基于Pspice仿真高頻單片機(jī)電源系統(tǒng)硬件研究

PAGE摘要近年來，臭氧技術(shù)已在醫(yī)學(xué)、食品、污水處理、飲用水殺菌消毒等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是目前臭氧的缺點(diǎn)是其生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低，耗電量大。而臭氧發(fā)生器效率低一直是臭氧發(fā)生技術(shù)尚待解決的關(guān)鍵技術(shù)，也是阻礙臭氧大空間范圍內(nèi)得到應(yīng)用最直接的因素。因此長(zhǎng)期以來，提高臭氧合成效率，降低臭氧發(fā)生裝置的運(yùn)行成本，并保證裝置能安全可靠地運(yùn)行，一直是人們關(guān)注的課題。本論文的引出是基于提高電源頻率能夠提高臭氧生產(chǎn)效率這一研究結(jié)果，吸收目前國內(nèi)外的先進(jìn)臭氧發(fā)生器技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大功率小型高效逆變電源進(jìn)行研究和分析，以提高臭氧發(fā)生器的生產(chǎn)效率。論文的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)高頻單片機(jī)電源，通過提高電源頻率來達(dá)到上述目的。電源主電路采用IGBT全橋結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電路采用M57962L模塊，是基于Pspice仿真的高頻單片機(jī)電源的硬件研究。關(guān)鍵詞:絕緣柵雙極型晶體管,脈寬調(diào)制,逆變,驅(qū)動(dòng)保護(hù)，臭氧發(fā)生器ABSTRACTInrecentyears,theozonetechnologyindomainandsoonmedicine,food,sewagetreatment,tapwatersterilizationdisinfectionsobtainedthewidespreadapplication.Buttheproductionoftheozoneiscosthighcurrently;theproductionefficiencyislow,runningawaywithalotofelectricity.Andthelowefficiencyofozonegeneratorhasbeenthekeytechniquethattheozonegeneratortechniqueneedstosolve,isalsothemostdirectfactorbafflingitsapplicationoflargerangeuse.Thereforeforalongtime,increasingtheefficiencytosynthesizeozone,lowertherunningcostofozonegeneratordevice,andmakesurethedevicecanbeworkedsafelyandreliable,havingbeenthetopicthatpeoplepayattentionto.Bystudyingandanalyzetohigh-powersmallhigh-effectinverter,thispaperisbasedontheextractionofpowerfrequencycanbeincreasedtoimprovetheefficiencyoftheproductionofozoneresults,puttingforwardthedesigningofhighfrequencyinverterusingsingle-chipcomputercontroltechniqueandtakingadvantageoftheadvancedtechnologyandexperienceofozone.Themajortaskofthispaperistodesignahighfrequencypowermonolithicintegratedcircuitelectricalpower,byincreasingthefrequencyofpowersupplytoachievethispurpose.ThemaincircuitofthepoweradoptIGBTentirebridgestructureanddrivencircuitadopttheM57962Lmodule,whichisahardwareresearchbasedonpspicesimulationhighfrequencymonolithicintegratedcircuitelectricalpower.KEYWORDS：IGBT，PWM，inverter，driversprotection,ozonegenerator目錄摘要 IABSTRACT II目錄 III第一章緒論 11.1課題提出 11.2臭氧發(fā)生器技術(shù)難點(diǎn) 11.3逆變電源技術(shù)簡(jiǎn)介 21.4本論文的主要任務(wù) 31.5本章小結(jié) 3第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與分析 42.1逆變的工作原理 42.2電源硬件電路整體框圖與工作原理說明 52.3系統(tǒng)主回路的設(shè)計(jì) 