基于TPS61170与STM32的高效DC-DC升压转换器设计-平芜编程栈

1. 项目背景与核心器件选型

在工业控制、医疗设备和汽车电子等领域，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。本项目采用TI的TPS61170升压转换器与ST的STM32F071VB微控制器组合，实现高效可靠的DC-DC升压方案。

TPS61170是一款集成1.2A开关管的单片升压转换器，具有以下突出特性：

输入电压范围3-18V，输出电压最高可达38V
固定1.2MHz开关频率，支持小型电感和陶瓷电容
集成软启动、过流保护和热关断功能
6引脚2x2mm QFN封装，节省PCB空间

STM32F071VB作为控制核心，其优势在于：

Cortex-M0内核，48MHz主频满足实时控制需求
丰富的外设资源，特别是高级定时器可生成精确PWM
低至1.65V的工作电压，与TPS61170直接兼容
成本效益比高，适合工业级应用

2. 硬件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)通过控制开关管通断，使电感储能-释能，实现输出电压高于输入电压。其基本关系为： Vout = Vin / (1 - D) 其中D为开关管导通占空比。实际设计中还需考虑二极管压降、电感直流电阻等损耗因素。

2.2 功率级元件选型计算

以输入12V升压至24V/150mA为例：

电感选择：临界电感值Lmin = (Vin × D) / (ΔIL × fsw) 取ΔIL=20%Iout(max)，fsw=1.2MHz D = 1 - (Vin/Vout) = 0.5 Lmin = (12×0.5)/(0.2×0.15×1.2e6) ≈ 16.7μH 实际选用22μH/1.5A饱和电流的屏蔽电感
输出电容：纹波电压ΔVout = Iout × D / (Cout × fsw) 目标纹波<100mV，则： Cout > (0.15×0.5)/(0.1×1.2e6) ≈ 6.25μF 选用10μF/50V X7R陶瓷电容
二极管选择：反向电压需>Vout，电流能力>Iout 选用40V/1A肖特基二极管如B140

2.3 典型应用电路

完整电路包含以下关键部分：

输入滤波：10μF陶瓷电容+100nF去耦
功率级：TPS61170+电感+二极管+输出电容
反馈网络：电阻分压使FB脚电压=1.229V
PWM控制：STM32定时器输出连接CTRL引脚

3. STM32 PWM配置与闭环控制

3.1 定时器配置步骤

使用STM32CubeMX配置TIM1：

时钟源选择内部时钟，预分频器设为0
计数模式为向上，自动重装载值ARR=399
通道1设为PWM模式1，比较值CCR初始为200
死区时间设为最小，输出极性高有效

对应寄存器配置：

TIM1->PSC = 0; TIM1->ARR = 399; TIM1->CCR1 = 200; TIM1->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1; TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC1E; TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE; TIM1->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

3.2 电压闭环控制算法

采用增量式PID算法实现稳压：

float PID_Update(PID_TypeDef *pid, float error) { float p_term = pid->Kp * error; pid->integral += pid->Ki * error; pid->integral = constrain(pid->integral, -100, 100); float d_term = pid->Kd * (error - pid->last_error); pid->last_error = error; return p_term + pid->integral + d_term; } void Adjust_PWM(uint16_t new_duty) { new_duty = constrain(new_duty, 50, 350); // 限制占空比范围 TIM1->CCR1 = new_duty; }

4. 实测性能优化与问题排查

4.1 效率提升技巧

实测中发现以下优化点：

电感DCR影响：选用DCR<0.1Ω的电感可提升2-3%效率
布局优化：开关回路面积控制在<50mm²，降低辐射损耗
二极管选择：肖特基比快恢复二极管效率高约5%

4.2 常见问题解决方案

启动失败：
- 检查EN引脚电平>1.5V
- 确认输入电压>3V且未过压
- 测量SW引脚应有1.2MHz方波
输出电压不稳：
- 反馈电阻分压比误差应<1%
- CTRL引脚需加100nF滤波电容
- 检查电感是否饱和
过热保护触发：
- 测量实际负载电流是否超限
- 检查PCB散热设计，必要时增加铜箔面积

5. 进阶应用与扩展

5.1 多路输出实现

通过TPS61170+变压器可扩展出隔离输出：

采用反激拓扑，增加1:1隔离变压器
次级整流后得到与初级相同的电压
注意增加RCD吸收电路保护开关管

5.2 数字调压接口

利用STM32的USART实现调压指令接收：

void USART1_IRQHandler(void) { if(USART1->ISR & USART_ISR_RXNE) { uint8_t cmd = USART1->RDR; if(cmd == 'U') target_voltage += 1.0; else if(cmd == 'D') target_voltage -= 1.0; } }

实际测试数据显示：