高效率恒流開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

南 陽 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 學(xué) 院：電子與電氣工程學(xué)院專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生： 王 金 濤 指導(dǎo)教師： 高 有 堂 完成日期 2014 年 5 月南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）高效率恒流開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) Design and Implementation of Efficient Switching Power Supply with Constant Current 總 計(jì)： 32 頁表 格： 3 個(gè)插 圖 ： 29 幅南 陽 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）高效率恒流開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) Design and Implementation of Efficient Switching Power Supply with Constant Current 學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 王金濤 學(xué) 號： 105090440024 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 高有堂（教授） 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學(xué)院Nanyang Institute of Technology高效率恒流開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)高效率恒流開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電子信息工程專業(yè) 王金濤摘要本系統(tǒng)完成了恒流開關(guān)電源的硬件電路和軟件反饋程序的設(shè)計(jì)。以市電220V交流為輸入，經(jīng)過EMI濾波、工頻整流濾波先完成輸入電壓部分的過濾與穩(wěn)定，然后通過設(shè)計(jì)并自行繞制高頻變壓器完成電路的功率轉(zhuǎn)換部分，輸出電壓經(jīng)過高頻整流濾波電路和反饋回路達(dá)到穩(wěn)定。設(shè)計(jì)中反饋部分采用STM32的AD轉(zhuǎn)換功能經(jīng)過軟件濾波處理輸入電壓，通過PID調(diào)節(jié)，控制STM32調(diào)節(jié)PWM的輸出。最后，得到的電壓穩(wěn)定在30V。在電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，加上恒流電路使得系統(tǒng)輸出電流穩(wěn)定。關(guān)鍵詞開關(guān)電源；高頻變壓器；軟件濾波；PID調(diào)節(jié) Design and Implementation of Efficient Switching Power Supply with Constant Current Electronic Information Engineering Specialty WANG Jin-taoAbstract: This system completed the design of hardware and feedback programmed on software about the switching power supply with constant current. Taking 220 V AC mains as input, then the input voltage can be filtered and stabilized by the EMI filter, the rectifier and filter of power frequency, and by designing and winding a high-frequency transformer, the power conversion is completed, and the output voltage finally keeps stable due to the high-frequency rectifier, filter circuit and the feedback loop. In this system, the feedback is based on the function of STM32s AD conversion, whose completion is depended on the software filters processing the input voltage, then the STM32 adjusts the PWM as output by PID adjustment. Finally, the voltage outputs at 30 V stably. Owing to the stability of voltage and a kind of constant current circuit, the output current of the system is also stable in the end.Key words: Switching power supply; transformer; software filtering; PID adjustment目 錄1 引言11.1 開關(guān)電源的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢21.3 論文組織結(jié)構(gòu)安排32 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.1 恒流開關(guān)電源的原理32.2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)42.3 微處理器控制方法的設(shè)計(jì)53 恒流開關(guān)電源硬件的設(shè)計(jì)63.1 電源主路的設(shè)計(jì)63.1.1 輸入電路的設(shè)計(jì)63.1.2 反激式高頻變壓器的計(jì)算與設(shè)計(jì)73.1.3 輸出電路的設(shè)計(jì)123.1.4 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)123.1.5 隔離電路的設(shè)計(jì)133.2 最小核心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)143.2.1 