基于.-單片機(jī)控制的DC~DC變換器的設(shè)計(jì)

...wd......wd......wd...目錄第一章緒論11.1系統(tǒng)背景11.1.1綠色節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源11.1.2智能化數(shù)字電源11.1.3可編程開(kāi)關(guān)電源21.2電源技術(shù)的開(kāi)展與方向21.2.1線性電源和開(kāi)關(guān)電源21.2.2電源技術(shù)的開(kāi)展方向31.2.3開(kāi)關(guān)電源的市場(chǎng)前景和研究現(xiàn)狀4第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)52.1方案論證52.1.1DC-DC主回路拓?fù)錁?gòu)造52.1.2控制方法及實(shí)現(xiàn)方案62.2主體思路62.3軟件設(shè)計(jì)思路82.3.1軟件系統(tǒng)的邏輯控制92.3.2軟件系統(tǒng)的構(gòu)造92.4軟件設(shè)計(jì)局部概述92.4.1程序設(shè)計(jì)方法102.4.2軟件設(shè)計(jì)步驟10第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)113.1隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源113.2輸入電路設(shè)計(jì)123.2.1電壓整流技術(shù)123.2.2輸入濾波電容123.2.3輸入浪涌保護(hù)器件133.2.4輸入尖峰電壓保護(hù)143.3功率變換電路設(shè)計(jì)143.3.1隔離全橋推挽變換電路143.3.2推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)的計(jì)算163.3.3磁芯的選擇193.3.4計(jì)算脈沖信號(hào)的最大占空比D193.3.5計(jì)算一次繞組的電感量L203.3.6確定一次繞組的匝數(shù)N203.3.7確定自饋繞組N和二次繞組的匝數(shù)203.3.8計(jì)算空氣隙213.3.9設(shè)計(jì)本卷須知213.4功率管MOSFET及其驅(qū)動(dòng)213.4.1功率管MOSFET213.4.2驅(qū)動(dòng)電路233.4.3死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)273.5輸出電路設(shè)計(jì)283.5.1PWM濾波電路設(shè)計(jì)283.5.2檢測(cè)保護(hù)電路設(shè)計(jì)303.6PWM控制電路313.6.1TL494的構(gòu)造和性能313.6.2輸出電壓直接分壓作為誤差放大器的輸入343.7單片機(jī)控制模塊353.7.1C8051F350系列單片機(jī)特點(diǎn)353.7.3STC12C5616AD特點(diǎn)373.7.4STC12C5616AD應(yīng)用373.7.6可調(diào)式精細(xì)并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431393.7.7單片機(jī)雙機(jī)串行通信403.8人機(jī)交換模塊413.8.1編碼電位器輸入模塊413.8.2LED顯示器的顯示方式423.8.3數(shù)碼管顯示電路原理423.8.374HC595芯片性能42第五章系統(tǒng)調(diào)試434.1系統(tǒng)調(diào)試434.1.1系統(tǒng)調(diào)試的一般步驟44第六章總結(jié)與建議46完畢語(yǔ)47致謝49附錄1局部程序代碼50附錄2硬件附圖57第一章緒論1.1系統(tǒng)背景開(kāi)關(guān)電源已有幾十年的開(kāi)展歷史。1955年創(chuàng)造的自激推挽式晶體管單變壓器直流變換器，率先實(shí)現(xiàn)了高頻轉(zhuǎn)換控制功能；1957年創(chuàng)造的自激推挽式雙變壓器，1964提出的無(wú)工頻變壓器式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，有力地推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)步。1977年脈寬調(diào)制〔PWM〕控制器集成電路的問(wèn)世，1994年單片開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世，為開(kāi)關(guān)電源的推廣和普及創(chuàng)造了條件。與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的頻率也從最初的20KHz提高到幾千赫茲至幾兆赫茲。目前，開(kāi)關(guān)電源正朝高效節(jié)能，安全環(huán)保、短、小、輕、薄的方向開(kāi)展。各種新技術(shù)、新工藝和新器件如雨后春筍，不斷問(wèn)世，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用也日益普及。1.1.1綠色節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源目前，國(guó)外許多著名的IC廠家都在大力開(kāi)發(fā)低功耗，節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源集成電路。例如，美國(guó)PI公司采用EcoSmart節(jié)能技術(shù)，開(kāi)發(fā)的TOPSwitch-GX等系列的單片開(kāi)關(guān)電源。PI公司最近宣布，由于使用該公司EcoSmar技術(shù)的單片開(kāi)關(guān)電源IC，可為全球消費(fèi)者節(jié)約大約20億美元大的電費(fèi)。荷蘭Philips公司推出的TEA1520等系列的綠色芯片，都將高效節(jié)能放在重要位置。與此同時(shí)，綠色節(jié)能電源的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也被普遍采用。例如，美國(guó)早在1992年就制定了“能源之星〞方案，以降低開(kāi)關(guān)電源的空載功耗。美國(guó)加州能源委員會(huì)〔CEC〕制定的強(qiáng)制性節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)已從2006年7月1日開(kāi)場(chǎng)執(zhí)行，它要求電子產(chǎn)品必須大幅降低待機(jī)功耗和空載功耗。1.1.2智能化數(shù)字電源21世紀(jì)初問(wèn)世的智能數(shù)字電源系統(tǒng)以其優(yōu)良特性和完備的監(jiān)控功能，越來(lái)越引起人們的關(guān)注。數(shù)字電源提供了智能化的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)控，處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復(fù)雜的電源要求。此外，數(shù)字電源還可以通過(guò)遠(yuǎn)程診斷來(lái)確保系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性，包括故障管理，過(guò)電流保護(hù)以及防止停機(jī)等。數(shù)字電源的推廣，為實(shí)現(xiàn)智能化電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有力條件。數(shù)字電源的特點(diǎn)有下面幾點(diǎn)。它是以數(shù)字信號(hào)處理器〔DSP〕或微控制器〔MCU〕為核心，采用“整合數(shù)字電源〞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。能充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢(shì)，使所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源到達(dá)高技術(shù)指標(biāo)。便于構(gòu)成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)。1.1.3可編程開(kāi)關(guān)電源可調(diào)式開(kāi)關(guān)電源都是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值來(lái)改變穩(wěn)壓器輸出電壓的，不僅調(diào)節(jié)精度低，而且使用不夠方便，數(shù)字電位器〔DigitalPotentiometer〕亦稱(chēng)數(shù)控電阻器〔DigitallyControlledPotentiometer〕，可簡(jiǎn)稱(chēng)為DCP。利用數(shù)字電位器代替可調(diào)電阻，可構(gòu)成由計(jì)算機(jī)控制的可編程開(kāi)關(guān)電源。1.2電源技術(shù)的開(kāi)展與方向1.2.1線性電源和開(kāi)關(guān)電源線性穩(wěn)定電源，其特點(diǎn)是:它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來(lái)穩(wěn)定輸出，穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。線性電源的主要問(wèn)題在于：輸出精度低、效率低、散熱問(wèn)題大以及很難在一個(gè)通用的輸入電壓范圍內(nèi)工作，但最主要的缺陷還是在體積和重量上。通過(guò)輸入調(diào)整器可以使輸出精度增加，但這更增加功率消耗，并使效率更低。線性電源要到達(dá)50%的效率就不容易了，這些白白消耗掉的功率還帶來(lái)散熱問(wèn)題。如果要使線性電源在一個(gè)通用輸入電壓范圍(85V—265VAC)工作，會(huì)導(dǎo)致線性電源的效率更低。開(kāi)關(guān)電源就是開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，它的電路形式要有單端反激式、單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它的變壓器不工作在工頻上，而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲頻率上。功率開(kāi)關(guān)管工作在飽和區(qū)截止區(qū)，即工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)電源因此而得名。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠。多年來(lái)，由于技術(shù)上的障礙(高壓，大功率)，開(kāi)關(guān)電源集成電路在集成化上一直因一種電流模式PWM開(kāi)關(guān)電源控制器的設(shè)計(jì)得不到很大的進(jìn)步。但是最近這幾年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛開(kāi)展，能將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的問(wèn)世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化開(kāi)展，而后絕緣門(mén)極雙極晶體管的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻開(kāi)展帶來(lái)機(jī)遇。因此目前可以通過(guò)集成復(fù)雜的功能電路來(lái)進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的性能和安全性，這包括熱保護(hù)電路、限流電路、過(guò)/欠壓保護(hù)電路等。通過(guò)上面的分析我們可以看到，與線性電源相比，開(kāi)關(guān)電源輸出精度高，轉(zhuǎn)換效率高，性能可靠。