC18F57Q43的深度集成

利用MCU高级外设可实现：

1. 数字闭环控制：

   void Voltage_Control(void) { static uint16_t target = 2400; // 24.00V uint16_t actual = ADC_Read(1); int16_t error = target - actual; // PI控制器 static int32_t integral = 0; integral += error; if(integral > 10000) integral = 10000; if(integral < -10000) integral = -10000; int16_t output = error * 5 + integral / 100; PWM1DC = constrain(output, 0, 65535); }

2. 故障保护系统：

   • 利用PIC的CLC模块实现硬件级保护
   • 配置ADC自动触发过压/欠压检测
   • 通过NCO模块生成精确的PWM频率

在实际部署中，建议先用TPS61170EVM-280评估板验证设计，再移植到自定义PCB。调试时重点关注SW节点波形（应呈现清晰的方波）和电感电流（连续模式时三角波，断续模式时锯齿波）。对于噪声敏感应用，可在输入/输出端添加π型滤波器（如10μH+2×10μF）。