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1. 高电压DC-DC升压转换系统概述

在工业控制、医疗设备和新能源领域，高电压DC-DC升压转换是一个常见但极具挑战性的需求。传统方案往往面临效率低下、体积庞大或可靠性不足的问题。基于TPS61170和PIC18F87J11的组合方案，能够实现3-18V输入、最高38V输出的高效转换，特别适合需要紧凑型高压电源的嵌入式应用场景。

TPS61170是德州仪器推出的1.2A开关电流能力的高压升压转换器，采用2x2mm QFN封装，具有93%的峰值效率。其1.2MHz固定开关频率允许使用小型电感和陶瓷电容，显著减小方案体积。而PIC18F87J11作为Microchip的8位增强型单片机，提供丰富的外设接口和ADC资源，非常适合实现电源系统的智能控制。

这个组合方案的核心价值在于：

• 高压输出能力：支持最高38V输出，满足大多数工业传感器、显示驱动等高压需求
• 高效率转换：轻载时采用跳周期模式，重载时保持93%的转换效率
• 智能调控：通过MCU实现输出电压的动态调整和故障保护
• 紧凑设计：整体方案面积可控制在3cm²以内

2. TPS61170关键特性与工作原理

2.1 器件架构与参数特性

TPS61170采用电流模式控制的升压拓扑架构，内部集成1.2A/40V的功率MOSFET。其关键电气参数包括：

• 输入电压范围：3V至18V
• 输出电压范围：3V至38V（受占空比限制）
• 开关频率：1.2MHz（固定）
• 静态电流：2.3μA（典型值）
• 工作温度：-40℃至125℃

器件采用6引脚QFN封装（DRV封装），引脚定义如下：

1. EN：使能控制（高电平有效）
2. GND：功率地
3. SW：开关节点（连接电感和续流二极管）
4. FB：反馈引脚（基准电压1.229V）
5. CTRL：参考电压调节/数字接口
6. VIN：电源输入

2.2 升压转换原理分析

TPS61170的基本升压工作原理可分为两个阶段：

1. 开关导通阶段（SW=GND）：

   • 内部MOSFET导通，电感电流线性上升
   • 电能存储在电感磁场中
   • 输出电容单独向负载供电

2. 开关关断阶段（SW=开路）：

   • 电感电流通过续流二极管流向输出端
   • 电感释放存储能量，与输入电压叠加后向输出供电
   • 同时为输出电容充电

输出电压由以下公式决定： Vout = Vin × (1 / (1 - D)) 其中D为占空比，最大限制在93%。实际设计中需考虑二极管压降和MOSFET导通电阻带来的损耗。

2.3 特殊功能机制

TPS61170提供了几个值得关注的特色功能：

1. Easyscale™数字接口： 通过CTRL引脚的单线接口，可以动态调整FB引脚的基准电压（1.229V至0.6V可调），实现输出电压的软件控制。典型调节步长为10mV。

2. 轻载跳周期模式： 当负载电流低于设定阈值时，芯片自动进入跳周期工作模式，跳过部分开关周期以维持输出电压，显著提高轻载效率。

3. 内置保护功能：

   • 逐周期电流限制（1.2A典型值）
   • 热关断（150℃阈值）
   • 软启动（约1ms时间）

3. 硬件电路设计与元件选型

3.1 典型应用电路设计

基于TPS61170的完整升压转换电路包含以下关键部分：

1. 功率级设计：

   • 输入电容：建议使用10μF X7R陶瓷电容（耐压≥25V）
   • 功率电感：4.7μH至10μH（饱和电流≥1.5A，如TDK VLS252010ET-4R7M）
   • 续流二极管：40V/1A肖特基（如B140-13-F）
   • 输出电容：22μF X7R陶瓷电容（耐压≥50V）

2. 反馈网络设计： 输出电压由电阻分压网络设定： Vout = 1.229V × (1 + R1/R2) 典型取R2=10kΩ，R1根据所需输出电压计算

3. 控制接口设计： CTRL引脚可通过电阻分压或直接连接MCU PWM输出 EN引脚建议接MCU GPIO实现使能控制

3.2 关键元件选型要点

1. 电感选型考量：

   • 电感值选择需权衡纹波电流和瞬态响应
   • 4.7μH适合3-5V输入，10μH适合12V以上输入
   • 直流电阻(DCR)影响效率，建议<100mΩ
   • 饱和电流需留30%余量