除此之外，開(kāi)關(guān)電源最大的優(yōu)勢(shì)還在于能夠大幅縮小變壓器的體積和重量，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源的變壓器工作于50KHz到1MHz的高頻條件下，而不是像線性電源中的那樣工作于50Hz的低頻狀態(tài)，因此縮小了變壓器的體積和重量，而這也就縮小了整個(gè)電子系統(tǒng)的體積和重量。理論分析和實(shí)踐經(jīng)歷說(shuō)明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。如果把工作頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍，用電設(shè)備的體積重量可以下降至工頻設(shè)計(jì)的5-10%，其主要材料可節(jié)約90%或更高。一般說(shuō)來(lái)，開(kāi)關(guān)電源的重量是線性電源的1/4，相應(yīng)的體積大概是線性電源的1/3。因此，開(kāi)關(guān)電源代替線性電源是大勢(shì)所趨[1]。1.2.2電源技術(shù)的開(kāi)展方向開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)開(kāi)展動(dòng)向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化、小型、薄型、輕運(yùn)化。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國(guó)外目前都在致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時(shí)采用SMT技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。〔1〕高效電源管理從以前的線性設(shè)計(jì)到當(dāng)今的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，是高效電源開(kāi)展的一種集中表達(dá)。各國(guó)積極倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保而紛紛制定的高效電源標(biāo)準(zhǔn)，也是推動(dòng)高效節(jié)能電源、低待機(jī)能耗產(chǎn)品應(yīng)用的主要?jiǎng)恿?。尤其是未?lái)越來(lái)越多的中國(guó)產(chǎn)品將出口到國(guó)外，需要滿足歐美等國(guó)的電源標(biāo)準(zhǔn)，這將促進(jìn)中國(guó)企業(yè)對(duì)高效電源的需求。對(duì)于便攜式電源管理，效率尤為重要?！?〕低功耗隨著各種整機(jī)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)和社會(huì)對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視，功耗問(wèn)題逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)，電源管理和電源控制市場(chǎng)成為整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最為活潑的領(lǐng)域之一，降低電子產(chǎn)品功耗這一需求，將推動(dòng)電源管理器件市場(chǎng)的穩(wěn)步開(kāi)展?！?〕智能化運(yùn)用電源管理程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)電控制也是非常有效而可行的方法，目前大多數(shù)筆記本，普遍采用這種智能節(jié)電管理技術(shù)，它是利用軟件的方法對(duì)各主要耗電部件的用電狀態(tài)控制，對(duì)暫不工作的部件減少甚至停頓供電?！?〕高集成便攜式應(yīng)用的空間十分有限，這就迫使電源供給商把更多功能集成到更小的封裝內(nèi)，或者把多路電壓轉(zhuǎn)換集成到單芯片封裝內(nèi)。在日益競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，提供高效整合體積的解決方案勢(shì)在必行，且應(yīng)以整體電源方案為用戶降低本錢(qián)，提升效能與可靠度。〔5〕多功能2005年，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)宣布推出一款可為先進(jìn)應(yīng)用及通信處理器提供供電的電源管理產(chǎn)品。它具有可編程的靈活性，可為采用ARM技術(shù)的應(yīng)用及通信處提供穩(wěn)定的供電。它的電源管理單元FlexPMU是一個(gè)單芯片的解決方案，設(shè)有一個(gè)在一起的供電區(qū)。1.2.3開(kāi)關(guān)電源的市場(chǎng)前景和研究現(xiàn)狀電源管理始終是模擬IC市場(chǎng)最亮的看點(diǎn)，占到整個(gè)模擬IC市場(chǎng)31.2%的份額。據(jù)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2008年全球電源管理芯片銷(xiāo)售額將上升至295億美元，2003年到2008年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為12.7%，功率模擬器件將持續(xù)強(qiáng)勁地增長(zhǎng)，PC、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3以及數(shù)字電視成為最主要的增長(zhǎng)市場(chǎng)。從應(yīng)用領(lǐng)域看，電源管理芯片市場(chǎng)的焦點(diǎn)集中在便攜式產(chǎn)品、消費(fèi)類(lèi)電子、計(jì)算機(jī)、通訊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)工業(yè)設(shè)備、汽車(chē)電子對(duì)電源管理芯片的需求也呈上升趨勢(shì)，這些需求讓電源管理芯片市場(chǎng)倍添活力。由于人們?cè)谏詈凸ぷ髦械囊苿?dòng)性越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、MP3播放器等便攜式產(chǎn)品的需求將越來(lái)越大，預(yù)計(jì)2010年全球所有便攜式產(chǎn)品的出貨量將到達(dá)45億個(gè)，這些產(chǎn)品構(gòu)成了電源管理芯片巨大的需求市場(chǎng)。另外，由于便攜式產(chǎn)品中彩屏、音視頻、GPS等功能的日益多樣化，對(duì)電源管理芯片的要求也日益提高，如便攜式產(chǎn)品的空間十分有限，這就要求電源管理芯片廠商把更多的功能集成在更小封裝內(nèi)。我國(guó)于1974年研制成功了工作頻率10KHz，輸出電壓為5V的無(wú)工頻降壓型開(kāi)關(guān)電源。近20多年來(lái)，我國(guó)的許多研究所、工廠及高等院校已研制出多種型號(hào)的工作頻率在20kHz左右，輸出功率在1000W以下的無(wú)工頻降壓型開(kāi)關(guān)電源，并應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、電視等方面，取得了較好的效果。工作頻率為100KHz-200KHz的高頻開(kāi)關(guān)于上世紀(jì)80年代初期己開(kāi)場(chǎng)研制，90年代初就已研制成功，并逐漸走向?qū)嵱秒A段進(jìn)一步提高工作頻率。許多年來(lái)，雖然我國(guó)在開(kāi)關(guān)電源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我國(guó)的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)與一些先進(jìn)的國(guó)家相比仍有較大的差距。第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1方案論證開(kāi)關(guān)電源具有較快的開(kāi)展，從而產(chǎn)生了不同的設(shè)計(jì)思路。開(kāi)關(guān)電源的一般構(gòu)造框圖如圖2.1所示，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)不同的方案的比照得出了最正確方案的設(shè)計(jì)。圖2.1開(kāi)關(guān)電源的一般框圖2.1.1DC-DC主回路拓?fù)錁?gòu)造方案一：主回路采用非隔離推挽式拓?fù)錁?gòu)造〔如圖2.2所示〕，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，且輸出電壓與輸入電壓不隔離，容易引起觸電事故。圖2.2非隔離式DC-DC構(gòu)造方案二：主回路采用隔離推挽式拓?fù)錁?gòu)造〔如圖2.3所示〕，輸入與輸出電氣不相連，通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器的磁偶合方式傳遞能量，適合實(shí)驗(yàn)室使用。本設(shè)計(jì)采用方案二。圖2.3隔離式DC-DC構(gòu)造2.1.2控制方法及實(shí)現(xiàn)方案方案一:采用脈沖頻率調(diào)制FPM(PulseFrequencyModulation)的控制方式，其特征是固定脈沖寬度，利用改變開(kāi)關(guān)頻率的方法來(lái)調(diào)節(jié)占空比。輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍大，但要求濾波電路必須在寬頻帶下工作。方案二：采用脈沖寬度調(diào)制PWM〔PulseWildthModulation〕的控制方式，其特征是固定開(kāi)關(guān)的頻率，通過(guò)改變脈沖寬度改變占空比控制型效率高并具有良好的輸出電壓和噪聲?；谏鲜隹紴V及題目的具體要求，本設(shè)計(jì)選用PWM調(diào)制方式[2]。2.1.3提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案針對(duì)提高效率的問(wèn)題，使用了如下兩種方案。方案一：降低開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)的輸出整流管VD2的損耗，進(jìn)而提高變換效率?？梢赃x擇肖特基二極管，其正向傳輸損耗低，而且不存在反向恢復(fù)損耗。方案二：使斬波器斬波頻率與開(kāi)關(guān)變壓器的頻率相匹配。改變控制器的開(kāi)關(guān)頻率使得開(kāi)關(guān)變壓器的磁損耗到達(dá)最小，以提高電源的轉(zhuǎn)換效率。2.2主體思路采用C8051F350單片機(jī)和STC12C5616AD單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)基于控制PWM的不對(duì)稱(chēng)半橋式功率變換器的數(shù)字控制，實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓的設(shè)定和步進(jìn)的連續(xù)調(diào)整，最大輸出電流為5A。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓和輸出電流的顯示等功能。系統(tǒng)主要包括控制開(kāi)關(guān)電源模擬電路局部和單片機(jī)組成的數(shù)控局部。系統(tǒng)框圖如圖2.4所示電網(wǎng)電網(wǎng)整流濾波變壓整流驅(qū)動(dòng)放大MOSFET斬波UARTPWM調(diào)制主機(jī)反響檢測(cè)輸出保護(hù)輸出顯示從機(jī)A/D給定圖2.4系統(tǒng)總框圖輸入電路局部：首先由一個(gè)壓敏電阻對(duì)輸入的市電進(jìn)展尖峰電壓限幅，然后由一個(gè)扼流線圈對(duì)輸入浪涌電流進(jìn)展限流，再由全橋整流濾波電路將輸入電壓轉(zhuǎn)化成300V直流電壓。功率變換局部：本設(shè)計(jì)選用隔離式開(kāi)關(guān)變壓器，隔離式開(kāi)關(guān)電源都是用高頻變壓器作為主要隔離器件，并通過(guò)MOSFET功率管對(duì)300V直流電壓進(jìn)展PWM斬波，送入到高頻開(kāi)關(guān)變壓器進(jìn)展功率的變換及傳送。