處理器的選型143.2.2 最小核心系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)163.3 反饋回路設(shè)計(jì)183.4 輔助回路的設(shè)計(jì)194 恒流開關(guān)電源軟件的設(shè)計(jì)224.1 底層驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)224.1.1 定時(shí)器的PWM模式程序的設(shè)計(jì)224.1.2 AD轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)224.2 數(shù)字濾波與PID算法的程序設(shè)計(jì)234.2.1數(shù)字濾波程序的設(shè)計(jì)234.2.2 PID算法程序的設(shè)計(jì)235 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析245.1 調(diào)試方法245.2 測試點(diǎn)波形的調(diào)試及結(jié)果分析255.2.1 開關(guān)管柵極電壓波形的分析255.2.2 輸出電壓波形的分析265.2.3 失誤分析與處理27結(jié)束語29參考文獻(xiàn)30附錄31致謝32II1 引言目前高頻開關(guān)電源在我國的通信、信息、家電、國防等領(lǐng)域得到普遍采用，相控電源將逐漸被淘汰。而恒流源更是以極大的優(yōu)勢慢慢的在電源產(chǎn)業(yè)上立足并穩(wěn)步發(fā)展壯大，特別是在驅(qū)動LED恒流開關(guān)電源方面，發(fā)展尤其突出。當(dāng)整個(gè)世界都在因?yàn)槿找嫔仙哪茉闯杀径?jié)約能源預(yù)算時(shí)，白光LED技術(shù)便成為一項(xiàng)新的技術(shù)革新。相對于傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，LED燈無論在使用壽命、效率還是減少污染方面的優(yōu)勢都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出以上兩種。因?yàn)長ED本身的伏安特性使得其正向動態(tài)電阻很小，在LED的供電上就需要穩(wěn)定的電壓以便得到穩(wěn)定的電流。為了穩(wěn)住LED的工作電流，保證LED能正常工作，恒流開關(guān)電源便應(yīng)運(yùn)而生，可以很好地解決這個(gè)問題，此外，恒流開關(guān)電源在電真空器件、充電器等其他方面也有很廣泛的應(yīng)用，因此，恒流開關(guān)電源的開發(fā)是非常必要的。1.1 開關(guān)電源的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21世紀(jì)我國通信、信息、家電和國防等領(lǐng)域的電源普遍采用高頻開關(guān)電源。國內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，基本起源于20世紀(jì)70年代末和80年代初。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)有了重大進(jìn)步和突破1。功率器件的開發(fā)促進(jìn)了開關(guān)電源的高頻化，功率MOSEFT和IGBT可使中小型開關(guān)電源工作頻率達(dá)到400kHz，（AC/DC）或1MHz(DC/DC)；軟開關(guān)技術(shù)使高頻開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)有了可能，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高電源的效率，國產(chǎn)6kW通信開關(guān)電源，采用軟開關(guān)技術(shù)，效率可達(dá)93%；在其基礎(chǔ)上的恒流開關(guān)電源技術(shù)也比較成熟，廣泛的應(yīng)用于半導(dǎo)體器件、自動控制儀表等領(lǐng)域2。20世紀(jì)90年代以來，開關(guān)電源面臨著更高的要求和更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如果從一個(gè)開關(guān)電源的輸入和輸出窗口觀察可以發(fā)現(xiàn)，輸入的要求變得越來越嚴(yán)格，不符合IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將會陸續(xù)被淘汰；輸出則派生出了許多特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，研制和開發(fā)的難度變得更大。正是由于外界的這些要求推動了兩個(gè)開關(guān)電源的分支技術(shù)一直成為當(dāng)今電力電子的研究熱點(diǎn)，即有源功率校正技術(shù)和低壓大電流高效率DC/DC變換技術(shù)。國外的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟與系統(tǒng)，有源功率因數(shù)校正技術(shù)和低壓大電流高功率DC/DC變換技術(shù)對開關(guān)電源輸入諧波和輸出指標(biāo)也相繼有了國際標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于技術(shù)性能、要求的提高，許多相關(guān)技術(shù)的研究如EMI技術(shù)、PCB技術(shù)、熱理論技術(shù)的分析、集成磁技術(shù)、新型電容技術(shù)、新型功率器件技術(shù)、新型控制技術(shù)以及結(jié)構(gòu)和工藝等正在迅速增加3。本系統(tǒng)是采用32位的ARM芯片STM32F103RBT6作為反饋環(huán)路控制的核心，利用軟件PID算法完成穩(wěn)定輸出的數(shù)字化開關(guān)電源。目前數(shù)字化開關(guān)電源在國內(nèi)外還沒有完全發(fā)展成熟，存在的主要技術(shù)問題是ADC的速度與精度不足4。高精度現(xiàn)在雖說基本可以達(dá)到，但是高速度卻一直是技術(shù)性挑戰(zhàn)。1.2 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢歷經(jīng)二十幾年的不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)有了重大突破和進(jìn)展。控制技術(shù)的發(fā)展和專用控制芯片的生產(chǎn)，不僅使電源電路大幅度簡化，而且使開關(guān)電源的動態(tài)性能和可靠性大大提高；有源功率因數(shù)校正技術(shù)的開發(fā)，提高了AC/DC開關(guān)電源的功率因數(shù)，既治理了電網(wǎng)的諧波污染，有提高了開關(guān)電源的整體效率。