52.4IGBT工作原理與特性 72.4.1IGBT工作特性 72.4.2IGBT柵極特性 92.5IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 102.5.1柵極驅(qū)動(dòng)電壓 102.5.2柵極串聯(lián)電阻及柵射電阻 112.5.3 驅(qū)動(dòng)電路的電源 112.5.5IGBT驅(qū)動(dòng)應(yīng)用電路 112.6本章小結(jié) 12第3章保護(hù)技術(shù) 133.1IGBT的保護(hù) 133.1.1集電極、發(fā)射極間過電壓保護(hù) 133.1.2柵極過電壓保護(hù) 133.1.3過電流保護(hù) 143.1.4過熱保護(hù) 153.2本章小結(jié) 15第4章系統(tǒng)控制 164.1驅(qū)動(dòng)模塊M57962L介紹 164.1.1M57962L的外形、結(jié)構(gòu)及電氣特性 164.1.2M57962L內(nèi)部組成及其特點(diǎn) 174.1.3輸出電流限制 184.1.4驅(qū)動(dòng)器對(duì)電源的要求 184.2AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 194.2.1主要特性 194.2.2管腳說明 204.2.3振蕩器特性 214.2.4芯片擦除 214.3單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出 224.4顯示、鍵盤電路 224.5保護(hù)電路設(shè)計(jì) 244.7本章小結(jié) 25第5章印制電路板布線流程與PCB設(shè)計(jì)的基本原則 265.1印制電路板布線流程 265.2PCB設(shè)計(jì)的基本原則 265.2.1布局 275.2.2布線 275.3本章小結(jié) 27第6章電路調(diào)試與分析 286.1電路調(diào)試 286.2硬件的可靠性分析與待完善發(fā)展技術(shù) 296.2.1可靠性分析 296.2.2電源設(shè)計(jì)中的電磁兼容性問題 296.2.3待完善發(fā)展技術(shù) 306.6本章小結(jié) 31第7章全文結(jié)論 32致謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄 35第一章緒論隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)已經(jīng)到了飛速發(fā)展的工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時(shí)期。電源是位于市電（單相或三相）與負(fù)載之間，向負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。由于超小型、高效率的高頻開關(guān)電源的出現(xiàn)，促進(jìn)了航空航天和艦船技術(shù)的發(fā)展；不間斷電源(UPS)的研制成功大大提高了計(jì)算機(jī)、通信、導(dǎo)航、醫(yī)療等設(shè)備的可靠；脈沖電源廣泛應(yīng)用于電焊、電鍍等行業(yè)，節(jié)省了大量的電能和原材料。逆變電源具有高效節(jié)能和節(jié)約材料的優(yōu)點(diǎn)，并且其響應(yīng)迅速，調(diào)節(jié)方便可靠，性能靈活。因此逆變電源在現(xiàn)代電力產(chǎn)業(yè)部門和其他產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用十分廣泛。1.1課題提出“民以食為天”，如何保證人民群眾吃得放心不僅僅是一個(gè)科學(xué)問題，而是一個(gè)切實(shí)的“民生”問題。食品的安全問題也是當(dāng)今國際國內(nèi)高度關(guān)注的課題。經(jīng)過實(shí)踐比較論證，臭氧是食品工業(yè)中最具發(fā)展前景的消毒劑，同時(shí)臭氧對(duì)污水或飲用水進(jìn)行處理，其綜合效果最佳，因此臭氧發(fā)生器的研制，也是現(xiàn)代工業(yè)和人們生活的需要。逆變電源在臭氧發(fā)生器中的應(yīng)用不僅節(jié)能省材，而且生產(chǎn)效率大大提高，控制方便可靠，如何設(shè)計(jì)逆變電源也成了臭氧發(fā)生器的一個(gè)關(guān)鍵所在。本課題得到了湖北省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目名稱：高效臭氧發(fā)生機(jī)理的研究)的支持。1.2臭氧發(fā)生器技術(shù)難點(diǎn)臭氧發(fā)生器是生產(chǎn)臭氧的發(fā)生裝置，臭氧生產(chǎn)的方法有化學(xué)法、電解法、紫外線照射法、電暈放電法等。目前工業(yè)上大規(guī)模的臭氧發(fā)生器都是采用電暈放電法，它是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。采用電暈放電法生產(chǎn)臭氧的發(fā)生裝置，主要由供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供電電源和臭氧發(fā)生管等四部分組成。雖然臭氧應(yīng)用非常之廣，但對(duì)大空間（會(huì)議廳、游泳池、大的車間等）的空氣消毒與凈化遇到了困難。