驅(qū)動(dòng)電路局部：高壓側(cè)MOSFET選用IRFPF50，低壓側(cè)選用IRF540和IRF5305。MOSFET的工作需要有專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電路，由MOSFET的各個(gè)參數(shù)算出選擇IR2110作為MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。IR2110是多通道，輸出電流為2A的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，其各個(gè)指標(biāo)都滿足本設(shè)計(jì)的要求。輸出電路局部：高頻開(kāi)關(guān)變壓器變送過(guò)來(lái)的高頻脈動(dòng)電動(dòng)勢(shì)不能直接用于輸出，需要對(duì)功率PWM波進(jìn)展高頻整流濾波。由PWM控制器的輸出PWM的頻率可知，整流管的開(kāi)關(guān)頻率必須大于500KHz。又由于輸出電流較大，整流管的壓降損耗嚴(yán)重，因此要選擇低導(dǎo)通壓降的快恢復(fù)二極管。經(jīng)過(guò)元器件的選型與比較，本設(shè)計(jì)選用MUR3060PT肖特基二極管。MUR3060PT肖特基二極管正向傳輸損耗低，而且不存在反向恢復(fù)損耗。PWM控制局部：由開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用控制芯片TL494控制PWM的輸出，TL494的振蕩頻率由其5、6引腳的RC值決定，約為f=1.1/〔RC〕。振蕩器產(chǎn)生的鋸齒形振蕩波送到PWM比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓送到PWM比較器的同相輸入端，通過(guò)PWM比較器進(jìn)展比較，輸出一定寬度的脈沖波。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時(shí)，TL494輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Ton，到達(dá)調(diào)節(jié)、穩(wěn)定輸出電壓的目的反響檢測(cè)局部：輸出電壓經(jīng)過(guò)電壓采樣、電流采樣后送到TL494的反響輸入端，從而到達(dá)控制脈沖寬度的調(diào)制。脈沖調(diào)寬電壓可由3腳直接送入的電壓來(lái)控制，也可分別從兩個(gè)誤差放大器的輸入端送入，通過(guò)比較、放大，經(jīng)隔離二極管輸出到PWM比較器的正相輸入端。兩個(gè)放大器可獨(dú)立使用，如分別用于反響穩(wěn)壓和過(guò)流保護(hù)。信號(hào)給定局部：本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)單片機(jī)同時(shí)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作。其中C8051F350單片機(jī)主要是對(duì)功率電路的控制和對(duì)輸出電壓、電流的采樣反響；STC12C5616AD單片機(jī)則對(duì)編碼電位器的輸入進(jìn)展解碼和數(shù)碼管的顯示。信號(hào)的給定則用PWM的方式進(jìn)展D/A輸出，對(duì)PWM進(jìn)展二階濾波后，信號(hào)的輸出電壓Uo=DU，其中U為PWM波形的高電平值。PWM選用16位計(jì)數(shù)方式，則D/A的分辨率為1/65535，此分辨率完全滿足了本設(shè)計(jì)的要求。兩個(gè)單片機(jī)之間的通信則選用單片自帶的UART，UART具有布線簡(jiǎn)單，編程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)自定義了一些通信協(xié)議。人機(jī)交換局部：電壓值的輸入由編碼電位器編碼輸入。編碼電位器與STC12C5616AD單片機(jī)相連，編碼電位器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的編碼，STC12C5616AD單片機(jī)對(duì)I/O口電平進(jìn)展定時(shí)采樣，以識(shí)別出編碼電位器的編碼，再由單片機(jī)按編碼電位器的編碼方法進(jìn)展解碼，從而獲得輸入的電壓值。顯示局部則由STC12C5616AD單片機(jī)將數(shù)據(jù)由I/O口按74HC595的讀寫(xiě)時(shí)序串行輸出，74HC595將輸出的數(shù)據(jù)串-并譯碼后直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示[3]。2.3軟件設(shè)計(jì)思路軟件設(shè)計(jì)完成的主要功能有三局部：設(shè)置輸出電壓；檢測(cè)輸出電壓；顯示輸出電壓。軟件流程說(shuō)明：當(dāng)電源翻開(kāi)的時(shí)候，MCU進(jìn)展復(fù)位，存放器清零。接著電源應(yīng)該顯示和輸出上次關(guān)機(jī)前的電壓大小，這時(shí)候MCU先讀取EEPROM中保存的電壓編號(hào)，根據(jù)電壓編號(hào)讀出對(duì)應(yīng)電壓，把該數(shù)據(jù)送到STC12C5616AD單片機(jī)，再轉(zhuǎn)換成BCD碼送到顯示局部。這時(shí)候程序循環(huán)檢測(cè)是否有旋鈕的旋轉(zhuǎn)，如果高位旋鈕被旋轉(zhuǎn)，電壓大小步進(jìn)變化，電壓數(shù)據(jù)加〔減〕1，相對(duì)應(yīng)輸出電壓〔POWER-OUT引腳〕以1V或者0.1V為單位改變大小，如果低位旋鈕被旋轉(zhuǎn)按下，當(dāng)前電壓數(shù)據(jù)加1，相對(duì)應(yīng)輸出電壓〔POWER-OUT引腳〕以0.001V或者0.01V為單位改變大小，保存設(shè)置電壓數(shù)據(jù)。保存該電壓編號(hào)，讀對(duì)應(yīng)電壓，并將電壓值送到STC12C5616AD單片機(jī)并且用數(shù)碼管顯示。2.3.1軟件系統(tǒng)的邏輯控制從本系統(tǒng)的硬件原理圖〔見(jiàn)附錄〕中可以分析出軟件系統(tǒng)的邏輯控制方式，其邏輯控制圖如圖2-5所示。軟件的設(shè)計(jì)就是對(duì)串口、顯示、編碼器、PWM、ADC這五個(gè)模塊的控制。STC12C5616ADSTC12C5616ADC8051F350雙機(jī)通信輸入模塊顯示模塊A/D模塊PWM給定圖2.5系統(tǒng)軟件邏輯控制圖2.3.2軟件系統(tǒng)的構(gòu)造根據(jù)軟件系統(tǒng)的邏輯控制方式可以分析出軟件系統(tǒng)的總體構(gòu)造，在主模塊的控制下，內(nèi)部處理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和用戶交互模塊共同完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。軟件系統(tǒng)構(gòu)造圖如圖2-6所示。主控模塊主控模塊內(nèi)部處理模塊用戶交換界面數(shù)據(jù)采集模塊ADC轉(zhuǎn)換PWM給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)顯示模塊串口通信模塊圖2.6軟件系統(tǒng)構(gòu)造圖2.4軟件設(shè)計(jì)局部概述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選擇考慮到所要實(shí)現(xiàn)的功能較多，雖然匯編語(yǔ)言產(chǎn)生的目標(biāo)程序簡(jiǎn)短，占用存儲(chǔ)空間較小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，C語(yǔ)言編程會(huì)占用較大的存儲(chǔ)空間，而且C語(yǔ)言的實(shí)時(shí)性較差，但是C語(yǔ)言編程比較簡(jiǎn)單。本次設(shè)計(jì)利用C語(yǔ)言作為主程序，分別調(diào)用了AD轉(zhuǎn)換子程序，PWM子程序，編碼器中斷子程序，串口中斷子程序，數(shù)碼管LED顯示子程序。2.4.1程序設(shè)計(jì)方法〔1〕構(gòu)造化程序設(shè)計(jì)：是給程序施加一定的約束，它限定采用規(guī)定的構(gòu)造類(lèi)型和操作順序。構(gòu)造化程序設(shè)計(jì)規(guī)定任何程序序列必須由直線順序構(gòu)造，條件構(gòu)造，循環(huán)構(gòu)造根本形式組成。但它只考慮操作的順序而不考慮數(shù)據(jù)因此不適合數(shù)據(jù)處理?！?〕自頂向下的程序設(shè)計(jì)：這種設(shè)計(jì)方法是先從系統(tǒng)一級(jí)的管理程序開(kāi)場(chǎng)設(shè)計(jì)，附屬的程序或子程序用一些程序符號(hào)來(lái)代替。當(dāng)系統(tǒng)一級(jí)的程序編寫(xiě)后，在將各個(gè)標(biāo)志擴(kuò)展成附屬程序或子程序，最后完成整個(gè)系統(tǒng)程序?！?〕模塊化程序設(shè)計(jì)：模塊實(shí)質(zhì)就是具有一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段。模塊能夠獨(dú)立地完成一定功能，能獨(dú)立設(shè)計(jì)、查錯(cuò)、調(diào)試、修改與維護(hù)。模塊化程序設(shè)計(jì)是把整個(gè)系統(tǒng)按照一定規(guī)則劃分成假設(shè)干個(gè)模塊，并且對(duì)劃分的模塊可進(jìn)一步詳細(xì)劃分，直到最下層的每個(gè)模塊能相對(duì)獨(dú)立且容易編程為止。本次設(shè)計(jì)就是采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，基于這種思想，縮短了程序開(kāi)發(fā)的周期。2.4.2軟件設(shè)計(jì)步驟〔1〕系統(tǒng)定義：就是清楚地列出系統(tǒng)的各個(gè)局部與軟件設(shè)計(jì)有關(guān)的特點(diǎn)，并進(jìn)展定義，以作為軟件設(shè)計(jì)的依據(jù)，系統(tǒng)定義是對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的描述。〔2〕程序設(shè)計(jì)：程序設(shè)計(jì)是制定程序的綱要，也就是將系統(tǒng)定義的問(wèn)題用程序的方式進(jìn)展描述、繪制流程圖，構(gòu)造化程序設(shè)計(jì)、模塊化程序設(shè)計(jì)和自頂向下設(shè)計(jì)等，都是此步驟的有效方法?！?〕文件文件編制是用流程圖、注釋、存儲(chǔ)器分配說(shuō)明等方法來(lái)描述程序來(lái)形成文件，以便用戶和操作人員了解。文件編制的好壞，直接影響到程序的使用、維護(hù)和擴(kuò)大?！?〕維護(hù)和再設(shè)計(jì)：當(dāng)軟件投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，一方面可能會(huì)發(fā)生各種現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，因而需要進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)展改造和完善；另一方面，用戶往往會(huì)由于環(huán)境或技術(shù)條件的變化，提出比原方案更多的要求，因而需要對(duì)原系統(tǒng)軟件進(jìn)展改良和擴(kuò)大，然后再重新固化，以適應(yīng)情況變化的要求。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源隔離式開(kāi)關(guān)電源的變換器具有多種形式。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等。在設(shè)計(jì)電源時(shí)，設(shè)計(jì)者采取哪種變換器電路形式，主要根據(jù)本錢(qián)、要到達(dá)的性能指標(biāo)等因素來(lái)決定。各種形式的電源電路的根本功能塊是一樣的，只是完成這些功能的技術(shù)手段有所不同。隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源電路的共同特點(diǎn)就是具有高頻變壓器，直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞組的脈沖電壓整流濾波而來(lái)。開(kāi)關(guān)電源的根本功能框圖如圖3.1所示。圖3.1開(kāi)關(guān)電源的根本功能框圖圖3.1中，交流線路電壓無(wú)論是來(lái)自電網(wǎng)的，還是經(jīng)過(guò)變壓器降壓的，首先要經(jīng)過(guò)整流、濾波電路變成含有一定脈動(dòng)電壓成分的直流電壓，然后進(jìn)入高頻變換局部。高頻變換局部的核心是有一個(gè)高頻功率開(kāi)關(guān)元件，比方開(kāi)關(guān)晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)等元件，高頻變換局部產(chǎn)生高頻(20kHz以上)高壓方波，所得到的高壓方波送給高頻隔離降壓變壓器的初級(jí)，在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出的電壓被整流、濾波后就產(chǎn)生了低壓直流電壓。為了調(diào)節(jié)輸出電壓，使得在輸入交流和輸出負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓能保持穩(wěn)定，在這里采用一個(gè)叫做脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的電路，通過(guò)對(duì)輸出電壓采樣，并把采樣的結(jié)果反響給控制電路，控制電路把它與基準(zhǔn)電壓進(jìn)展比較，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)控制高頻功率開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例(占空比)，到達(dá)調(diào)整輸出電壓的目的[4]。在方波的上升沿和下降沿，有很多高次諧波，如果這些高次諧波反響到輸入交流線，就會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，在交流輸入端，必須要設(shè)置無(wú)線頻率干擾(RFl)濾波器，把高頻干擾減少到可接收的范圍。此外，為了使整個(gè)電路安全可靠地工作，還要設(shè)計(jì)輔助電路，主要包括過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路等。3.2輸入電路設(shè)計(jì)前面已經(jīng)提到，隔離式開(kāi)關(guān)電源是直接對(duì)輸入的交流電壓進(jìn)展整流，而不需要低頻線性隔離變壓器?，F(xiàn)代的電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國(guó)際市場(chǎng)的需求，所以他們所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源必須要適應(yīng)世界范圍的交流輸入電壓，通常是180-260v的范圍。220V市電經(jīng)整流橋整流以后，變?yōu)榧s300V的。如圖3.2所示。圖3.2輸入電路原理圖3.2.1電壓整流技術(shù)在前面已經(jīng)提到，隔離式開(kāi)關(guān)電源是直接對(duì)輸入的交流電壓進(jìn)展整流，而不需要低頻線性隔離變壓器。現(xiàn)代的電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國(guó)際市場(chǎng)的需求，所以他們所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源必須要適應(yīng)世界范圍的交流輸入電壓，通常是180-260v的范圍。220V市電經(jīng)整流橋整流以后，變?yōu)榧s300V的脈動(dòng)電壓，再由濾波電容平滑濾波后，得到較為平直的300V直流電壓，以給開(kāi)關(guān)變壓器供電。3.2.2輸入濾波電容在交流輸入電壓最低時(shí)，整流濾波后的直流電壓的脈動(dòng)值Vpp是最低輸入交流電壓峰值的20%-25%。設(shè)輸入交流電壓的變化范圍為Vline(min)～Vline(max)，頻率f=40khz。相電壓有效值：Vline(min)～Vline(max)：220V*〔15%～20%〕=176～253V相電壓峰值：Vline(min)～Vline(max)：249～358V整流濾波后直流電壓的最大脈動(dòng)值：Vpp=Vline(min)*〔20%～25%〕=50V〔單相〕整流濾波后的直流電壓Vin:〔Vline(min)-Vpp〕～Vline(max)為了保證整流濾波后的直流電壓最小值Vin(min)符合要求，每個(gè)周期中Cin所提供的能量約為：Win====15.7(焦耳)每個(gè)半周期輸入濾波電容所提供的能量為：=Cin[(Vline(min))2-Vin(min)2]〔3-1〕因此輸入濾波電容容量為：Cin=Win/((Vline(min))2-Vin(min)2)=713F〔3-2〕上式中，變壓器轉(zhuǎn)換率=70%，由于我們提供的是單相輸入則：A=1，頻率f=40KHZ。3.2.3輸入浪涌保護(hù)器件隔離式開(kāi)關(guān)電源在加電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極高的浪涌電流。所以必須在電源的輸入端采取一些限流措施，才能有效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)場(chǎng)導(dǎo)通的瞬間，電容對(duì)交流呈現(xiàn)出很低的阻抗，一般情況下，只是電容的E5R值。如果不采取任何保護(hù)措施，浪涌電流可接近幾百安培。通常廣泛采用的措施有兩種，一種方法是利用電阻一雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；另一種方法是采用負(fù)溫度系數(shù)(NTc)的熱敏電阻。用以增加對(duì)交流線路的阻抗，把浪捅電流減小到安全值。本設(shè)計(jì)采用負(fù)溫度系數(shù)(NTc)的熱敏電阻[5]。熱敏電阻技術(shù)：這種方法是把NTc(負(fù)溫度系數(shù))的熱敏電阻串聯(lián)在交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過(guò)橋式整流后的直流線上。RTl和RTz與NTc熱敏電阻的電阻—溫度特性和溫度系數(shù)的關(guān)系如圖3.3所示圖3.3熱敏電阻的溫度系數(shù)圖3.3中，α是熱敏電阻的溫度系數(shù)，用每度百分比(％／c)表示。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源接通時(shí)，熱敏電阻的阻值根本上是電阻的標(biāo)稱(chēng)值。這樣，由于阻值較大，它就限制了浪涌電流。當(dāng)電容開(kāi)場(chǎng)充電時(shí)，充電電流流過(guò)熱敏電阻，開(kāi)場(chǎng)對(duì)其加熱。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著電阻的加熱，其電阻值開(kāi)場(chǎng)下降，如果熱敏電阻選擇得適宜，在負(fù)載電流到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其阻值應(yīng)該是最小。這樣，就不會(huì)影響整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的效率。3.2.4輸入尖峰電壓保護(hù)在一般情況下，交流電網(wǎng)上的電壓為220v左右，但有時(shí)也會(huì)有高壓的尖峰出現(xiàn)。比方電網(wǎng)附近有電感性開(kāi)關(guān)，暴風(fēng)雨天氣時(shí)的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高尖峰的因素。受?chē)?yán)重的雷電影響，電網(wǎng)上的高壓尖峰可達(dá)5kv。另一方面，電感性開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰的能量滿足下面的公式：〔3-3〕式3-3中L是電感器的漏感，I是通過(guò)線圈的電流。由此可見(jiàn)，雖然電壓尖峰持續(xù)的時(shí)間很短，但是它確有足夠的能量使開(kāi)關(guān)電源的輸入濾波器、開(kāi)關(guān)晶體管等造成致命的損壞，所以必須要采取措施加以防止[6]。用在這種環(huán)境中最通用的抑制干擾器件是金局氧化物壓敏電阻(MOV)瞬態(tài)電壓抑制器。當(dāng)高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時(shí)，它的阻抗急劇減小到一個(gè)低值，消除了尖峰電壓使輸入電壓到達(dá)安全值。瞬間的能量消耗在壓敏電阻上，在選擇壓敏電阻時(shí)應(yīng)按下述步驟進(jìn)展?！?〕選擇壓敏電阻的電壓額定值，應(yīng)該比最大的電路電壓穩(wěn)定值大10％-20％；〔2〕計(jì)算或估計(jì)出電路所要承受的最大瞬間能量的焦?fàn)枖?shù)；〔3〕查明器件所需要承受的最大尖峰電流。上述幾步完成后，就可以根據(jù)壓敏電阻參數(shù)資料選擇適宜的壓敏電阻器件。3.3功率變換電路設(shè)計(jì)3.3.1隔離全橋推挽變換電路一般情況下，隔離式開(kāi)關(guān)電源都是用高頻變壓器作為主要隔離器件。在電路中，它是以變壓器的形式出現(xiàn)的，但實(shí)際上它起的作用是扼流圈。典型的全橋推挽式隔離變換器電路構(gòu)造如圖3.4所示圖3.4典型的全橋推挽式隔離變換器電路構(gòu)造圖3.4是輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源電路。在全波整流輸出的LC儲(chǔ)能濾波電路中可以省去一個(gè)續(xù)流二極管，因?yàn)橛糜谌ㄕ鞯膬蓚€(gè)二極管可以輪流充當(dāng)續(xù)流二極管的作用。雙激式開(kāi)關(guān)電源比單激式開(kāi)關(guān)電源，具有輸出功率大、電壓紋波小、電壓輸出特性好等優(yōu)點(diǎn)，如圖3.5所示：圖3.5推挽式開(kāi)關(guān)變壓器電源各主要工作點(diǎn)的電壓、電流波形圖3.5a〕表示控制開(kāi)關(guān)K1接通時(shí)，變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓波形。圖3.5b〕表示控制開(kāi)關(guān)K2接通時(shí)，變壓器初級(jí)線圈N2繞組兩端的電壓波形。圖3.5c〕表示控制開(kāi)關(guān)K1和K2輪流接通時(shí)，變壓器N3繞組兩端電壓Uo的波形。圖3.5d〕表示開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)全波整流后的電壓波形。圖3.5c〕中，Up、Up-分別表示開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓Uo的正最大值〔半波平均值〕和負(fù)最大值〔半波平均值〕，[Up]、[Up-]分別表示開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端反激輸出電壓的正最大值〔半波平均值〕和負(fù)最大值〔半波平均值〕。圖3.5d〕中，實(shí)線波形對(duì)應(yīng)控制開(kāi)關(guān)K1接通時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)橋式或全波整流后的波形；虛線波形對(duì)應(yīng)控制開(kāi)關(guān)K2接通時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)橋式或全波整流后的波形。Ua表示整流輸出電壓的平均值。圖3.5d〕中，僅用儲(chǔ)能電容對(duì)整流輸出電壓進(jìn)展濾波，是很難從脈動(dòng)直流中取出輸出電壓的平均值的，必須同時(shí)使用儲(chǔ)能濾波電感才能取出輸出電壓的平均值。根據(jù)圖3.4和圖3.5，把整流輸出電壓Uo和LC濾波電路的電壓Uc、電流iL整定，以便用來(lái)計(jì)算推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容的參數(shù)。〔3-4〕或〔3-5〕同時(shí)可以求得輸出電壓Uo為：〔3-6〕3.3.2推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)的計(jì)算在圖3.4中，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K1接通時(shí)，輸入電壓Ui通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K1加到開(kāi)關(guān)變壓器線圈N1繞組的兩端，在控制開(kāi)關(guān)K1接通Ton期間，開(kāi)關(guān)變壓器線圈N3繞組輸出一個(gè)幅度為Up〔半波平均值〕的正激電壓uo，然后加到儲(chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容C組成的濾波電路上，在此期間儲(chǔ)能濾波電感L兩端的電壓eL為：〔3-7〕式3-4中：Ui為輸入電壓，Uo為直流輸出電壓，即：Uo為濾波電容兩端電壓uc的平均值。在此說(shuō)明：由于電容兩端的電壓變化增量ΔU相對(duì)于輸出電壓Uo來(lái)說(shuō)非常小，為了簡(jiǎn)單，我們這里把Uo當(dāng)成常量來(lái)處理。