目前在研究高性能的碳化硅展，也將對電源技術(shù)的發(fā)功率半導(dǎo)體器件，一旦研發(fā)成功，對電源技術(shù)的影響將是革命性的。另外，平面變壓器、壓電變壓器、新型電容器等元器件的發(fā)展起到重要作用。集成化模塊是開關(guān)電源的一個(gè)重要發(fā)展方面，從控制電路的集成，驅(qū)動電路的集成和保護(hù)電路的集成，最后達(dá)到整機(jī)的集成化生產(chǎn)。集成化、模塊化減少了外部連線和焊接工作量，提高了設(shè)備的可靠性，縮小了電源的體積，減輕了重量，目前DC/DC開關(guān)電源的功率密度可達(dá)到每立方英寸120W4?；仡欓_關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展史，主要有以下幾方面的發(fā)展趨向：（1）半導(dǎo)體器件的發(fā)展。功率半導(dǎo)體器件仍是電力電子技術(shù)發(fā)展的龍頭，電力電子技術(shù)的進(jìn)步必須依靠不斷推出的新型電力電子器件。功率場效應(yīng)管（MOS-FET）由于采用單極性多子導(dǎo)電，使開關(guān)時(shí)間顯著地減小，又因其很容易達(dá)到1MHz的開關(guān)工作頻率而受到世人矚目。但是MOS-FET提高器件的阻斷電壓必須加寬器件的漂移區(qū)，這樣就會使器件內(nèi)阻迅速增大，通態(tài)壓降也會增高，通態(tài)損耗增大，因此它只能應(yīng)用于中小功率產(chǎn)品。為了降低MOS-FET的通態(tài)電阻對于肖特基二極管的開發(fā)，利用溝槽結(jié)構(gòu)，有希望研制出壓降更小的肖特基二極管，它被稱作TMBS溝槽MOS勢壘肖特基二極管，可能在極低電源電壓應(yīng)用中與同步整流的MOS-FET進(jìn)行競爭。（2）高頻變壓器的發(fā)展。高頻變壓器是電力電子產(chǎn)品或開關(guān)電源中必不可少的部件。平面變壓器是近兩年才面世的一種全新產(chǎn)品，與常規(guī)變壓器不同，平面變壓器是沒有銅導(dǎo)線的，用的是單層或多層印刷電路板，因此厚度遠(yuǎn)低于常規(guī)變壓器，能夠直接制作在印刷電路板上，它的突出優(yōu)點(diǎn)就是能量密度高而體積大大地縮小，相當(dāng)于常規(guī)變壓器的20%；效率非常高，通常為97%99%；工作頻率也高，從50kHz到2MHz;漏感低；電感干擾小（EMI）小。（3）電路集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝的發(fā)展。開關(guān)電源的發(fā)展方向是模塊化、集成化和智能化。近幾年來具有各種控制功能的專用芯片發(fā)展迅速，如功率因數(shù)校正（PFC）、電路用的控制芯片，軟開關(guān)控制用ZVS、ZCS芯片，移相全橋的控制芯片，ZVT、ZCT、PWM專用控制芯片，并聯(lián)均流控制芯片以及電流反饋控制芯片等。功率半導(dǎo)體器件則有功率集成電路（Power Supply IC）和IMP。IPM以IGBT作為功率開關(guān)，將控制、驅(qū)動、保護(hù)、檢測電路一起封裝在一個(gè)模塊內(nèi)。由于外部界限、焊點(diǎn)減少，可靠性顯著提高。集成化模塊化使電源產(chǎn)品體積更小、可靠性更高，給應(yīng)用帶來極大方便7。（4）低壓大電流DC/DC變換技術(shù)的發(fā)展。低壓大電流高功率DC/DC變換技術(shù)，已從前些年的3.3V降至現(xiàn)在的1.0V左右，電流目前已可達(dá)到幾十安至幾百安。同時(shí)，電源的輸出指標(biāo)，如紋波、精度、效率、欠沖、過沖等技術(shù)指標(biāo)也得到進(jìn)一步提高。所有這些使得這一分支技術(shù)的研究在當(dāng)今乃至今后一段時(shí)間內(nèi)，都將成為電力電子界的熱點(diǎn)。它的研究內(nèi)容非常廣泛，包括電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)問題（尤其是負(fù)載的大信號動態(tài)問題）、同步整流技術(shù)、控制技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的研究，諸如布線、集成磁技術(shù)、包裝技術(shù)、高頻功率器件技術(shù)等。最后隨著開關(guān)電源性能的不斷提高，對開關(guān)電源的要求也愈來愈高。但是21世紀(jì)開關(guān)電源技術(shù)最終是向小型化、薄型化、輕量化、高頻化；高可靠性；低噪聲、節(jié)能型等方向發(fā)展8。1.3 論文組織結(jié)構(gòu)安排論文圍繞高效率恒流開關(guān)電源設(shè)計(jì)展開論證。第1節(jié)已經(jīng)從開關(guān)電源國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述。第2節(jié)主要從恒流開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)原理、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基于微處理器的控制方法進(jìn)行介紹。第3節(jié)從恒流開關(guān)電源的電源主路、反饋回路、輔助電源回路等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。然后第4節(jié)從硬件底層驅(qū)動、軟件濾波、PID控制算法等進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后第5節(jié)從各個(gè)模塊的調(diào)試及結(jié)果分析、輸出波形的展示進(jìn)行總結(jié)。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 恒流開關(guān)電源的原理從兩個(gè)方面進(jìn)行分析，一是開關(guān)電源，二是恒流源。開關(guān)電源(英文：Switching Mode Power Supply Supply)，又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成9。恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn)： （1）不因負(fù)載(輸出電壓)變化而改變。 （2）不因環(huán)境溫度變化而改變。 （3）內(nèi)阻為無限大（以使其電流可以全部流出到外面）。能夠提供恒定電流的電路即為恒流源電路，又稱為電流反射鏡電路。通常采用運(yùn)放配合MOS管的方式實(shí)現(xiàn)恒流。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分組成： 圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖（1）電源主路：以單端反激式為電路拓?fù)?