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STM32控制TPS61170实现高效升压转换方案

STM32控制TPS61170实现高效升压转换方案
📅 发布时间：2026/7/13 8:10:11

1. 项目背景与核心器件选型

在工业控制和便携式设备领域，经常需要将低电压电源升压至较高电压等级。比如从3.7V锂电池升压到12V/24V为传感器、显示屏或电机驱动供电。TPS61170作为TI推出的高压升压转换器IC，配合STM32F091RC这类经济型MCU，可以构建高性价比的智能电源解决方案。

选择TPS61170的关键考量：

  • 输入电压范围3-18V，覆盖常见电池和电源适配器规格
  • 最高38V输出能力，满足大多数中高压需求
  • 集成1.2A/40V功率MOSFET，减少外部元件
  • 1.2MHz固定开关频率，允许使用小型电感
  • 6引脚2x2mm QFN封装，节省PCB空间

STM32F091RC的优势在于：

  • Cortex-M0内核，48MHz主频满足控制需求
  • 丰富的外设资源（PWM、ADC、USART等）
  • 64KB Flash+16KB RAM的存储配置
  • 3.6V工作电压与TPS61170直接兼容

2. 硬件电路设计详解

2.1 典型升压拓扑原理

TPS61170采用异步升压拓扑（Boost Converter），基本工作原理：

  1. 开关管导通时：电流通过电感储能，二极管截止，负载由输出电容供电
  2. 开关管关断时：电感释放能量，与输入电压叠加后通过二极管向输出供电
  3. 通过PWM占空比调节输出电压

电压转换关系： Vout = Vin / (1 - D) 其中D为占空比，理论最大93%

2.2 关键外围元件选型

电感选择：

  • 感值计算：L = (Vin × D) / (ΔIL × fsw) 例如Vin=5V, D=0.6, ΔIL=0.3A(20%额定), fsw=1.2MHz → L≈8.3μH
  • 推荐：10μH/1.5A饱和电流的屏蔽电感（如TDK VLS252010ET-100M）

输出电容：

  • 容量计算：Cout ≥ Iout × D / (fsw × ΔVout) 假设Iout=150mA, D=0.6, ΔVout=50mV → Cout≥15μF
  • 建议：22μF/50V X7R陶瓷电容（低ESR特性）

二极管选择：

  • 需满足：VRRM > Vout, IF > Iout
  • 推荐：40V/1A肖特基二极管（如B140-13-F）

2.3 PCB布局要点

  1. 功率回路最小化：SW引脚→电感→二极管→输出电容→GND→芯片GND
  2. 反馈网络远离噪声源：FB走线远离电感和SW节点
  3. 散热处理：充分利用芯片底部散热焊盘，多打过孔连接至地平面
  4. 输入电容就近放置：建议1μF+10μF并联组合

3. STM32控制方案实现

3.1 电压调节方式

TPS61170提供两种调压方式：

  1. 电阻分压网络：固定输出电压 Vout = 1.229V × (1 + R1/R2)

  2. PWM动态调节：通过CTRL引脚输入PWM信号

    • PWM占空比与输出电压成反比
    • 推荐频率：1kHz-100kHz
    • 需外接RC滤波器（如10kΩ+100nF）

3.2 STM32配置示例

// PWM生成配置（TIM1通道1） void PWM_Init(void) { GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER8_1; // PA8复用功能 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_TIM1EN; // 使能TIM1时钟 TIM1->PSC = 47; // 48MHz/(47+1)=1MHz TIM1->ARR = 99; // 1MHz/100=10kHz PWM TIM1->CCR1 = 30; // 初始占空比30% TIM1->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1; // PWM模式1 TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能输出 TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE; // 主输出使能 TIM1->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器 } // 动态调整输出电压 void Set_OutputVoltage(float targetV) { uint16_t duty = (uint16_t)(90 * (12.0/targetV - 1)); // 12V基准 TIM1->CCR1 = (duty > 90) ? 90 : duty; // 限制最大占空比 }

3.3 保护功能实现

利用STM32的ADC监测关键参数：

// 过压保护示例 void OVP_Check(void) { float vout = ADC_Read(0) * 3.3 / 4096 * (R1+R2)/R2; if(vout > 26.0) { // 26V阈值 GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR_0; // 拉低EN引脚 Error_Handler(); } }

4. 实测性能优化

4.1 效率提升技巧

  1. 轻载效率优化：

    • 启用芯片的Skip模式（CTRL引脚接高电平）
    • 轻载时效率可从70%提升至85%+

  2. 元件选型影响：

    • 低DCR电感（<50mΩ）
    • 低VF肖特基二极管（<0.5V）
    • 低ESR陶瓷电容

  3. 实测数据对比：

    条件效率纹波
    5V→12V@300mA89%80mVpp
    3.7V→24V@100mA82%120mVpp

4.2 常见问题解决

问题1：启动时输出电压过冲

  • 解决方案：增加软启动电容（CTRL引脚接100nF电容）
  • 原理：限制FB参考电压的上升斜率

问题2：高频振荡

  • 检查点：
    1. 反馈网络布局是否远离功率回路
    2. 补偿网络参数（典型值：1nF+100kΩ串联）
    3. 输出电容ESR是否过小（可串联0.5Ω电阻）

问题3：带载能力不足

  • 排查步骤：
    1. 测量电感电流波形确认是否饱和
    2. 检查二极管正向压降
    3. 确认PCB走线载流能力

5. 进阶应用扩展

5.1 多路输出方案

利用TPS61170实现正负双电源：

  1. 主输出：标准升压拓扑
  2. 负输出：增加电荷泵电路
    • 元件：2个二极管+2个电容
    • 输出电压 ≈ -Vout

5.2 数字通信接口

通过STM32实现Easyscale协议：

void Send_Easyscale(uint8_t data) { GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR_1; // 起始位(低电平) Delay_us(10); for(int i=0; i<8; i++) { GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR_1; // 高电平 Delay_us((data & (1<<i)) ? 20 : 10); GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR_1; // 低电平 Delay_us(10); } }

5.3 温度监测与降额

利用NTC电阻监测环境温度：

float Read_Temperature(void) { float Rt = 10000.0 * (4095.0/ADC_Read(1) - 1); return 1/(1/298.15 + log(Rt/10000)/3950.0) - 273.15; } void Thermal_Management(void) { if(Read_Temperature() > 70.0) { Set_OutputVoltage(Get_TargetVoltage() * 0.9); // 降额10% } }

在实际项目中，这种组合方案已成功应用于：

  • 工业手持设备的显示屏背光驱动
  • 无人机图传系统的12V电源模块
  • 便携式医疗设备的传感器供电

调试时建议先用EVM评估板验证设计，TPS61170EVM-280可提供12V输入/24V输出的参考实现。关键波形测量点包括SW节点电压、电感电流和输出电压纹波，使用带宽≥100MHz的示波器配合电流探头可获得准确数据。