對(duì)式進(jìn)展積分得：〔3-8〕式中i〔0〕為初始電流〔t=0時(shí)刻流過(guò)電感L的電流〕，即：控制開(kāi)關(guān)K1剛接通瞬間，流過(guò)電感L的電流，或稱(chēng)流過(guò)電感L的初始電流。從圖3.5中可以看出i〔0〕=Ix。當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K由接通期間Ton突然轉(zhuǎn)換到關(guān)斷期間Toff的瞬間，流過(guò)電感L的電流iL到達(dá)最大值：〔3-9〕從圖3.5可以看出，，，即：〔3-10〕根據(jù)3-9式，3-10式還可進(jìn)一步求得：〔3-11〕該式就是計(jì)算推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的表達(dá)式。式中，Uo為推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓，Ui為推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸入電壓，Up為推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組的正激輸出電壓，Up-為推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組的反激輸出電壓，n為開(kāi)關(guān)電源次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。根據(jù)上面分析結(jié)果，式3-9可以寫(xiě)為：〔3-12〕或〔3-13〕由式3-9可知，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K1、K2的占空比均為0.5時(shí)，Upa與Upa-根本相等，由此我們也可以認(rèn)為Up與Up-根本相等。由于，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K1、K2的占空比均為0.5時(shí)，式3-12和式3-13的計(jì)算結(jié)果為0。因此，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K1、K2的占空比均為0.5時(shí)，推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源經(jīng)整流后輸出的電壓波形根本上是純直流，沒(méi)有交流成分，輸出電壓Uo等于最大值Up，因此，可以不需要儲(chǔ)能電感濾波。但是，如果要求輸出電壓可調(diào)，推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源的兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2的占空比必須要小于0.5；因?yàn)橥仆焓阶儔浩鏖_(kāi)關(guān)電源正反激兩種狀態(tài)都有電壓輸出，所以在同樣輸出電壓〔平均值〕的情況下，兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2的占空比相當(dāng)于要小一倍。由此可知，當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時(shí)，占空比最好取值為0.25。當(dāng)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2的占空比取值均為0.25時(shí)，Upa=3Upa-，由此也可以認(rèn)為Up等于3Up-。把上面條件代入3-13式，可求得：〔3-14〕或〔3-15〕同時(shí)可以求得輸出電壓Uo為：〔3-16〕(3-14〕、〔3-15〕、〔3-16〕式就是計(jì)算推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)式〔D為0.25時(shí)〕。式中Uo為推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓，Ui為推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸入電壓，T為控制開(kāi)關(guān)的工作周期，F(xiàn)為控制開(kāi)關(guān)的工作頻率，n為開(kāi)關(guān)電源次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。同理，〔3-14〕、〔3-15〕、〔3-16〕式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感L的中間值，或平均值，對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。交流電源經(jīng)過(guò)整流橋D1和電容C4整流和濾波后，產(chǎn)生直流高壓U1給高頻變壓器一次繞組供電。D4和D7能將漏感產(chǎn)生的尖峰電壓鉗位到安全值，并能衰減振鈴電壓。D4采用反向擊穿電壓為200V的瞬態(tài)電壓抑制器P6KE200，D7選用1A/1000V的超快恢復(fù)二極管IN4007。二次繞組電壓能過(guò)D6、C13、L1低通扼流圈、C14、C15整流濾波，獲得5V輸出電壓。5V電壓值是由TL431提供穩(wěn)定電壓，R6和R7能設(shè)定輸出電壓值，并能為輸出提供一個(gè)假負(fù)載，用以提高輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率。3.3V電壓是經(jīng)5V穩(wěn)壓后得到的。由R4和IC1來(lái)調(diào)節(jié)控制端電流，通過(guò)改變輸出占空比到達(dá)穩(wěn)壓目的。共模扼流圈T2能減小由一次繞組接D端的高壓開(kāi)關(guān)波形所產(chǎn)生的共模泄漏電流。C12為保護(hù)電容，用于濾掉由一次、二次繞組耦合電容引起的干攏。C16不僅能濾除加在控制端上的尖峰電流，而且決定了自啟動(dòng)頻率。由于隔離變壓器T除了具有初、次級(jí)間安全隔離的作用外，它還有變壓器和扼流圈的作用，所以在全橋推挽式變換器的輸出局部一般不需要加電感，但在實(shí)際應(yīng)用中，往往在整流器和濾波電容之間加一個(gè)小的電感線圈，用以降低高頻開(kāi)關(guān)噪聲的峰值[7]。3.3.3磁芯的選擇高頻變壓器的最大承受功率P與磁芯截面積S〔單位是cm〕之間存在下述經(jīng)歷公式。S=0.11〔3-17〕其中，P的單位是W?，F(xiàn)實(shí)際輸出功率P=420W。設(shè)開(kāi)關(guān)電源的效率=70%，則高頻變壓器的額定輸入功率P=P/=600W。設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)應(yīng)留出余量，可取P=700W，代入式〔3-17〕中求出S=2.91cm。查表3-8-2可知，PQ50/50型磁芯的S=3.28cm，與之最為接近。E-43的飽和磁通密度B=400mT，使用時(shí)為防止出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象而損壞開(kāi)關(guān)功率管，可取磁通密度B=150mT。表3.1PQ型磁芯規(guī)格及參數(shù)型號(hào)ABCDEFIAe

(c㎡)Le

(cm)Ve

(cm3)AL

(nH/N2)μePQ20/1620.58.214188.712.55.40.623.742.3138801868PQ20/2020.510.214188.712.57.40.624.542.7933101944PQ26/2026.510.219231212.65.91.194.635.4961701920PQ26/2526.512.51922.512.215.57.91.185.556.5352501972PQ32/203210.42227.513.7195.61.705.559.4273101896PQ32/303215.32227.513.71910.51.617.4611.9751401898PQ35/353517.5263214.623.512.351.968.7917.2648601733PQ40/404120.0283715.227.514.62.0110.1920.4543001738PQ50/505025.1324420.3531.517.93.2811.337.24672018503.3.4計(jì)算脈沖信號(hào)的最大占空比D當(dāng)電網(wǎng)電壓在220V±20%范圍內(nèi)變化時(shí)，就對(duì)應(yīng)于176~264V。經(jīng)全波整流和濾波后直流輸入電壓的最大值、最小值分別為U≈360V，U≈240V。由于采用的是全橋推挽式變換電路，故占空比D可到達(dá)100%，但考慮到要留一定的死區(qū)時(shí)間，以免燒壞MOSFET管，因此D取80%。3.3.5計(jì)算一次繞組的電感量L高頻變壓器一次繞組的電感量L由下式確定L=〔3-18〕將=70%，U=240V，U=80%，f=100kHz一并代入式〔3-8-4〕中得到L==0.31mH設(shè)滿載時(shí)的峰值電流為I，在進(jìn)展短路保護(hù)時(shí)的過(guò)載電流為I，有公式I=〔3-19〕I=1.3I〔3-20〕不難求出I==6.25A〔3-21〕I=8.125A〔3-22〕在上一次繞組上儲(chǔ)存的電能為W==10.2mJ〔3-23〕3.3.6確定一次繞組的匝數(shù)N一次繞組的安匝數(shù)N與所儲(chǔ)存的電能W之間存在下述關(guān)系式N=〔3-24〕將W=10.2mJ，B=130mT，S=3.28cm一并代入〔3-24〕中，得到N=469.0安匝。因此N==58.5匝〔3-25〕實(shí)取N=60匝，可采用的高強(qiáng)度漆包線繞制而成。3.3.7確定自饋繞組N和二次繞組的匝數(shù)一旦一次繞組匝數(shù)確定之后，利用下式即可計(jì)算N、的匝數(shù)N=〔3-26〕式中——繞組N〔或〕兩端的電壓；U——輸出整流二極管的正向壓降。自饋繞組U回路中的整流管VD采用FR305型快恢復(fù)二極管，其中U≈1V。繞組兩端的有效值電壓為20V時(shí)，經(jīng)整流濾波后可獲得大約16V的直流電源，向TL494供電。不難算出N==12.1匝〔3-27〕實(shí)取N=11匝，采用的高強(qiáng)度漆包線繞制。二次繞組回路中選用肖特基整流二極管MUR3060PT，U≈0.4V，=40V，故==12匝〔3-28〕鑒于當(dāng)輸出電流I到達(dá)5A時(shí)，在繞組的銅阻及輸出引線電阻上均會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，會(huì)造成輸出電壓的跌落，因此應(yīng)適應(yīng)當(dāng)增加的匝數(shù)，以增加。