，重點(diǎn)是變壓器的設(shè)計(jì)。（2）反饋回路：STM32為核心的取樣與算法控制。（3）輔助回路：包括前級輸入的EMI濾波、RCD吸收回路以及輔助繞組對應(yīng)的輔助電源電路等。那么，先設(shè)計(jì)出一款開關(guān)電源，在其后級輸出再加上恒流源電路便可實(shí)現(xiàn)恒流開關(guān)電源。2.2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般來說，直流電源變換器按其輸入與輸出是否進(jìn)行電氣上隔離，可分非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。對應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有降壓式變換器、升壓式變換器、反激式變換器、正激式變換器、推挽式變換器、半橋式變換器以及全橋式變換器。本次設(shè)計(jì)選用的是反激式變換器。反激式DC/DC變換器又稱單端反激式或“Flyback Converter”，因其輸出端在原邊繞組關(guān)斷時(shí)獲得能量而得名。在反激變換器拓?fù)渲?，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器儲存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供；開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將存儲的能量傳送到負(fù)載和濾波電容，以補(bǔ)償電容單獨(dú)供電時(shí)消耗的能量10。具有電路簡單、可高效提供多路輸出等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)就是輸出紋波大。下圖2即為反激式變換器的基本結(jié)構(gòu)。 圖2 反激式DC/DC變換電路在開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Ui加在變壓器初級線圈上，同名端相對異名端為負(fù)，次級二極管D1反偏截止。初級電流線性上升（線性電感），變壓器作為電感運(yùn)行。變壓器儲存能量，此階段沒有能量傳到次級，電容單獨(dú)向負(fù)載供電。開關(guān)管關(guān)閉后，能量傳遞給次級。若工作在非連續(xù)模式（DCM），在開關(guān)管再次導(dǎo)通前，初級儲存的能量將全部傳給次級。若工作在連續(xù)模式(CCM)，在開關(guān)管再次導(dǎo)通前，初級存儲的能量會有剩余。具體波形如圖3所示。 因此，選用單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過計(jì)算并設(shè)計(jì)合理的變壓器參數(shù)，計(jì)算并合理選擇其他外圍元器件就可以完成主電路拓?fù)洌刂崎_關(guān)管通斷的PWM信號則由STM32控制器提供。 圖3 兩種模式下的波形2.3 微處理器控制方法的設(shè)計(jì)選用ARM系列的STM32F103RBT6微處理器作為控制系統(tǒng)的核心，將電源主路的輸出部分通過取樣、濾波送至處理器的AD轉(zhuǎn)換模塊作為輸入，單片機(jī)內(nèi)部根據(jù)采集到的電壓與實(shí)際需要輸出電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行PWM占空比的控制，以達(dá)到輸出穩(wěn)定的效果。因此，需要STM32的AD轉(zhuǎn)換模塊和定時(shí)器的PWM產(chǎn)生模塊，通過最終算法將二者融合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定?？刂扑惴ㄓ肞ID調(diào)節(jié)。3 恒流開關(guān)電源硬件的設(shè)計(jì)開關(guān)電源的硬件電路核心是變壓器，也是系統(tǒng)的重中之重，涉及到很多的經(jīng)驗(yàn)公式，在確定最終參數(shù)時(shí)要綜合考慮，折中選取。在電源拓?fù)浯_定后，輔助電路也必不可少，硬件上元器件的選型尤為重要，直接關(guān)系著系統(tǒng)的工作狀態(tài)與最終效率，在確定元件的過程中可以借助仿真，最直接的就是不停地試，直到達(dá)到要求。因?yàn)橄到y(tǒng)的軟件部分是基于STM32的，因此為減小整體體積，做個(gè)最小系統(tǒng)板就比較合適。選擇典型電路，按照模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)擴(kuò)展與I/O 的配置充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)冗余，以便進(jìn)行二次開發(fā)。系統(tǒng)涉及到定時(shí)器、AD轉(zhuǎn)換、DMA等各方面的相關(guān)功能。對于這些功能，即需要相對獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，又需要良好的協(xié)調(diào)。因此，在開發(fā)過程中，硬件設(shè)備的選擇需要考慮這些特定的需求，有針對性的進(jìn)行器件的選擇和設(shè)計(jì)。注重軟硬件結(jié)合，軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低能耗和設(shè)備成本。 必須考慮芯片的驅(qū)動能力，有必要的可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)它包括去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等11。3.1 電源主路的設(shè)計(jì)3.1.1 輸入電路的設(shè)計(jì)（1）輸入條件：交流198V242V。（2）EMI濾波器：AC/DC變換器常用EMI濾波器來隔離AC電網(wǎng)與開關(guān)電源的射頻干擾。標(biāo)準(zhǔn)的EMI濾波器通常由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波電路，其作用是允許設(shè)備正常工作時(shí)的頻率信號進(jìn)入設(shè)備，而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。電源線是干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑，通過電源線，電網(wǎng)的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作，同樣設(shè)備產(chǎn)生的干擾也可能通過電源線傳到電網(wǎng)上，干擾其他設(shè)備的正常工作，必須在設(shè)備的電源進(jìn)線處加入EMI濾波器。本次設(shè)計(jì)的EMI濾波器電路圖如下圖4所示。