为参加成都理工大学高等电子设计大赛电源组的比赛，笔者开始设计降压型DC-DC电源。纵观往届参赛作品，大多使用了专用芯片进行设计，为综合效率和灵活性，笔者设计了由STC15单片机直接控制BUCK斩波电路的降压型DC-DC电源。经测试其效率达到90%左右、带载能力强并可通过修改程序修改降压比、开关频率等相关参数。下面是关于此设计的一些技术细节。
整体构架
对于整个系统的构架，笔者采用了单片机直接输出PWM，通过IR2104拓展为互补的两路PWM驱动MOS管组成的半桥实现同步整流。同时单片机通过ADC采集输出的电压和电流，结合PID调节算法实现恒压或恒流功能。
对照构架图可以看到，整个系统构架十分简洁。
其中控制部分仅为单片机，而功率部分由一个电感、两只MOS管、一个MOS驱动构成。整个系统的关键在于PWM的产生和MOS管的选择。
BUCK电路
BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值总是小于输入电压。
从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器。MOS管作为一个开关，当开关导通的时候，电感电流增加，电感储能；开关关闭的时候，D1续流二极管给电感维持电流，同时电感电流减小，电感释能，负载电流靠电容储能和电感中减小的电流供应。
不难看出，当MOS管一直处于开通状态（PWM占空比为100%）时，低压侧电压等于高压侧电压。由于电感储存多少能量就会释放多少能量，所以低压侧电压与电感在一个周期内的储能时间成正比，由此可得低压侧电压为占空比乘以PWM占空比。
同步整流
由于二极管总存在压降，当电流大的时候，二极管上的功率损耗极大，因此有了同步整流的方法：用导通电阻低很多的MOS替代了肖特基，以提高转换效率。
用MOS管代替了二极管以后，需要一对互补的PWM信号进行驱动，在同一个时间内只能有一个MOS是导通的，而且因为MOS管开通和关断需要一定的时间，所以需要设置适当的死区（同时关闭上下管）来防止上下管同时导通导致高压侧短路烧毁MOS管。
同步整流虽然大幅提高了DC-DC电源的转换效率，但相较于二极管整流方式，工作于同步整流方式的DC-DC电源输出的电压波纹较大。
对于工作在同步整流方式的电源电压波纹较大的问题，就笔者分析，这主要是由于死区时间设置并不是很合理导致的。死区时间过长导致每个周期之间的断流时间过长，所以相应的波纹也就比较大。当然，死区时间过小又会很容易引起炸管，所以在设计时都倾向于将死区时间设置得较大，而这也就导致应用了同步整流的DC-DC电源波纹普遍偏大。
电流电压采样
为实现闭环控制以得到较好的恒压效果，笔者通过STC单片机自带的ADC模块实现了电压采样，通过ACS712霍尔电流计实现电流采样。
STC15单片机集成了10位八通道ADC，通过ADC模块进行AD采样也需要注意为了让AD口得到稳定的输入，一般需要在AD口并联104电容。
ACS712是一款霍尔电流计，其可以将电流转换为电压。这样，我们就可以通过ADC获得电流值，相较传统的电阻采样方式，采用霍尔电流计的采样电路具有损耗小的特点，同时单电源的工作方式也极大简化了我们的供电电路。
元件选型
MOS管选型
为了避免因导通电阻过大造成的热损耗，应选择导通电阻小的MOS管，笔者综合性价比和性能选用了IRF3205，8mOhm的导通电阻使得系统的整体效率得到了提升。
IRF3205的耐压等级55V，额定电流110A。一般而言，耐压越高，导通电阻越大，相应的额定电流也会降低。而还有一点是大电流、高耐压的MOS管通常结电容也较大，所以也就更不容易驱动。
控制器选型
由于经常使用STC公司的增强型51单片机，所以本次设计也使用了STC公司生产的IAP15W4K58S4单片机，其具备8通道10位ADC、2路PAC模块、6路带死区控制的硬件PWM，能够完全满足项目的要求。
MOS驱动选型
由于直接使用单片机的IO口是不足以控制MOS管的通断的，所以我们需要使用MOS驱动来增强单片机对MOS管的驱动电流。
在这里，笔者使用了IR2104作为MOS驱动器。IR2104是一款半桥驱动，输入一路PWM可以输出两路互补的PWM并且具备硬件死区时间控制，可以极大的简便我们的单片机程序设计，所以选择其作为MOS管驱动芯片。
从参数看，IR2104并不优异，MOS的驱动电流也并不是很大，但是为了便于控制，仍选用了该型MOS驱动器。
PWM产生
STC15单片机主要有两种方式产生PWM：PAC或是硬件PWM。笔者在这里使用了PAC模块而没有采用硬件PWM，主要原因在于仅IAP15W4K58S4拥有硬件PWM，为了方便程序的移植，故而放弃了硬件PWM，这也导致了所产生的PWM精度会比较低，相应的能达到的最高频率也会受到影响。
关于STC15单片机中PAC、硬件PWM的区别，除了精度相关以外，要实现两路互补的PWM，只能使用硬件PWM方式。
主要原因在于：PAC模块无法设置IO口的起始电平，所以各路PWM的起始电平都为低电平，且只能设置低电平/高电平反转时间。这样我们所产生的PWM在每个周期的前半部分将固定为低电平，后半部分固定为低电平，这是无法更改的。则不能产生两路互补的PWM。
而硬件PWM模块则可以设置IO口的起始电平，同时具备两个翻转计数器，这样我们就可以通过改变两路PWM输出的的起始电平和两个翻转计数器来输出两路互补的PWM。
对于不具备PAC功能的STC单片机。我们也可以使用定时器来模拟PWM，但是该种方式所产生的PWM波精度较差并且单片机并没有对PWM进行优化，所以在这种场合不是很适用。
由于笔者使用了IR2104这款半桥驱动器，所以为了简便起见，仅使用了PAC模块输出了一路PWM来驱动半桥，虽然并不是真正意义上的单片机控制，但胜在结构简单，方便调试。
原理图
结合以上构想，设计总体电路如下：
下面就将进行实物的制作了。