實(shí)際去=13匝，用4股的高強(qiáng)度漆包線并聯(lián)后繞制而成，電流密度可用J=2.1A/mm。3.3.8計(jì)算空氣隙為防止高頻變壓器發(fā)生磁飽和現(xiàn)象而損壞開(kāi)關(guān)功率管，需在E-43型磁芯的兩個(gè)側(cè)面各留出一定的空氣隙。假定磁場(chǎng)集中于氣隙處而未向外部泄露，則=0.06cm=0.6mm〔3-29〕每邊可留出0.3mm的氣隙，亦可取0.4~0.5mm的空氣隙。3.3.9設(shè)計(jì)本卷須知〔1〕由于所選磁芯材料、元器件參數(shù)以及高頻變壓器制作工藝的不同，必要時(shí)需對(duì)匝數(shù)做適當(dāng)調(diào)整。例如當(dāng)偏低時(shí)刻適當(dāng)增加、的匝數(shù)，可達(dá)6匝，應(yīng)以加額定負(fù)載后輸出電壓能到達(dá)40V為準(zhǔn)?！?〕空載時(shí)會(huì)升高到40~45V，這屬于正?，F(xiàn)象。必要時(shí)可在輸出端并聯(lián)一只阻值較小的假負(fù)載，或者接一只穩(wěn)壓管，把空載電壓降下來(lái)，使之接近于40V[8]。3.4功率管MOSFET及其驅(qū)動(dòng)3.4.1功率管MOSFET功率MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大的優(yōu)點(diǎn)，因而非常適合用作開(kāi)關(guān)電源〔switch-modepowersupplies，SMPS〕的整流組件。功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導(dǎo)通之前要先對(duì)該電容充電，當(dāng)電容電壓超過(guò)閾值電壓〔VGS-TH〕時(shí)MOSFET才開(kāi)場(chǎng)導(dǎo)通。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)等效柵極電容〔CEI〕的充電。功率MOSFET以其導(dǎo)通電阻低和負(fù)載電流大的突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為SMPS控制器中開(kāi)關(guān)組件的最正確選擇，專(zhuān)用MOSFET驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)又為優(yōu)化SMPS控制器帶來(lái)了契機(jī)。那些與SMPS控制器集成在一起的驅(qū)動(dòng)器只適用于電路簡(jiǎn)單、輸出電流小的產(chǎn)品；而那些用分立的有源或無(wú)源器件搭成的驅(qū)動(dòng)電路既不能滿足對(duì)高性能的要求，也無(wú)法獲得專(zhuān)用單片式驅(qū)動(dòng)器件的本錢(qián)優(yōu)勢(shì)。專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器的脈沖上升延時(shí)、下降延時(shí)和傳播延遲都很短暫，電路種類(lèi)也非常齊全，可以滿足各類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要。在計(jì)算柵極驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，最常犯的一個(gè)錯(cuò)誤就是將MOSFET的輸入電容〔CISS〕和CEI混為一談，于是會(huì)使用下面這個(gè)公式去計(jì)算峰值柵極電流。I=C(dv/dt)〔3-30〕實(shí)際上，CEI的值比CISS高很多，必須要根據(jù)MOSFET生產(chǎn)商提供的柵極電荷〔QG〕指標(biāo)計(jì)算。QG是MOSFET柵極電容的一局部，計(jì)算公式如下：QG=QGS+QGD+QOD〔3-31〕QG--總的柵極電荷QGS--柵極-源極電荷QGD--柵極-漏極電荷〔Miller〕QOD--Miller電容充滿后的過(guò)充電荷典型的MOSFET曲線如圖3.6所示，很多MOSFET廠商都提供這種曲線。可以看到，為了保證MOSFET導(dǎo)通，用來(lái)對(duì)CGS充電的VGS要比額定值高一些，而且CGS也要比VTH高。柵極電荷除以VGS等于CEI，柵極電荷除以導(dǎo)通時(shí)間等于所需的驅(qū)動(dòng)電流〔在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通〕[9]。圖3.6典型的MOSFET曲線用公式表示如下：QG=(CEI)(VGS)〔3-32〕IG=QG/t〔3-33〕其中：QG總柵極電荷，定義同上。CEI等效柵極電容VGS柵-源極間電壓IG使MOSFET在規(guī)定時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通所需柵極驅(qū)動(dòng)電流3.4.2驅(qū)動(dòng)電路在選擇開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，本電源主功率管選用的是電壓型驅(qū)動(dòng)方式的MOSFET，每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管180°互補(bǔ)導(dǎo)通，每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路相互隔離。如果要驅(qū)動(dòng)功率較大的MOSFET，控制芯片的驅(qū)動(dòng)能力就顯得不夠了，那么可以將控制芯片的驅(qū)動(dòng)信號(hào)加以功率放大。驅(qū)動(dòng)脈沖的傳播延時(shí)必需很短〔與開(kāi)關(guān)頻率匹配〕，才能保證高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET具有相等的導(dǎo)通延遲和截止延遲。例如，IR2110驅(qū)動(dòng)器的脈沖上升沿和下降沿的傳播延遲均小于10ns。電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性[3I。尤其是上管采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減少，本開(kāi)關(guān)電源主功率局部采用1片IR2110來(lái)驅(qū)動(dòng)全橋推挽的2個(gè)MOSFET，僅需一路10V～20V的電源。這樣不僅降低了產(chǎn)品本錢(qián)，并且提高了系統(tǒng)可靠性。其耐壓最高可達(dá)500V；功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍10-20V；輸出電流峰值為2A；而且邏輯電源地和功率地之間允許+5V的偏移量；帶有下拉電阻的COMS施密特輸入端，可以方便地與LSTTL和CMOS電平匹配；獨(dú)立的低端和高端輸入通道，具有欠電壓同時(shí)鎖定兩通道功能；兩通道的匹配延時(shí)為10ns；開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間小，分別為100ns和90ns；工作頻率達(dá)500kHz。綜上考慮，選擇了如圖3.7的驅(qū)動(dòng)電路：圖3.72110驅(qū)動(dòng)電路上述電路中R5，R6，R7，R8四個(gè)電阻是作用是使電路均衡，緩沖和保護(hù)限流作用。四個(gè)開(kāi)關(guān)的作用是在飽和時(shí)驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)。電容C6和電阻R9的作用是濾去高頻局部，防止高頻振蕩。以下為IR2110引腳功能：1腳：L0，低端輸出；2腳：COM，低端電源公共端；3腳：VCC，低端固定電源電壓；5腳：VS，高端浮置電源公共端；6腳：VB，高端浮置電源電壓；7腳：H0，高端輸出；9腳：VDD，邏輯電路電源電壓；10腳：HIN，邏輯輸入控制端；11腳：SD，輸入關(guān)閉端；12腳：LIN，低端邏輯輸入；13腳：GND，邏輯電路接地端。IR2110的內(nèi)部功能框圖如圖3.8所示。由三個(gè)局部組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電壓組的數(shù)量。圖3.8IR2110的內(nèi)部構(gòu)造圖1.高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的自舉原理IR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋的電路如圖3.9所示。圖中C1、VD1分別為自舉電容和二極管，C2為VCC的濾波電容。假定在S1關(guān)斷期間C1已充到足夠的電壓〔VC1≈VCC〕。當(dāng)HIN為高電平時(shí)VM1開(kāi)通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的門(mén)極和發(fā)射極之間，C1通過(guò)VM1，Rg1和S1門(mén)極柵極電容Cgc1放電，Cgc1被充電。此時(shí)VC1可等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)HIN為低電平時(shí)，VM2開(kāi)通，VM1斷開(kāi)，S1柵電荷經(jīng)Rg1、VM2迅速釋放，S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間〔td〕之后，LIN為高電平，S2開(kāi)通，VCC經(jīng)VD1，S2給C1充電，迅速為C1補(bǔ)充能量。如此循環(huán)反復(fù)。圖3.9IR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋的電路2.自舉元器件的分析與設(shè)計(jì)〔1〕自舉電容的設(shè)計(jì)IGBT和PM〔POWERMOSFET〕具有相似的門(mén)極特性。開(kāi)通時(shí)，需要在極短的時(shí)間內(nèi)向門(mén)極提供足夠的柵電荷。假定在器件開(kāi)通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導(dǎo)通所需要的電壓〔10V，高壓側(cè)鎖定電壓為8.7/8.3V〕要高；再假定在自舉電容充電路徑上有1.5V的壓降〔包括VD1的正向壓降〕；最后假定有1/2的柵電壓〔柵極門(mén)檻電壓VTH通常3～5V〕因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件，此時(shí)對(duì)應(yīng)的自舉電容可用下式表示：C1=〔1〕工程應(yīng)用則取C1>2Qg/(VCC-10-1.5)。例如FUJI50A/600VIGBT充分導(dǎo)通時(shí)所需要的柵電荷Qg=250nC〔可由特性曲線查得〕，VCC=15V，那么C1=2×250×10－9/(15－10－1.5)=1.4×10-7F〔3-34〕可取C1=0.22μF或更大一點(diǎn)的，且耐壓大于35V的鉭電容?！?〕懸浮驅(qū)動(dòng)的最寬導(dǎo)通時(shí)間ton(max)當(dāng)最長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間完畢時(shí)，功率器件的門(mén)極電壓Vge仍必須足夠高，即必須滿足式〔1〕的約束關(guān)系。不管PM還是IGBT，因?yàn)榻^緣門(mén)極輸入阻抗比較高，假設(shè)柵電容〔Cge〕充電后，在VCC=15V時(shí)有15μA的漏電流〔IgQs〕從C1中抽取。仍以4.1中設(shè)計(jì)的參數(shù)為例，Qg=250nC，ΔU=VCC－10－1.5=3.5V，Qavail=ΔU×C=3.5×0.22=0.77μC。則過(guò)剩電荷ΔQ=0.77－0.25=0.52μC，ΔUc=ΔQ/C=0.52/0.22=2.36V，可得Uc=10＋2.36=12.36V。由U=Uc及柵極輸入阻抗R===1MΩ可求出t〔即ton(max)〕，由===1.236可求出ton(max)=106×0.22×10－6ln1.236=46.6ms〔3〕懸浮驅(qū)動(dòng)的最窄導(dǎo)通時(shí)間ton(min)在自舉電容的充電路徑上，分布電感影響了充電的速率。