其中，Cx1、L1、Cx2組成的雙型濾波器是EMI濾波器的主體。L是共模電感，可以抑制來自電網(wǎng)的共模干擾，兩個(gè)Cx為差模濾波電容，可以濾除電網(wǎng)尖峰電壓,兩個(gè)Cy是安全電容，其串聯(lián)后的中心點(diǎn)接大地，可濾除電網(wǎng)的共模和差模干擾，R1為泄放電阻，電源斷電后可將兩個(gè)Cy上積累的電荷泄放掉，是電源進(jìn)線端L、N不帶電，保證使用安全。圖4 EMI濾波器 （3） 工頻整流濾波電路：輸入市電經(jīng)過EMI濾波器后，電磁噪聲和部分高頻雜波對電網(wǎng)的干擾得到抑制，進(jìn)入工頻整流濾波電路，如圖5所示。 圖5 工頻整流濾波電路輸入交流電壓經(jīng)過整流橋BR和一個(gè)濾波電容C由此產(chǎn)生的高壓直流電壓U+，電容C上為有紋波的直流電壓。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)交流輸入為220V時(shí)，C的取值可為1uF/W.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將輸出規(guī)格定為60W，選用的電容為68uF，耐壓值為400V。3.1.2 反激式高頻變壓器的計(jì)算與設(shè)計(jì) 反激式電源變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一是高頻變壓器的設(shè)計(jì)。此變壓器不是真正意義上的變壓器，而更多的是一個(gè)能量存儲裝置。在變壓器初級導(dǎo)通期間能量存儲在磁芯的氣隙中，關(guān)斷期間存儲的能量被傳送給輸出。在一定的開關(guān)頻率下，其存儲的能量大小直接影響著開關(guān)電源的輸出功率。對于反激式開關(guān)電源的變壓器來說，初次級的電流不是同時(shí)流動的，因此它更多的被認(rèn)為是一個(gè)帶有次級繞組的電感。反激式高頻變壓器的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是電感的設(shè)計(jì)，不是在設(shè)計(jì)變壓器，而是在設(shè)計(jì)有多個(gè)繞組的扼流圈12。反激式開關(guān)電源在小功率從開關(guān)電源中應(yīng)用最為普遍，但其高頻變壓器的設(shè)計(jì)也最為復(fù)雜。在設(shè)計(jì)反激式高頻變壓器之前，不僅要確定所需的經(jīng)驗(yàn)公式，還必須明確以下幾個(gè)條件：（1）輸入條件：AC 198V242V （2）預(yù)計(jì)電源效率：80%（3）開關(guān)工作頻率f：100KHZ（4）最大占空比Dmax：0.45（5）輸出規(guī)格：60W以上參數(shù)確定后，就可以著手設(shè)計(jì)變壓器了。本設(shè)計(jì)開關(guān)電源采用反激式開關(guān)電源拓?fù)?，高頻變壓器相當(dāng)于一只儲能電感，其設(shè)計(jì)與制作步驟如下：（1）計(jì)算峰值電流Ip。首先要明確，如果是用成熟的模擬器件比如TOP系列的電源芯片，是不需要計(jì)算Ip的，因?yàn)樾酒瑑?nèi)部已經(jīng)決定了其峰值電流，例如TOP227YN對應(yīng)的峰值電流是2.7A的標(biāo)準(zhǔn)值。但本次設(shè)計(jì)是以STM32為控制核心，就要自行計(jì)算峰值電流。根據(jù)公式 Ip = 2*Pin/(Dmax*Umin) = 2*75 /(0.45*217) = 1.53A （1）最終得出峰值電流為1.53A。（2） 計(jì)算初級電感量Lp。反激式開關(guān)電源的高頻變壓器有連續(xù)和不連續(xù)兩種基本工作模式。當(dāng)高頻變壓器的初級繞組電感量較大時(shí)，通常會工作在連續(xù)模式。反之，當(dāng)高頻變壓器的初級繞組電感量較小時(shí)，通常會工作在不連續(xù)模式。對應(yīng)的Ip波形見圖6、圖7。 圖6 連續(xù)模式峰值電流 圖7 不連續(xù)模式峰值電流圖6為連續(xù)模式的峰值電流波形，圖7為不連續(xù)模式的峰值電流波形?？梢姡B續(xù)模式時(shí)，高頻變壓器的一次電流先從一定幅度開始，沿斜坡上升至峰值Ip,然后又迅速回零；不連續(xù)模式時(shí)，一次電流是從零開始上升到峰值Ip,再迅速降到零。如果把第一次電流的變化量定義為脈動電流IR,把脈動電流IR和峰值電流Ip的比值定義為脈動系數(shù)KRP,則有關(guān)系式 KRP = IR / Ip （2）可以看出，連續(xù)模式時(shí)KRP小于1，不連續(xù)模式時(shí)，KRP等于1。在計(jì)算變壓器的一次電感量Lp時(shí)，KRP取值的不同對應(yīng)有不同的初級電感量。公式為 Lp = 2*Po / (*IR 2*f) = 2*60 / (0.8*100k*IR) （3）其中IR = KRP*Ip 。 當(dāng)I取0.51之間時(shí)，對應(yīng)Lp的值為2.4mH640uH,本次設(shè)計(jì)折中取Lp最終的值為1.2mH。（3）磁芯的選擇。磁芯的選擇可以用AP法，AP = Ae（磁芯截面積）*Aw（磁芯可繞導(dǎo)線的窗口面積）。也可以用查表法，輸出功率與磁芯對照表格見表1。 表1 輸出功率與磁芯對照表型號 輸出功率(W) 5 5-10 10-20 20-30 30-50 50-70EI EI12.5 EI16 EI19 EI25 EI28 EI35EE EE13 EE16 EE19 EE22 EE25 EE30EF EF12.6 EF16 EF20 EF25 EF30EFD EFD12 EFD15 EFD25 EFD30EPC EPC13 EPC19 EPC25 EPC30EER EER9.5 EER11 EER14.5 EER25.5 EER28 EER28LEP EP10 EP13 EP17 EP20RM RM4 RM5 RM6 RM10 RM12POT POT1107 POT1408 POT1811 POT2213 OT3019根據(jù)表1可知，輸出功率為60W可用磁芯EI35，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的開關(guān)頻率在100KHZ左右，比較高，為節(jié)省體積，最終選用了磁芯EI33。為做驗(yàn)證，有關(guān)于磁芯截面積與最大功率的公式 Ae = 0.15*(Pm) =0.15*(60) = 1.16cm （4）而磁芯EI33的Ae值為1.18cm，所以選擇EI33磁芯也保證了一定的功率余量防止磁芯飽和，且更適用于寬電壓范圍。（4）一次繞組匝數(shù)Np的計(jì)算。選擇好磁芯后，就可以根據(jù)磁芯參數(shù)來計(jì)算高頻變壓器的一次匝數(shù)。在反激式開關(guān)電源中，高頻變壓器的一次匝數(shù)可按公式 Np = Umin*Dmax*104 / (Ae*(Bm-Br)*100k) （5）Bm-Br 取值為 0.2T時(shí)，算得Np = 41匝，Bm-Br 取值為 0.15T時(shí)，算得Np = 55匝。