關(guān)鍵技術(shù)問題就是臭氧發(fā)生器每小時(shí)能產(chǎn)生的臭氧量不大，這一問題在國內(nèi)非常突出，亟待解決。臭氧發(fā)生器價(jià)格的多少更能直接反應(yīng)這一技術(shù)的難易：1g臭氧/小時(shí)，1600元/臺(tái)；3g臭氧/小時(shí)，2900元/臺(tái)；10g臭氧/小時(shí)，12000元/臺(tái)，約每小時(shí)1公斤的臭氧發(fā)生器，每臺(tái)在幾十萬元左右[3]。如前所述臭氧作為消毒劑具有很多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景極好，但是目前臭氧的缺點(diǎn)是其生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低，耗電量大。傳統(tǒng)的臭氧發(fā)生器由于受材料、機(jī)械加工以及變頻技術(shù)的限制，不僅臭氧產(chǎn)量低，而且電力消耗也很大，經(jīng)濟(jì)效益較差。而臭氧發(fā)生器產(chǎn)氣率低一直是臭氧發(fā)生技術(shù)尚待解決的關(guān)鍵技術(shù)，也是阻礙臭氧大空間范圍內(nèi)得到應(yīng)用最直接的因素。因此長(zhǎng)期以來，提高臭氧合成效率，降低臭氧發(fā)生裝置的運(yùn)行成本，并保證裝置能安全可靠地運(yùn)行，一直是人們關(guān)注的課題。1.3逆變電源技術(shù)簡(jiǎn)介電源技術(shù)發(fā)展到今天，已融會(huì)了電子、功率集成、材料、傳感、計(jì)算機(jī)、電磁兼容、熱工等諸多技術(shù)領(lǐng)域的精華，已從多學(xué)科交叉的邊沿學(xué)科成長(zhǎng)為獨(dú)樹一幟的功率電子學(xué)。電源技術(shù)又是實(shí)用性極強(qiáng)的技術(shù)，它服務(wù)于各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域的各樣的負(fù)載，它們的性能特點(diǎn)以及采用的技術(shù)方法千差萬別，這就造就了電源技術(shù)的豐富內(nèi)涵。不同的負(fù)載要求不同的電源裝置，萬能的電源至少今天還未出現(xiàn)。一個(gè)特定用途的電源裝置，應(yīng)當(dāng)具有符合負(fù)載要求的性能參數(shù)和特性，這是基本的要求。安全可靠是必須加以保證的，高效率、高功率因素、低噪音是普遍關(guān)注的品質(zhì)。無電網(wǎng)污染、無電磁干擾、省電節(jié)能等綠色指標(biāo)是全球范圍的熱門話題，并有相關(guān)的國際和國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行約束.有時(shí)特定的使用環(huán)境又要求電源具備一些特殊的適應(yīng)性，比如高溫、商寒、高濕、抗輻射、抗振動(dòng)、防暴、體積少、重量輕、智能化等[4]。隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用通用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對(duì)其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式。它們的幅值、頻率、穩(wěn)定度及變化方式因用電設(shè)備的不同而不盡相同，如通信電源、電弧焊電源、電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器、加熱電源、化工電源、汽車電源、綠色照明電源、不間斷電源、醫(yī)用電源、充電器等等，它們所使用的電能都是通過整流和逆變組合電路對(duì)原始電能進(jìn)行變換后得到的。逆變，是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式。逆變技術(shù)是綜合了現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代電力電子開關(guān)器件的應(yīng)用、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代功率變換、半導(dǎo)體變流技術(shù)、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、PWM技術(shù)、頻率及相位調(diào)制技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)、磁性材料等學(xué)科基礎(chǔ)之上的一門實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)，已被廣泛地用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。在現(xiàn)代逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，許多用電設(shè)備和系統(tǒng)都有一個(gè)發(fā)展的過程。由磁放大式到硅二極管整流式，再到可控硅(晶閘管)整流式，直至發(fā)展到逆變式(或者叫開關(guān)式)，這不僅是因?