基于单片机的Boost升压斩波电源电路

为实现高精度控制，本设计采用 DAC（数字模拟转换器）与 PWM（脉宽调制）协同控制方式，通过实时采集输出电压，与设定目标电压进行比较，再由单片机根据误差调整 PWM 占空比，进而改变 Boost 电感储能时间，最终实现稳定的升压输出。控制系统具备较高的响应速度与抗干扰能力，但由于 Boost 升压电路工作频率高，仿真中会出现卡顿或警告提示，这是仿真软件对于高频电力电子电路计算量大的正常现象，一般不会影响电路结果。

当输出电压越高时，由于电路开关损耗、二极管压降、电感等效电阻等影响，电压误差会增大，大约控制在 ±1V 范围内，属合理误差。同时，为避免仿真崩溃造成项目文件损坏，在仿真前应做好工程备份是非常重要的操作习惯。

3.2 按钮设定输出电压
用户可通过独立按键提高或降低设定电压值，单片机内部设定一个目标电压变量，并实时显示在 LCD 上。

3.3 LCD 显示当前电压与设定电压
LCD 显示内容包括：

• 实时采集输出电压；
• 用户设定的输出电压；
• 占空比变化状态等运行信息。

3.4 DA 转换 + PWM 控制方式
控制策略如下：

• 单片机采集输出电压；
• 与目标电压比较求出误差；
• 将误差转换为控制量输出至 DAC；
• DAC 输出电压送入 PWM 控制电路，形成闭环调整；
• PWM 调整 MOS 管占空比，实现升压调节。

3.5 仿真特性与注意事项

• 工作频率高导致仿真卡顿，属于正常现象；
• 仿真出现多个警告，可忽略；
• 输出电压越高误差越大，受开关损耗与电感参数影响；
• 仿真前必须备份工程文件避免丢失。

4.1 单片机最小系统模块

单片机作为整个系统的大脑，负责电压采集、控制计算、DAC 输出控制与 PWM 调节。
最小系统包括：

• 时钟电路：为 MCU 提供稳定运行频率；
• 复位电路：保证系统上电后统一初始化；
• 电源稳压模块：给单片机提供稳定 5V 电源。

4.2 按键输入模块

按键模块用于用户设定输出电压，分为加电压按键、减电压按键及菜单选择按键等：

• 采用独立按键加上上拉电阻；
• 单片机使用按键扫描并进行软件消抖；
• 按键结果用于修改目标电压变量。

4.3 LCD 显示模块

使用字符型 LCD1602 或 OLED 显示屏：

• 显示当前采样电压；
• 显示电压设定值；
• 显示 PWM 占空比；
• 实时体现控制系统状态。

驱动方式可采用 4 线或 I2C 接口，节省 I/O 引脚。

4.4 ADC 电压采样模块

ADC 模块用于读取输出端电压，经分压后输入 MCU ADC 通道：

• 分压比计算确保高电压分压到 MCU 可测范围；
• MCU 将 ADC 值转换为实际电压值；
• 电压采样频率需与 Boost 高频开关动作同步或滤波。

4.5 DAC 输出模块

DAC 输出用于输出控制电压作为 PWM 调节参考量：

• 可采用单片机内置 DAC 模块或外接 DAC（如 MCP4921）；
• DAC 输出电压用于调节 PWM 发生器参考；
• 提供平滑模拟电压，适配高频 PWM 控制需求。

4.6 PWM 发生器模块

PWM 由单片机输出：

• 控制 MOSFET 导通时间；
• 调整占空比改变 Boost 电感储能时间；
• 电压误差越大，占空比变化幅度越明显。

PWM 频率通常设置为几十 kHz 以上以满足 Boost 工作需求。

4.7 Boost 升压斩波电路模块

升压电路由以下组成：

• 电感：储能元件，影响电流纹波；
• 二极管：常采用肖特基二极管减少压降；
• MOSFET：高频开关，受 PWM 控制；
• 输出电容：储能并滤波，保持电压稳定。

工作原理：

• PWM 高电平：MOSFET 导通 → 电感储能；
• PWM 低电平：MOSFET 关断 → 电感释能 → 二极管导通 → 输出电容充电。

Boost 输出电压公式：

Vout = Vin / (1 - D)

D 为占空比。

5.1 主程序结构

void main() {
    System_Init();
    while(1) {
        Key_Scan();
        ADC_ReadVoltage();
        Control_Calc();
        DAC_Output();
        PWM_Update();
        LCD_Display();
    }
}

主循环不断采集电压并更新控制输出。

5.2 按键扫描模块

void Key_Scan() {
    if(Key_Up()) SetVolt += 1;
    if(Key_Down()) SetVolt -= 1;
    if(SetVolt > 20) SetVolt = 20;
    if(SetVolt < 5) SetVolt = 5;
}

用户可在 5V~20V 之间调整设定电压。

5.3 ADC 电压采集模块

void ADC_ReadVoltage() {
    adc_val = ADC_Read();
    OutVolt = adc_val * 20.0 / 4096; // 根据分压与 ADC 位数换算
}

采样值转换为实际输出电压。

5.4 控制算法计算模块

本系统采用简单误差比例调节（P 控制）方式：

void Control_Calc() {
    error = SetVolt - OutVolt;
    ctrl = Kp * error;
    if(ctrl > MAX_CTRL) ctrl = MAX_CTRL;
    if(ctrl < MIN_CTRL) ctrl = MIN_CTRL;
}

ctrl 值用于控制 DAC 输出。

5.5 DAC 输出模块

void DAC_Output() {
    DAC_Write(ctrl);
}

DAC 输出模拟电压作为 PWM 控制基准。

5.6 PWM 调节模块

void PWM_Update() {
    PWM_SetDuty(ctrl * duty_scale);
}

占空比随 DAC 控制量变化。

5.7 LCD 显示模块

void LCD_Display() {
    LCD_Print("Set:", SetVolt);
    LCD_Print("Out:", OutVolt);
}

LCD 实时显示设定与输出电压。