最后折中取值Np = 48匝。（5）二次繞組匝數(shù)Ns的計(jì)算。反激式開關(guān)電源的二次匝數(shù)的選擇要考慮反射電壓Uor和功率開關(guān)管能夠施加的最大漏極電壓。漏極最大電壓是輸入直流電壓與二次反射電壓Uor和變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓之和。其中二次反射電壓Uor與一次匝數(shù)Np、二次匝數(shù)Ns和二次輸出電壓Uo有關(guān)系式 Uor = Np*（Uo+UF1）/Ns （6）在反激式開關(guān)電源中，二次反射電壓Uor是固定不變的，考慮到功率開關(guān)管的耐壓情況，通常Uor的取值在85V165V之間，典型值為130V。U是二次整流二極管的正向壓降。肖特基二極管通常取值0.4V，快恢復(fù)二極管通常取值0.8V。那么，本次設(shè)計(jì)的次級匝數(shù)Ns = Np*（Uo+UF1）/Uor = 11匝，考慮到有銅損，那么最后確定次級匝數(shù)為Ns = 12匝。（6）輔助繞組匝數(shù)的計(jì)算。按照二次繞組的計(jì)算公式，只需將Uo改為相應(yīng)需要的電壓值，其他值都不變，即可算出多個(gè)繞組的對應(yīng)匝數(shù)。（7）導(dǎo)線直徑的計(jì)算。導(dǎo)線直徑的選取與流過導(dǎo)線的電流有效值和允許的電流密度有關(guān)。對于圓形截面的漆包線，其導(dǎo)線直徑d與截面積S的關(guān)系為 S =*d/ 4 （7）流過導(dǎo)線的電流有效值IRMS與導(dǎo)線截面積S和電流密度J的關(guān)系為 IRMS = SJ （8）因此可得導(dǎo)線直徑 d =（4IRMS /J） （9）對于反激式開關(guān)電源來說，其高頻變壓器繞組的電流有效值與最大占空比Dmax和脈動系數(shù)KRP有關(guān)。一次電流的有效值 IRMS 的計(jì)算公式為 IRMS = Ip *Dmax*(KRP/3 - KRP + 1 ) （10）最終算得IRMS 取值為0.7A，帶入后算得導(dǎo)線直徑d = 0.330.5 mm,那么最后取值dp = 0.4mm。因此用單股0.4mm漆包線。二次峰值電流ISP與一次峰值電流IP以及一、二次匝數(shù)有關(guān)系式 ISP = Ip*Np/Ns （11）二次電流的有效值為 ISRMS = Ip *（1-Dmax）*(KRP/3 - KRP + 1 ) （12）最終算得二次繞組導(dǎo)線直徑為dSP = 0.8mm，因此用4股0.3mm漆包線并繞。對于輔助繞組，因?yàn)閷﹄娏饕蟛桓?，直接用單?.3mm漆包線繞制。（8）氣隙長度的計(jì)算。在反激式開關(guān)電源中，為了防止高頻變壓器出現(xiàn)磁飽和，通常要在磁芯中加入空氣間隙，即氣隙。磁芯的磁滯回線如圖8所示。 圖8 磁芯的磁滯回線圖9為未加氣隙的磁化曲線，加上氣隙后，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm不會改變，但是最大磁場強(qiáng)度會增加，這意味著在相同的Bm和繞組匝數(shù)條件下，加入氣隙后可以提高繞組的工作電流，高頻變壓器磁飽和電流將增大，而且加入氣隙后剩磁Br會下降，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量B會增加，這樣可以提高磁化曲線的利用率。此外，加入氣隙還可將磁化曲線線性化，即相對磁導(dǎo)率變化減小，這使得繞組電感量趨于恒定值?？傊哳l變壓器加入氣隙后有助于提高反激式開關(guān)電源的性能。變壓器磁芯氣隙的計(jì)算公式為 = (0.4*NpAe / Lp)/10 （13）氣隙的單位是cm。需要說明，這里計(jì)算出的是氣隙長度，是磁路中氣隙長度的總和。對于EE和EI型磁芯，通常采用加入一定厚度電工絕緣紙（如青殼紙）的方法來產(chǎn)生氣隙。如圖9，氣隙長度應(yīng)是磁芯中柱間隙和磁柱間隙的總和。因此磁芯中的間隙應(yīng)為氣隙長度的一半，即/2。 圖9 變壓器的氣隙本次設(shè)計(jì)算得氣隙長度= 0.024 cm = 0.24 mm。所以絕緣紙的厚度為0.12 mm。（9）檢驗(yàn)最大磁通密度。在反激式開關(guān)電源中，為了防止高頻變壓器出現(xiàn)磁飽和，必須限制一次繞組的峰值電流IP。在UC3842等為控制器的開關(guān)電源中，IP由取樣電阻決定，在TOP系列單片開關(guān)電源中，IP由內(nèi)部極限電流決定1。在得知了峰值電流后，便可檢驗(yàn)最大磁通密度Bm是否超過允許值。本次設(shè)計(jì)的峰值電流IP = 1.53A。Bm的計(jì)算公式為 Bm = IP*LP/(Np*Ae*10) （14）最終算得Bm = 0.27 T 0.3 T,證明磁芯選擇合適。如果算得的Bm值過大，則應(yīng)該選擇稍大一些的磁芯。 所以，綜合以上各步驟，最終確定出的反激式高頻變壓器參數(shù)為初級電感量Lp = 1.2mH。磁芯尺寸選型為EI33 材料為PC40。一次線圈匝數(shù)Np = 48， 線徑Dp = 0.4mm，單股0.4mm漆包線繞制。二次線圈匝數(shù)Ns = 12， 線徑Ds = 0.8mm，4股0.3mm漆包線繞制。反饋繞組匝數(shù)Nf 1= 10，線徑Df = 0.3mm，單股0.3mm漆包線繞制。反饋繞組匝數(shù)Nf 2= 5， 線徑Df = 0.3mm，單股0.3mm漆包線繞制。氣隙&/2 = 0.12mm。最大磁通密度Bm = 0.27T(小于0.3T) 滿足。3.1.3 輸出電路的設(shè)計(jì)電源主路的輸出級經(jīng)過整流、濾波、過壓保護(hù)等最終得到穩(wěn)定電壓。如圖10所示。圖10 輸出電路輸出電路中用的整流二極管是FR604,能通過6A的電流，兩個(gè)并聯(lián)分流可以防止開關(guān)管斷開瞬間次級感應(yīng)的過沖電流損壞后級電路。TVS43是P6KE系列的單向管，在這里也是保護(hù)作用防止輸出電壓過高，如果電壓超過43V，TVS反向擊穿穩(wěn)定在43V。3.1.4 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)開關(guān)MOS管K3265的驅(qū)動電壓與其他MOS管一樣，PWM高電平要達(dá)到10V以上才可以驅(qū)動，而STM32是3.3V供電，其PWM輸出高電平自然也是3.3V，根本無法驅(qū)動開關(guān)管，因此需要如圖11所示的驅(qū)動電路。 圖11 驅(qū)動電路驅(qū)動芯片選用IR2011，因?yàn)橹坝眠^，效果很好，輸出驅(qū)動電流可高達(dá)1A，是很多驅(qū)動芯片都無法比擬的。圖中可看出，IR2011是兩路驅(qū)動，分高端和低端，此次設(shè)計(jì)只用了其低端這一路，完全可以滿足要求。供電電壓是12V，那么輸出的PWM高電平就是12V，這樣就足以驅(qū)動MOS管讓系統(tǒng)運(yùn)作起來。