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的采用提供了必要的條件，更重要的還是因?yàn)椴捎媚孀兗夹g(shù)有很多優(yōu)越性:靈活地調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的幅度或頻率將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電或其他形式的直流電明顯地減小用電設(shè)備的體積和重量，節(jié)省材料高效節(jié)能動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制性能好、電氣性能指標(biāo)好保護(hù)快隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。再加上電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，逆變技術(shù)的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步拓寬，它幾乎滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。尤其是高壓、大電流、高頻三者兼?zhèn)涞膱?chǎng)控器件的開發(fā)成功，為簡(jiǎn)化逆變主電路，提高逆變器的性能以及高頻脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的廣泛應(yīng)用莫定了基礎(chǔ)，推動(dòng)著高頻逆變技術(shù)的發(fā)展，使電力電子技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入了比較靈活自如地改變頻率的發(fā)展階段。近些年來，隨著臭氧技術(shù)以及臭氧發(fā)生器技術(shù)的發(fā)展，逆變技術(shù)在臭氧發(fā)生器領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。1.4本論文的主要任務(wù)很早以前人們就發(fā)現(xiàn)提高電源頻率能夠提高臭氧生產(chǎn)效率。當(dāng)時(shí)存在問題是高頻電源采用高頻發(fā)電機(jī)，這種電源雖然電壓調(diào)整容易，但缺點(diǎn)很多，如旋轉(zhuǎn)部分故障頻繁，效率低，發(fā)熱嚴(yán)重，功耗大，價(jià)格昂貴等。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高頻逆變電源帶來了革命，減小了電源重量和體積，耗電小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，性能靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，工作性能和控制性能好，工作穩(wěn)定可靠，穩(wěn)定的工作范圍，嗓聲小。因此研制和開發(fā)高頻臭氧發(fā)生器供電電源被廣泛關(guān)注，此次課題也把開發(fā)研制高頻電源作為研究重點(diǎn)，擬開發(fā)研制高效逆變電源作為臭氧發(fā)生器供電電源。本論文的主要任務(wù)就是吸收目前國內(nèi)外的先進(jìn)臭氧發(fā)生器技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)研究一種大功率高效臭氧發(fā)生器，提高臭氧發(fā)生器的生產(chǎn)效率。重點(diǎn)研究其供電電源部分，擬設(shè)計(jì)一臺(tái)10kHz的IGBT高頻逆變供電電源，研究臭氧發(fā)生器的負(fù)載特點(diǎn)及其對(duì)供電電源的要求，力求使電路簡(jiǎn)單，耗電耗材量小，性能以及負(fù)載特性優(yōu)良，控制方便可靠，最終使臭氧的生產(chǎn)效率最高?；谝陨蠘?gòu)想，為了完成本課題，主要完成以下幾個(gè)任務(wù):（1）分析臭氧發(fā)生器的負(fù)載特性和對(duì)電源需求，作為設(shè)計(jì)逆變電源依據(jù)；（2）根據(jù)逆變理論設(shè)計(jì)出臭氧發(fā)生器供電電源部分，這是本論文的重點(diǎn)；（3）進(jìn)行電源整機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)，是本論文的關(guān)鍵；（4）進(jìn)行系統(tǒng)硬件調(diào)試，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，是本論文的保證。1.5本章小結(jié)本章概要地闡述了課題來源與實(shí)際意義,綜述了國內(nèi)外臭氧發(fā)生器和逆變電源技術(shù)的研究狀況,分析了課題難點(diǎn),提出了課題的任務(wù)以及論文的基本思路。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與分析人們對(duì)高壓供電電源也作了大量的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電源波形是影響臭氧發(fā)生器效率的非常重要的原因，電源的電壓波形、電流波形以及電源的頻率等都對(duì)臭氧發(fā)生器效率影響很大。