2. 二极管选择标准：

   • 反向耐压≥最大输出电压
   • 正向压降影响效率，肖特基二极管优选
   • 开关速度需匹配1.2MHz频率

3. 电容选择建议：

   • 低ESR陶瓷电容为首选
   • X7R或X5R介质，避免Y5V
   • 输入电容耐压≥最大输入电压
   • 输出电容耐压≥最大输出电压

3.3 PCB布局指南

高压DC-DC设计对PCB布局极为敏感，需遵循以下原则：

1. 功率回路最小化：

   • 输入电容→电感→SW引脚形成的小环路面积
   • SW引脚→二极管→输出电容形成的回路面积

2. 热管理设计：

   • 在SW和GND引脚下方布置散热过孔阵列
   • 避免在芯片底部走敏感信号线

3. 信号隔离：

   • FB走线远离噪声源（SW、电感等）
   • 反馈电阻尽量靠近FB引脚放置
   • CTRL信号可考虑添加RC滤波

4. PIC18F87J11控制系统实现

4.1 微控制器资源分配

PIC18F87J11作为系统控制核心，需合理分配其外设资源：

1. ADC模块：

   • 通道0：输入电压监测
   • 通道1：输出电压监测
   • 通道2：输出电流检测（通过采样电阻）

2. PWM模块：

   • 使用ECCP模块产生CTRL信号
   • 建议10kHz PWM频率，8位分辨率

3. GPIO分配：

   • RA0：TPS61170 EN控制
   • RB0：故障指示灯
   • RB1：电源就绪信号

4.2 控制算法实现

系统采用电压-电流双闭环控制策略：

1. 电压环（外环）：

   • 每10ms采样一次输出电压
   • PI控制算法调整PWM占空比
   • 过压保护阈值设为设定值的110%

2. 电流环（内环）：

   • 每1ms采样一次电感电流
   • 限制最大电流不超过1A
   • 短路保护响应时间<100μs

3. 状态机设计：

   • 初始化状态：软启动过程
   • 运行状态：正常调节
   • 保护状态：故障处理
   • 待机状态：低功耗模式

4.3 软件实现要点

使用MPLAB X IDE开发环境，关键代码结构如下：

1. 初始化代码：

void TPS61170_Init(void) { TRISAbits.RA0 = 0; // EN as output ANSELBbits.ANSB0 = 1; // ADC input // PWM configuration PR2 = 249; // 10kHz PWM CCP1CON = 0b1100; // PWM mode CCPR1L = 128; // 50% duty initial T2CON = 0b00000100; // Timer2 on, prescaler 1 }

2. 控制循环代码：

void Control_Loop(void) { static uint16_t v_out, i_out; v_out = ADC_Read(1); // Read output voltage i_out = ADC_Read(2); // Read output current // Voltage PI control v_err = v_setpoint - v_out; v_integral += v_err; pwm_duty = Kp_v * v_err + Ki_v * v_integral; // Current limiting if(i_out > I_MAX) { pwm_duty -= 10; fault_count++; } Update_PWM(pwm_duty); }

3. 保护机制实现：

void __interrupt() Fault_ISR(void) { if(INTCONbits.TMR0IF) { // 1ms timer Check_Protections(); INTCONbits.TMR0IF = 0; } } void Check_Protections(void) { if(v_out > V_OVP) { LATAbits.LATA0 = 0; // Disable TPS61170 Fault_Shutdown(); } }

5. 系统调试与性能优化

5.1 启动问题排查

在实际调试中，常见的启动问题包括：

1. 无输出或输出电压低：

   • 检查EN引脚电平（应>1.5V）
   • 测量SW引脚波形（应有1.2MHz方波）
   • 确认反馈电阻分压比正确

2. 启动振荡现象：

   • 增加软启动电容（典型100nF）
   • 检查输入电源阻抗（建议增加10μF陶瓷电容）
   • 调整补偿网络（RC串联在COMP引脚）

3. 过热保护触发：

   • 测量电感温度（应<85℃）
   • 检查负载电流是否超限
   • 优化PCB散热设计

5.2 效率优化技巧

提升系统效率的关键措施：

1. 轻载效率优化：

   • 启用跳周期模式（CTRL引脚接高）
   • 选择低Qg的肖特基二极管
   • 降低开关频率（不适用于TPS61170）

2. 重载效率提升：

   • 选择DCR更小的电感
   • 使用更低VF的二极管
   • 优化布局减小寄生参数

3. 待机功耗控制：

   • 不使用时通过EN引脚关断
   • 选择低功耗的反馈电阻（>100kΩ）
   • 关闭MCU未使用的外设

5.3 电磁兼容(EMI)处理

针对高频开关电源的EMI问题：

1. 传导干扰抑制：

   • 输入级添加π型滤波（10μH+2×10μF）
   • 使用三端电容滤波敏感信号
   • 保持地平面完整

2. 辐射干扰控制：

   • 关键节点使用短而宽的走线
   • 敏感信号远离SW和电感
   • 必要时添加屏蔽罩

3. 测试验证方法：

   • 使用近场探头定位辐射源
   • 传导测试时注意LISN接地
   • 多批次测量确保一致性

6. 典型应用案例与扩展设计

6.1 工业传感器供电方案

为24V工业传感器提供紧凑型电源：

• 输入：12V DC（范围9-18V）
• 输出：24V/200mA
• 关键设计点：
  • 使用8.2μH功率电感（Würth 744771368）
  • 反馈电阻R1=180kΩ，R2=10kΩ
  • 添加2.2μF输入滤波电容

6.2 多路输出电源设计

基于TPS61170的正负输出方案：

• 主输出：+15V/100mA
• 辅助输出：-15V/50mA
• 实现方法：
  • 采用SEPIC拓扑结构
  • 增加电荷泵产生负压
  • 使用两个反馈网络

6.3 与电池系统的集成设计

3.7V锂电升压至12V系统：

• 输入：3.0-4.2V（单节锂电）
• 输出：12V/300mA
• 特殊考虑：
  • 低电压启动问题
  • 电池保护电路集成
  • 动态电压调整（随电池放电）

在实际部署中发现，当输入电压接近输出电压时，转换效率会明显下降。针对这种情况，可以通过MCU动态调整工作模式：当Vin>10V时，切换至旁路模式（通过MOSFET直通），可使系统效率提升15%以上。