另外由IR2011芯片的數(shù)據(jù)手冊得知，其供電電壓為10到20V，因此供電電壓可以選擇更高，MOS管是電壓驅(qū)動，驅(qū)動電壓越高，開關(guān)過程就越容易，開關(guān)損耗就會越小。器件的選型直接影響著效率。3.1.5 隔離電路的設(shè)計(jì)輸入是高壓220V，控制器是3.3V供電的精密器件STM32，如果直接連接，高壓的回路電壓或者電流必定會造成STM32芯片的損壞，為了保證器件的安全，因此需要如圖12所示的隔離電路。圖12 隔離電路采用光耦隔離，光耦芯片是6N137。與一般常用光耦(如P521等)不同，6N137是高速光耦，對于普通的隔離電路，一般的低速光耦是完全可以滿足要求的，但低速光耦的限制就在其速度上，如果輸入波形頻率稍高，輸出就會失真。系統(tǒng)開關(guān)頻率在100KHZ左右，必須用高速光耦才能保證輸出PWM不失真。另外，6N137的輸出端供電電壓是5V，如果電壓過高芯片就無法正常工作，所以必須經(jīng)過圖12所示的驅(qū)動電路，光耦的輸出PWM作為驅(qū)動電路的輸入PWM，最終3.3V高電平PWM波就升為高電平12V的PWM波。3.2 最小核心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)恒流開關(guān)電源的控制部分要求處理器具備相關(guān)的功能并具有一定的速度與精度，并且在可靠性、成本、體積、功耗等有比較嚴(yán)格的要求。在信號采集、處理、傳輸上要準(zhǔn)確高速，在算法處理上要求高精度和高速度，對于這些功能，既需要相對獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，又需要良好的協(xié)調(diào)。因此，在開發(fā)過程中，硬件設(shè)備的選擇需要考慮這些特定的需求，有針對性的進(jìn)行器件的選擇和設(shè)計(jì)。3.2.1 處理器的選型處理器相當(dāng)于人體的大腦機(jī)制，整個(gè)系統(tǒng)在處理器合理指揮調(diào)度下才能完成我們賦予他們的任務(wù)，所以一款合適的處理器對于整個(gè)系統(tǒng)來說是非常重要的。經(jīng)過綜合考慮本設(shè)計(jì)對處理器的選擇主要從以下五個(gè)方面來考慮： （1）處理器的處理速度：在本設(shè)計(jì)中，處理器要進(jìn)行濾波處理，同時(shí)還要通過DMA通道進(jìn)行傳輸并快速進(jìn)行算法處理保持輸出穩(wěn)定，因此，處理器要有較高的處理速度。（2）處理器在完成任務(wù)的復(fù)雜程度：在本設(shè)計(jì)中，處理器要負(fù)責(zé)信號的采集、信號的濾波處理、傳輸、PID算法以及PWM控制輸出，而且要求具有一定的精度和速度。 （3）盡可能簡化外圍電路的復(fù)雜程度：一個(gè)系統(tǒng)中所使用的元器件越多、電路結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則系統(tǒng)的出問題的概率越大，可靠性與穩(wěn)定性越差。因此在選擇MCU的時(shí)候，希望MCU內(nèi)部集成功能單元越多越好，這樣就能簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。 （4）盡可能低的功耗：開關(guān)電源本身就要求在效率上有一定的高度，所以處理器的選擇必須最低限度的減少功耗。綜合以上幾個(gè)方面，最終選用了意法半導(dǎo)體公司推出的新型32位ARM內(nèi)核處理器芯片STM32系列中的STM32F103RBT6。STM32F103x增強(qiáng)型系列芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)128K字節(jié)的FLASH和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O 端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPID、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。工作電壓為3.3V。 圖13是STM32F103x的模塊框圖。 圖13 STM32F103x的模塊框圖系統(tǒng)用到的STM32微控制器相關(guān)模塊介紹如下： （1）通用定時(shí)器。STM32 的通用定時(shí)器是一個(gè)通過可編程預(yù)分頻器（PSC）驅(qū)動的 16 位自動裝載計(jì)數(shù)器（CNT）構(gòu)成。STM32 的通用定時(shí)器可以被用于：測量輸入信號的脈沖長度(輸入捕獲)或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較和 PWM)等。使用定時(shí)器預(yù)分頻器和 RCC 時(shí)鐘控制器預(yù)分頻器，脈沖長度和波形周期可以在幾個(gè)微秒到幾個(gè)毫秒間調(diào)整。STM32 的每個(gè)通用定時(shí)器都是完全獨(dú)立的，沒有互相共享的任何資源。STM3 的通用 TIMx (TIM2、TIM3、TIM4 和 TIM5)定時(shí)器功能包括： 有16位向上、向下、向上/向下自動裝載計(jì)數(shù)器（TIMx_CNT）。 有4個(gè)獨(dú)立通道（TIMx_CH14），這些通道可以用來作為：輸入捕獲、輸出比較、PWM 生成(邊緣或中間對齊模式)和單脈沖模式輸出。 可使用外部信號（TIMx_ETR）控制定時(shí)器和定時(shí)器互連（可以用 1 個(gè)定時(shí)器控制另外一個(gè)定時(shí)器）的同步電路。 事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷DMA。（2）ADC。STM32 擁有 13 個(gè) ADC，這些 ADC 可以獨(dú)立使用，也可以使用雙重模式（提高采樣率）。STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有 18 個(gè)通道，可測量 16 個(gè)外部和 2個(gè)內(nèi)部信號源。各通道的 A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC 的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在 16 位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門狗特性允許應(yīng)用程序檢測輸入電壓是否超出用戶定義的高/低閥值。（3）DMA。DMA，全稱為：Direct Memory Access，即直接存儲器訪問。DMA 傳輸方式無需 CPU 直接控制傳輸，也沒有中斷處理方式那樣保留現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場的過程，通過硬件為 RAM 與 I/O設(shè)備開辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，能使 CPU 的效率大為提高。