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，经常需要将低压直流电源转换为高压直流电源。传统方案采用分立元件搭建，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。

TPS61170是TI推出的高压升压转换器，具有以下关键特性：

• 输入电压范围3-18V，输出电压最高可达38V
• 集成1.2A/40V功率MOSFET
• 固定1.2MHz开关频率
• 效率最高达93%
• 支持升压、SEPIC等多种拓扑结构
• 6引脚2x2mm QFN封装

PIC18F65K40作为控制核心的优势：

• 64KB Flash程序存储器
• 8通道PWM输出
• 12位ADC模块
• 支持I2C/SPI通信接口
• 工作电压2.3-5.5V
• 低至50nA的休眠电流

2. 硬件电路设计详解

2.1 升压转换电路设计

典型应用电路如图1所示，关键元件选型原则：

1. 电感选择：

   • 推荐值4.7-10μH
   • 饱和电流需大于峰值开关电流
   • 低DCR以减小损耗
   • 例如：Coilcraft MSS1048系列

2. 输出电容：

   • 低ESR陶瓷电容
   • 电压等级需高于输出电压
   • 典型值22μF/50V

3. 二极管选择：

   • 快恢复二极管
   • 反向电压>40V
   • 例如：B340A

4. 反馈电阻计算： Vout = 1.229×(1+R1/R2) 取R2=10kΩ时，R1=(Vout/1.229-1)×10k

2.2 微控制器接口设计

PIC18F65K40与TPS61170的连接方式：

1. PWM输出引脚连接CTRL引脚
   • 用于动态调节输出电压
   • 频率建议10-100kHz
2. ADC通道监测：
   • 输入电压监测
   • 输出电压监测
   • 负载电流监测
3. GPIO控制：
   • EN引脚使能控制
   • 故障状态监测

3. 软件控制策略实现

3.1 基础电压调节程序

// PIC18F65K40初始化设置 void PWM_Init(void) { PR2 = 0xFF; // PWM周期 CCP1CON = 0x0C; // PWM模式 T2CON = 0x04; // 定时器2预分频1:1 TRISCbits.TRISC2 = 0; // CCP1输出 } void SetOutputVoltage(float voltage) { uint16_t duty; if(voltage < 5.0) voltage = 5.0; if(voltage > 38.0) voltage = 38.0; // 计算对应PWM占空比 duty = (uint16_t)((voltage - 5.0)/33.0 * 255.0); CCPR1L = duty >> 2; CCP1CONbits.DC1B = duty & 0x03; }

3.2 高级控制功能实现

1. 软启动功能：

void SoftStart(float target_voltage, uint16_t duration_ms) { float step = target_voltage / (duration_ms / 10.0); float current_voltage = 0; while(current_voltage < target_voltage) { current_voltage += step; if(current_voltage > target_voltage) current_voltage = target_voltage; SetOutputVoltage(current_voltage); __delay_ms(10); } }

2. 过载保护逻辑：

#define CURRENT_THRESHOLD 1.0 // 1A过流阈值 void CheckCurrent(void) { float current = ReadADCCurrent(); // 读取电流ADC值 if(current > CURRENT_THRESHOLD) { DisableConverter(); SetFaultLED(1); // 其他保护动作... } }

4. 实际调试经验与问题解决

4.1 常见问题排查

1. 输出电压不稳定：

   • 检查反馈电阻焊接
   • 确认电感未饱和
   • 测量输入电源稳定性

2. 转换效率低：

   • 测量各元件温升
   • 检查二极管正向压降
   • 确认PCB布局合理

3. 芯片发热严重：

   • 检查负载电流
   • 确认散热设计
   • 测量开关波形

4.2 PCB布局要点

1. 功率回路最小化：

   • 输入电容靠近VIN引脚
   • 二极管、电感、输出电容紧凑布局

2. 地平面设计：

   • 区分功率地和信号地
   • 单点连接

3. 热设计考虑：

   • 芯片底部散热焊盘充分连接
   • 必要时添加散热过孔

5. 性能测试与优化

5.1 基础性能测试

测试条件：输入12V，输出24V/150mA

• 效率：实测91.5%
• 纹波电压：<50mVpp
• 负载调整率：<1%
• 线性调整率：<0.5%

5.2 动态响应测试

使用电子负载进行阶跃测试：

• 50mA→300mA阶跃
• 输出电压跌落<200mV
• 恢复时间<500μs

优化方法：

1. 调整补偿网络
2. 增加输出电容
3. 优化控制算法

6. 应用实例扩展

6.1 可调高压电源

通过PIC18F65K40的UART接口接收上位机指令，实现：

• 输出电压0-38V可调
• 电流限制设置
• 保护参数配置
• 运行状态监控

6.2 多路输出方案

利用TPS61170的Easyscale协议：

1. 主输出：固定24V
2. 从输出：通过CTRL引脚调节
3. 实现正负双电源输出

6.3 电池供电应用

针对3.7V锂电升压应用：

• 低电压输入优化
• 轻载效率提升
• 电池电量监测

在调试过程中发现，当输入电压接近输出电压时，转换器会进入不稳定的过渡模式。解决方法是在软件中设置最小占空比限制，确保稳定工作。