下管的最窄導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)保證自舉電容能夠充足夠的電荷，以滿足Cge所需要的電荷量再加上功率器件穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時(shí)漏電流所失去的電荷量。因此從最窄導(dǎo)通時(shí)間ton(min)考慮，自舉電容應(yīng)足夠小。綜上所述，在選擇自舉電容大小時(shí)應(yīng)綜合考慮，既不能太大影響窄脈沖的驅(qū)動(dòng)性能，也不能太小而影響寬脈沖的驅(qū)動(dòng)要求。從功率器件的工作頻率、開(kāi)關(guān)速度、門(mén)極特性進(jìn)展選擇，估算后經(jīng)調(diào)試而定?！?〕自舉二極管的選擇自舉二極管是一個(gè)重要的自舉器件，它應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓，二極管承受的電流是柵極電荷與開(kāi)關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管[10]。3.4.3死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，MOSFET開(kāi)關(guān)功率管經(jīng)常燒壞，是由于兩組功率管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，功率開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)繞組一個(gè)給磁心正向激磁，另一個(gè)給磁心反向激磁，相互抵消。這樣一來(lái)，功率開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)無(wú)感應(yīng)電壓產(chǎn)生，輸出端無(wú)直流電壓流出；而且，功率開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)繞組將輸入直流電源電壓直接短路到兩只功率開(kāi)關(guān)的集電極—發(fā)射極之間，使集電極峰植電流急劇增加，嚴(yán)重時(shí)兩只功率開(kāi)關(guān)同時(shí)電流擊穿而被損壞。如圖3.10所示為產(chǎn)生共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)像兩只功率輸出的波形：圖3.10產(chǎn)生共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)像兩只功率輸出的波形為解決如上圖所示的死區(qū)時(shí)間的問(wèn)題，我們使用TL494芯片，其4腳是控制死區(qū)時(shí)間引腳。在該腳上接上不同的電電壓值就可以設(shè)置不同的死區(qū)時(shí)間。當(dāng)該引腳接地時(shí)，死區(qū)時(shí)間約占總周期的3-5%。3.5輸出電路設(shè)計(jì)3.5.1PWM濾波電路設(shè)計(jì)PWM是一種周期固定，而上下電平占空比可調(diào)的方波信號(hào)。PWM通過(guò)簡(jiǎn)單的LC濾波網(wǎng)絡(luò)可以得到與信號(hào)占空比成線性關(guān)系的直接電壓，從而實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。如圖3.11所示：圖3.11PWM簡(jiǎn)單的LC濾波網(wǎng)絡(luò)濾波電路中的R，C參數(shù)與PWM的周期以及直流電壓的精度要求直接相關(guān)，必須從理論上詳細(xì)分析。假設(shè)PWM波的頻率為f，高電平電壓為V，占空比為a。如果RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于PWM波的周期T，Vin和Vout波形如圖3.12所示：圖3.12Vin和Vout波形圖處于瞬態(tài)時(shí)，Vin在高電平持續(xù)時(shí)間內(nèi)向電容充電，電容積累電荷，在低電平持續(xù)電間內(nèi)電容向Vin放電，電容釋放電荷。電容積累的電荷數(shù)多于釋放的電荷數(shù)。因此電容電容兩端的直波電壓不斷爬升，最終到達(dá)穩(wěn)態(tài)。處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容積累的電荷與釋放的電荷數(shù)量相等，因此電壓會(huì)在一個(gè)穩(wěn)定的電壓值附近做小幅度的波動(dòng)，忽略這樣的紋波，則電容兩端的電壓與PWM占空比呈線性關(guān)系。如圖3.13所示：圖3.13Vout與占空比D的關(guān)系當(dāng)t<Th時(shí)，電容充電，電容兩端電壓表示為：〔3-35〕由于T=(Th+Tl)<<R1C1，所以t/(R1C1)<<1，利用級(jí)數(shù)展開(kāi)，得到：〔3-36〕當(dāng)t=Th時(shí)，〔3-37〕當(dāng)t>Th且t<Th+Tl時(shí)，〔3-38〕當(dāng)t=Th+Tl時(shí)，〔3-39〕在這樣的穩(wěn)態(tài)下，電容在一個(gè)周期內(nèi)的充放電會(huì)相等，所以有V1=V3，即〔3-40〕忽略二階小量，得到：〔3-41〕由于PWM的占空比定義為：〔3-42〕所以：〔3-43〕由于V1=V3≈V2，所以當(dāng)電路處理穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容兩端的電壓近似為直流電壓，表示為：〔3-44〕可見(jiàn)，電容兩端的電壓與PWM上下電平之差以及占空比成比例關(guān)系。直流電壓精度定義為：〔3-45〕總之，設(shè)計(jì)PWM波RC濾波電路時(shí)，應(yīng)根據(jù)響應(yīng)時(shí)間要求，確定時(shí)間常數(shù)，并且使RC時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于PWM周期。RC充放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡量相等。此外還應(yīng)根據(jù)電壓精度要求確定RC參數(shù)[11]。3.5.2檢測(cè)保護(hù)電路設(shè)計(jì)檢測(cè)電路如圖3.14所示，當(dāng)T1的原邊沒(méi)有電流時(shí)，副邊也沒(méi)有電流渡過(guò)，這時(shí)二極管D1和D3反向擊穿，給磁環(huán)去磁，使磁環(huán)磁復(fù)位。RC濾波環(huán)節(jié)，用來(lái)濾除電流尖峰。該電路簡(jiǎn)單可靠，損耗極小。反響信息送到TL494的1腳比較后，控制其脈寬大小，最后控制輸出電壓。圖3.14電壓反響回路及PWM的響應(yīng)波形這個(gè)電路利用TL494內(nèi)部誤差放大器2進(jìn)展反響穩(wěn)壓。反響穩(wěn)壓過(guò)程如下:誤差放大器2的反相輸入端15腳接于基準(zhǔn)VREF。輸出電壓UO加到16腳，作為誤差放大器2的同相輸入。當(dāng)UO變化時(shí)，誤差放大器2的輸出電壓隨之改變，即，與鋸齒波電壓比較的電平改變，PWM比較器輸出的脈沖寬度改變，致使TL494輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖，即開(kāi)關(guān)管V4和V5的導(dǎo)通時(shí)間TON改變，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)寬穩(wěn)壓的目的。此外，微調(diào)VREF可調(diào)整輸出電壓的數(shù)值，使輸出電壓在40V左右。電路利用誤差放大器1作過(guò)流保護(hù)。從40V輸出主回路上取出的電流控制信號(hào)經(jīng)R24接至誤差放大器1的1腳和2腳上，其中反相輸入端2腳的電位由14腳輸出的5V基準(zhǔn)源經(jīng)過(guò)(RP2，R27)和(R24，R30)分壓后獲得。調(diào)整RP2大小可控制2腳門(mén)坎電位，即過(guò)流控制點(diǎn)。當(dāng)R30上取出的電壓信號(hào)足夠大使其絕對(duì)值超過(guò)2腳電位時(shí)，誤差放大器1將翻轉(zhuǎn)并關(guān)閉脈沖信號(hào)輸出，進(jìn)而起到過(guò)流保護(hù)作用。3.6PWM控制電路3.6.1TL494的構(gòu)造和性能TL494是美國(guó)德克薩斯州儀器公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制器件，可作為單端式、推挽式、全橋式、半橋式開(kāi)關(guān)電源控制器，被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中，是開(kāi)關(guān)電源的核心控制器件。TL494的輸出三極管可接成共發(fā)射極及射極跟隨2種方式，因而可以選擇雙端推挽輸出或單端輸出方式。在推挽輸出方式時(shí)，其兩路驅(qū)動(dòng)脈沖相差180°，而在單端方式時(shí)，其兩路驅(qū)動(dòng)脈沖為同步同相。TL494是有16引腳雙列直插式塑料封裝集成芯片。它的工作頻率為1-300kHz，輸出電壓達(dá)40V，輸出電流為200mA。其內(nèi)部原理圖如圖3.15所示:圖3.15TL494內(nèi)部原理圖TL494的引腳說(shuō)明如下：1、2腳：內(nèi)部誤差放大器1的同相輸入端和反相輸入端，可用于閉環(huán)穩(wěn)壓；3腳：脈寬調(diào)制補(bǔ)償端；4腳：死區(qū)時(shí)間設(shè)置端，通過(guò)設(shè)置死區(qū)時(shí)間，可防止上下橋臂直通；5、6腳：設(shè)定振蕩器頻率用電容與電阻連接端；7腳：工作參考地端；8、11腳：脈寬調(diào)制方波輸出晶體管的集電極；9、10腳：脈寬調(diào)制方波輸出晶體管的發(fā)射極；12腳：工作電源連接端，極限電壓41V，低于7V電路不啟動(dòng)；13腳：輸出方式控制端，在該端為高電平時(shí)，TL494為推挽輸出型，最大占空比為48％；在該端為低電平時(shí)，兩路輸出脈沖一樣，最大占空比為98％；14腳：基準(zhǔn)電壓輸出端，該端輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的5V±5％基準(zhǔn)電壓，其溫度穩(wěn)定性好，可作為給定信號(hào)或保護(hù)基準(zhǔn)信號(hào)；15、16腳：內(nèi)部誤差放大器2的反向輸入端與同相輸入端，用于過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)。1.其主要特性如下：

集成了全部的脈寬調(diào)制電路。

片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)〔一個(gè)電阻和一個(gè)電容〕。

內(nèi)置誤差放大器。

內(nèi)止5V參考基準(zhǔn)電壓源。

可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。

內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力。