STM32F103RBT6 只有 1 個(gè) DMA 控制器，DMA1。從外設(shè)（TIMx、ADC、SPIx、I2Cx 和 USARTx）產(chǎn)生的 DMA 請求，通過邏輯或輸入到DMA 控制器，這就意味著同時(shí)只能有一個(gè)請求有效。外設(shè)的 DMA 請求，可以通過設(shè)置相應(yīng)的外設(shè)寄存器中的控制位，被獨(dú)立地開啟或關(guān)閉。此外，STM32有優(yōu)秀的功耗控制。高性能并非意味著高功耗。STM32經(jīng)過特殊處理，針對應(yīng)用中三種主要的功耗需求進(jìn)行優(yōu)化，這三種能耗需求分別是運(yùn)行模式下的高效率的動態(tài)耗電機(jī)制、待機(jī)狀態(tài)時(shí)極低的電能消耗和電池供電時(shí)的低電壓工作能力15。除了功耗，在運(yùn)用方面也與以前的8位單片機(jī)大不相同。STM32擁有強(qiáng)大的庫函數(shù)。它采取與以往不同設(shè)計(jì)方法，通過把各個(gè)外設(shè)封裝成標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù) 的方式，屏蔽了底層硬件細(xì)節(jié)，能夠使開發(fā)人員很輕松地完成產(chǎn)品的開發(fā)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。STM32固件庫提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問STM32的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性?？傊琒TM32芯片在項(xiàng)目中的使用，使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性、功耗、生產(chǎn)成本等都比同類系統(tǒng)有了較大的提升。對于開關(guān)電源這種在功耗上有很高要求的設(shè)計(jì)來說，足以滿足。3.2.2 最小核心系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)因?yàn)橛玫絊TM32單片機(jī)的外設(shè)功能并不多，只有AD轉(zhuǎn)換和定時(shí)器，以及串口部分做調(diào)試用，不涉及別的一些硬件外設(shè)，因此只需要一小塊最小系統(tǒng)版就可以滿足要求。最小核心系統(tǒng)如圖14所示。通過圖14可以看出，在設(shè)計(jì)STM32F103RBT6最小系統(tǒng)電路時(shí)要注意一下幾個(gè)部分：（1）復(fù)位電路：利用RC電路的延時(shí)特性，設(shè)計(jì)了簡單的復(fù)位電路，有此可簡單計(jì)算出延時(shí)時(shí)間，這里用一個(gè)10 k電阻和0.1 F的電容，時(shí)間延時(shí)大約為3.6ms，符合STM32系統(tǒng)芯片的復(fù)位要求。 （2）晶振電路：這里選用兩個(gè)晶振，首先8M無源晶振，晶振兩端分別通過22pF的電容接地，另一個(gè)32.768K的晶振使用的15pF的電容接地電路簡單，并能很容易的就能使晶振起振。 圖14 最小核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖（3）芯片上的BOOT0和BOOT1引腳分別通過跳線帽可選高低電平，以改變芯片啟動模式，總共有三種啟動模式，其啟動模式說明如表2所示。 （4）模塊有4個(gè)數(shù)字電源供電引腳，1個(gè)模擬電源供電引腳以及相應(yīng)的接地引腳。在電源端要注意接濾波電容，模擬地和數(shù)字地引腳之間最好通過0電阻隔離。電源和地之間加若干去藕電容。（5）指示燈：最小系統(tǒng)用了兩個(gè)指示燈，為紅色LED。一個(gè)是電源指示燈，另一個(gè)則是接在PD2引腳的指示燈，可以指示相關(guān)程序的執(zhí)行與否。（6）因?yàn)橄到y(tǒng)選用的的是64引腳的STM32F103RBT6，在使用其AD功能時(shí)參考電壓是供電電壓，即3.3V。而超過100引腳的STM32芯片則有專門的Vref引腳，AD的參考電壓則由外部Vref引腳所接電壓決定。 啟動模式選擇管腳啟動模式說明BOOT1BOOT0X0用戶閃存存儲器用戶閃存存儲器被選為啟動區(qū)域01系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)存儲器被選為啟動區(qū)域11內(nèi)嵌SRAM內(nèi)嵌SRAM被選為啟動區(qū)域 表2 啟動模式說明3.3 反饋回路設(shè)計(jì)反饋回路主要是基于STM32F103RBT6的PID算法，在電源主路的輸出端引出分壓電阻進(jìn)行取樣，將取樣獲得的電壓信號進(jìn)行軟件濾波送入STM32的AD轉(zhuǎn)換輸入端口，為了保證速度選擇DMA通道傳輸，獲得的AD轉(zhuǎn)換后的電壓值與CPU內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較并運(yùn)用算法處理從而控制PWM的輸出以保證電源主路最終的輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)值。因?yàn)镾TM32最小系統(tǒng)是3.3V的供電電壓，而整個(gè)系統(tǒng)的電源主路輸入電壓是220V，如果STM32輸出的PWM波直接控制開關(guān)管可能會在開關(guān)管迅速的導(dǎo)通和閉合瞬間引進(jìn)220V整流后可達(dá)300V的反沖高壓尖脈沖，那么STM32就會直接被燒壞。導(dǎo)致必須做好隔離保護(hù)防止回流尖峰損壞精密器件STM32芯片。所以除了主電路的設(shè)計(jì)外，還需要輔助電源來給STM32單片機(jī)和驅(qū)動芯片提供所需電壓。具體電路如圖15所示。圖15 反饋回路電路圖 開關(guān)管的導(dǎo)通需要高于10V的電壓，因此還需要驅(qū)動電路將光耦輸出的5V高電平轉(zhuǎn)化為12V或更高以驅(qū)動MOS管。在滿足極限條件情況下，驅(qū)動電壓越高，PWM波的高電平對應(yīng)電壓也就越高，驅(qū)動開關(guān)MOS管就越快，那么開關(guān)損耗就會越小。3.4 輔助回路的設(shè)計(jì)3.4.1 輔助電源的設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要的是最終的輸出電壓，但要保證得到輸出電壓就必須保證各個(gè)模塊所需電壓的供應(yīng)穩(wěn)定，因此還需要輔助繞組后加穩(wěn)壓芯片得到所需的電壓，STM32需要的3.3V電壓用REG117-3.3穩(wěn)壓芯片，高速光耦6N137需要的5V電壓用LM7805提供，驅(qū)動芯片IR2011需要的12V電壓由LM7812提供。具體如圖16所