第三十一课--Microduino与Buck电路/zh

Microduino与Buck电路

目的 本教程通过Microduino的D10脚输出PWM波形，进而驱动P沟道场效应管，使读者了解buck电路的实现原理，掌握Microduino输出PWM波形的实现方法。 设备 Microduino-Core Microduino-Core 是以 Atmel ATmega328P为核心的8位单片机开发核心板，是一个开源的、与 Arduino UNO 兼容的控制器模块。 Microduino-USBTTL 下载程序模块，可直接与 Microduino-Core 或者Microduino-Core+ 相连，让他们与计算机通讯。它的下载接口用的是MicUSB，这也是Microduino小巧的一部分。Microduino大小与一枚一元硬币差不多大。下载线与绝大多数智能手机usb数据线是一样的，方便实用。 其他硬件设备 相关硬件 数量 功能 电感56uH 1A 1个 buck电路储能器件。 二极管1N5819 续流作用。工作频率比1N4007等普通整流管高。 电容10uF 16V 1个 输出端滤波。 若干 场效应管门极驱动电阻，LED限流电阻。 1个 P沟道场效应管，此示例工作于开关工作状态。 USB数据连接线 1条 连通Microduino模块与计算机。 面包板 1块 用于搭建电路。 面包板跳线 1盒 电气连接线。 场效应管 简介 场效应管分为N沟道与P沟道两种类型，类比于三极管的NPN与PNP两种类型。三个极分别是G(门极)，D(漏极)，S(源极)，类比于三极管的B，C，E。 场效应管属于电压控制型器件，开关频率可以做的比三极管高，用于高频开关电路时开关损耗小。该示例应用的AO3401属于P沟道小功率场效应管。 测量 用数字万用表测量场效应管时，可依据下图图中的二极管来判断场效应管的三个极，万用表打到二极管档（有蜂鸣器的那个档位）。对于P沟道场效应管来说，当万用表中的示数为4百多或5百多时，黑表笔接的是S(源极)，红表笔接的是D(漏极)，未接表笔的那个引脚是G(门极)。如果所测为N沟道场效应管，那么红表笔所接为源极，黑表笔所接为漏极。如果测量时万用表中显示示数不规律（测量6次，表中不止一次有示数），可先短接一下三个引脚再测量，目的是释放掉门极存储的电荷。场效应管损坏时最多的情况是击穿短路，三个引脚内部好像用导线连接在一起，万用表非常容易测得。N沟道场效应管(AO3400)与P沟道场效应管(AO3401)的PDF资料见下面链接，读者可对比分析。 N沟道场效应管AO3400文档下载：文件:AO3400.pdf P沟道场效应管AO3401文档下载：文件:AO3401.pdf buck电路 按键按下，即开关管导通时，Vin经开关把能量输入电感，同时也有一部分能量到了输出端（负载端）。 按键断开，即开关管断开时，电感中存储的能量通过二极管（这也解释了为啥叫续流二极管）传递给输出端。此时Vin不给负载提供能量。 有了电容的存在，输出端可以获得直流电。 不考虑二极管的压降，Vout=Vin*D （D代表占空比）。例如，占空比为0.2，输入Vin=12V，则输出电压为Vout=2.4V。即buck降压电路。调节占空比，可得到所需Vout。 buck电路属于开关电源电路，开关管工作于开关状态（非线性调整管状态），所以效率比线性调整式电源高。打个比方：如果输入是12V电压，需要输出5V，负载电流为0.1A。如果用7805（线性三端稳压器）来实现，那么电源消耗的功率约为1.2W，如果用buck电路来实现，那么电源消耗的功率约为0.5W。在实际工程应用中，如果PCB板供电是24V或是12V，要取得5V电压或是3.3V给MCU供电，采用buck电路是一种很好的选择。 注意：本示例中，D10脚输出高电平时，开关管处于截止状态。理论输出电压值Vout=Vin*（1-D）。D=OCR1B/OCR1A。 实验原理图 程序 void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(10, OUTPUT); TCCR1A =_BV(COM1A0) | _BV(COM1B1) | _BV(WGM11) | _BV(WGM10); TCCR1B =_BV(WGM12) |_BV(WGM13) | _BV(CS10); OCR1A=400;//change this value to get diff period OCR1A=400 F=40K OCR1B=300;//this value need modify to get diff duty cycle } void loop() { int myAnaValue=analogRead(A0); float myAnaVol=myAnaValue/1023.0*5; Serial.println(myAnaVol); delay(1000); } 调试 文件:Buck realConn.jpg 600px 参考上图用导线连接完毕并确认无误。 把程序复制到Arduino IDE中。 编译程序，选择正确的板卡与相应串口。 点击Upload，下载完毕后打开Arduino IDE自带的串口监视器，观察数据。 更改OCR1B的数值，重新烧写程序，再打开Arduino IDE自带的串口监视器，观察数据。 下图为笔者实测数据，供参考。实际输出电压与理论公式对比偏差很大，原因在于续流二极管存在压降，电感以及负载等参数不是很合理，电路搭建是依据笔者手头现有元器件而成。Microduino的D10脚占空比改变时，输出电压的变化趋势符合常理。 文件:Buck realConn.jpg 600px 再贴下示波器测量波形图，供参考。 D10脚波形 OCR1B=300 OCR1B=400 10uS/div 2V/div 文件:OCR1B=300 10uS 2V D10 Output.jpg 600px 去掉电容输出端图 OCR1B=300 OCR1B=400 10uS/div 2V/div 结果 该buck电路可在占空比改变时改变输出电压值。该示例仅用于Microduino的D10脚输出PWM矩形波来实现buck电路的演示，实际应用时需根据负载电压电流，输入电压等选择合适的元器件参数。对于开关管的驱动电路，实际应用时也会比该示例复杂，该文算是抛砖引玉，希望读者指正。 视频