推挽或單端兩種輸出方式。2.工作原理TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)展調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：〔3-46〕輸出脈沖的寬度是通過(guò)電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)展比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門(mén)。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。如圖3.16所示:圖3.16TL494輸出波形圖控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓〔范圍在0—3.3V之間〕即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反響電壓從0.5V變化到3.5時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3V到〔Vcc-2.0〕的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流覺(jué)察得到。誤差放大器的輸出端處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)展“或〞運(yùn)算，正是這種電路構(gòu)造，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當(dāng)比較器CT放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)展計(jì)時(shí)，同時(shí)停頓輸出管Q1和Q2的工作。假設(shè)輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個(gè)反響繞組及二極管提供反響電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，如圖3.17所示，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時(shí)，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率[12]。圖3.17單端輸出和推挽輸出連接方式3.6.2輸出電壓直接分壓作為誤差放大器的輸入如圖3.118所示，輸出電壓Vo經(jīng)分壓后作為采樣信號(hào)，輸入誤差放大器的反向輸入端。誤差放大器的正向輸入端TL494內(nèi)部的5.0V的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)采樣電壓小于5.0V時(shí)，誤差放大器正向和反向輸出端之間的電壓差經(jīng)放大器放大后，調(diào)節(jié)輸出電壓，使得TL494的輸出信號(hào)的占空比變大，輸出電壓上升，最終使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的電壓值。圖3.18誤差放大器和電流檢測(cè)放大器連接圖該電路通過(guò)調(diào)節(jié)誤差放大器的增益而不是調(diào)節(jié)誤差放大器的輸入誤差來(lái)改變誤差放大器的輸出，從而改變開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比。這種拓?fù)錁?gòu)造不僅外接元器件較少，而且在輸出電壓在負(fù)載發(fā)生較大的變化時(shí)，輸出電壓根本上沒(méi)有變化。實(shí)驗(yàn)證明與上述反響電路具有很好的穩(wěn)壓效果。3.7單片機(jī)控制模塊3.7.1C8051F350系列單片機(jī)特點(diǎn)1.超高速度CIP-51采用流水線構(gòu)造，與標(biāo)準(zhǔn)的8051構(gòu)造相比指令執(zhí)行速度有很大提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12-24MHz而對(duì)于CIP-51內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行周期大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，沒(méi)有執(zhí)行時(shí)間超過(guò)8個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的指令。當(dāng)CIP-51得系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz時(shí)，它的峰值性能到達(dá)50MIPS。CIP-51共有111條指令。下表列出了指令條數(shù)與所需的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)的關(guān)系。表3.2C8051f350執(zhí)行周期數(shù)統(tǒng)計(jì)執(zhí)行周期數(shù)122/333/444/558指令數(shù)2650516731212.強(qiáng)大的處理能力C8051f35x系列單片機(jī)，為16位RISC構(gòu)造，具有豐富的尋址方式，簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的存放器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方法；有效的處理速度，在24.5MHz晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125ns。這些特點(diǎn)保證了可編程出高效的源程序。3.系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先有DCOCLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開(kāi)場(chǎng)執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振穩(wěn)定時(shí)間。然后可設(shè)置適當(dāng)?shù)拇娣牌鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門(mén)狗將其復(fù)位。4.豐富的片內(nèi)外設(shè)C8051f35x系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。5.方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境目前C8051f35x系列有4種類(lèi)型器件：OTP型，F(xiàn)LASH型，EPROM型和ROM型。這些器件的開(kāi)發(fā)手段不同。對(duì)于OTP型和ROM型的器件是用相對(duì)應(yīng)的EPROM型器件作為開(kāi)發(fā)片，或使用仿真器開(kāi)發(fā)成功之后再燒寫(xiě)芯片；而對(duì)于FLASH型則有十分方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可點(diǎn)擦寫(xiě)的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)展開(kāi)發(fā)。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。6.工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品C8051f35x系列器件均為工業(yè)級(jí)的，運(yùn)行環(huán)境溫度為-45—+85度[13]。3.7.2C8051F350單片機(jī)引腳C8051F35x系列單片機(jī)有多種型號(hào)，各型號(hào)的根本模塊大同小異，外圍模塊也具有的規(guī)格。C8051F35x器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。C8051f35x單片機(jī)構(gòu)造框圖如圖3.19所示圖3.19C8051f35x單片機(jī)構(gòu)造框圖全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口〔片內(nèi)〕；24或16位單端或差分ADC，帶模擬多路器；兩個(gè)8位電流輸出DAC；高精度可編程的24.5MHz內(nèi)部振蕩器；硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/I2C、增強(qiáng)型UART和SPI串行接口；4個(gè)通用的16位定時(shí)器；具有3個(gè)捕捉/比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列〔PCA〕；17個(gè)端口I/O。3.7.3STC12C5616AD特點(diǎn)加密性強(qiáng)，無(wú)法解密超強(qiáng)抗干擾：高抗靜電〔ESD保護(hù)〕寬電壓，不怕電源抖動(dòng)寬溫度范圍，-40°C~85°C超低功耗：掉電模式，典型功耗＜0.1μA空閑模式，典型功耗1.8mA正常工作模式：典型功耗，2.7mA--7mA3.7.4STC12C5616AD應(yīng)用STC12C5616AD的引腳圖如圖3.20所示：圖3.20STC12C5616AD引腳圖高速性能：一個(gè)時(shí)鐘周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8到2倍寬電壓：5.5～3.5V，2.2～3.6V，低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式、掉電模式4通道捕獲／比較單元〔PWM/PCA/CCU〕六個(gè)6位定時(shí)器，兼容普通的8051的定時(shí)器T0和T1，4路PCA也是4個(gè)定時(shí)器可編程的時(shí)鐘輸出功能，T0可在P1.0輸出時(shí)鐘，T1可在P1.1輸出時(shí)鐘全雙工異步串行口，兼容普通8051的串口通用I/O口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口／弱上拉〔普通8051I/O傳統(tǒng)口〕，可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口／弱上拉，推挽／強(qiáng)上拉，輸入／高阻，開(kāi)漏。3.7.5信號(hào)的給定正電壓、正電流控制信號(hào)由C8051F350單片機(jī)的PWM引腳給定，其根本原理如圖3.21所示：圖3.21PWM的給定及二階濾波電路圖設(shè)電路中穩(wěn)壓芯片TL431的穩(wěn)壓值為V2，三極管9013的導(dǎo)通壓降為V1，則PWM波形的高電平為V2，低電平為V1。經(jīng)RC構(gòu)成的二階濾波電路后，PWM波形的有效值波形如圖：圖3.22輸出電壓Uo與占空比D的關(guān)系圖假設(shè)控制信號(hào)輸出電壓為Uo，PWM占空比為D，圖3.21中U2，U1，D2，D1均可由硬件電路加電后測(cè)量得到。則Uo與D的關(guān)系可由圖3.21得到：Uo=U1+〔D-D1〕*〔U2-U1〕/〔D2-D1〕〔3-47〕又設(shè)反響電路中分壓電阻比為K1，有Uout=K1*Uo，故Uout=K1*〔U1+〔D-D1〕*〔U2-U1〕/〔D2-D1〕〕化簡(jiǎn)得到：Uout=K1*〔U2-U1〕/〔D2-D1〕*D+K1*〔D2*U1-D1*U2〕/〔D2-D1〕〔3-48〕即Uout=D*U+Uc其中U=K1*〔U2-U1〕/〔D2-D1〕，Uc=K1*〔D2*U1-D1*U2〕/〔D2-D1〕由式得到，只要改變單片機(jī)輸出PWM的占空比就可以控制輸出電壓Uout的大小，且Uout與占空比D成線性關(guān)系，到達(dá)了單片機(jī)線性控制輸出電壓大小的目的。3.7.6可調(diào)式精細(xì)并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431TL431和TL431A是三端可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器，在應(yīng)用工業(yè)、商用、軍用溫度范圍內(nèi)具有規(guī)定的熱穩(wěn)定性。輸出電壓可用兩個(gè)外部電阻設(shè)置至Vref〔約2.5V〕和36V之間的任何值。TL431的特點(diǎn):全范圍溫度系數(shù)：30ppm/℃0.2Ω典型輸出阻抗吸收電流能力：1mA至100mA低輸出噪聲可調(diào)輸出電壓：Vref至36V多種高密度封裝可供選擇：小型〔D〕TO-226AA〔LP〕(a)外形(b)電路圖形符號(hào)圖3.22TL431的外形與電路符號(hào)圖TL431的外形和電路符號(hào)如上圖所示。3個(gè)引腳分別為：陰極〔CATHODE〕、陽(yáng)極〔ANODE〕和參考端〔REF〕。3.7.7單片機(jī)雙機(jī)串行通信C8051F350的UART0是一個(gè)異步、全雙工串口，它提供標(biāo)準(zhǔn)805