因此研制和開發(fā)高效臭氧發(fā)生器供電電源也是當(dāng)務(wù)之急，此次課題也把開發(fā)研制高頻電源作為研究重點(diǎn)，擬開發(fā)研制高效逆變電源作為臭氧發(fā)生器供電電源。本次設(shè)計(jì)的臭氧發(fā)生器供電電源部分是臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的部分。因此我們把逆變電源的設(shè)計(jì)作為此次論文的研究重點(diǎn)。2.1逆變的工作原理逆變是將直流電變換成交流電，是對(duì)電能變換和控制的一種基本形式，采用逆變技術(shù)是為了獲得不同的穩(wěn)定或變化形式的電能。逆變技術(shù)綜合了現(xiàn)代電力電子開關(guān)器件的應(yīng)用、現(xiàn)代功率變換、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、PWM技術(shù)、頻率和相位調(diào)制技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)和控制技術(shù)等的一門實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)，己被廣泛用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。隨著功率電子器件的應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)越來越成熟，其功率變換技術(shù)也從負(fù)載諧振變換技術(shù)、硬開關(guān)定頻PWM變換技術(shù)、諧振開關(guān)變換技術(shù)到今天的雙零轉(zhuǎn)換變換技術(shù)。這些使用戶系統(tǒng)總體的體積減少，重量減輕，系統(tǒng)的效率也將得到一定程度的提高。圖2.1為一假想的通用功率變換器原理圖，下面利用它說明逆變器的轉(zhuǎn)換和控制電能原理。[2]S2S2S4S3S1負(fù)載直流電源圖2.1逆變工作原理示意圖圖2.1所示電路為一四開關(guān)雙端口網(wǎng)絡(luò)，此電路有以下幾種狀態(tài)：狀態(tài)0：開關(guān)S1--S4（S1，S3同時(shí)閉合或者S2，S4同時(shí)閉合）都閉合。這時(shí)電源被短路，負(fù)載電流電壓均等于零，此狀態(tài)是不允許的。狀態(tài)1：開關(guān)S1--S4都打開，電路處于開路狀態(tài)，負(fù)載電流電壓均為零。狀態(tài)2：開關(guān)S1，S4閉合，其他開關(guān)打開。這時(shí)輸出電壓、輸出電流分別等于輸入電壓、輸入電流。狀態(tài)3：開關(guān)S2,，S3閉合，其他開關(guān)打開。這時(shí)輸出電壓、輸出電流與輸入電壓、輸入電流值相同，極性相反。設(shè)輸入電壓V恒定不變，如果讓圖2.1所示電路的工作狀態(tài)按上述同樣規(guī)律變化，則在輸出端可以得到交流方波電壓，實(shí)現(xiàn)逆變器功能。隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展，逆變電源己廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，逆變電源的研究受到了廣大研究者的重視。逆變技術(shù)研究和應(yīng)用的發(fā)展方向正由傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制硬開關(guān)技術(shù)和頻率調(diào)制諧振技術(shù)轉(zhuǎn)向脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)，現(xiàn)在逆變電源正向著高頻化、輕量化、模塊化、智能化和大容量化方向發(fā)展。市電220V單相交流輸入全橋整流濾波穩(wěn)壓IGBT全橋逆變電路市電220V單相交流輸入全橋整流濾波穩(wěn)壓IGBT全橋逆變電路濾波高頻脈沖升壓變壓器IGBT驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立隔離交流變壓器組單片機(jī)PWM信號(hào)鍵盤顯示保護(hù)指示輸出圖2.2硬件電路整體框圖基本工作原理如下：市電單相電壓（~220V）經(jīng)變壓器降壓后濾波整流提供給IGBT全橋逆變電路，IGBT橋式電路在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，將整流濾波后的直流電變成一定電壓、頻率和占空比均可調(diào)的交流電，濾波后經(jīng)高頻脈沖變壓器升壓后供給負(fù)載。單片機(jī)產(chǎn)生高頻PWM信號(hào)提供給IGBT驅(qū)動(dòng)模塊控制IGBT通斷，并通過鍵盤顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。電源的基本功能有：一定范圍內(nèi)占空比升降，輸出占空比的顯示，短路、過流、過熱、欠壓、過載保護(hù)等，保護(hù)指示。2.3系統(tǒng)主回路的設(shè)計(jì)逆變主電路就是由逆變開關(guān)器件組成的變換電路。根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求的逆變電源功率容量，我們選擇了IGBT全橋移相式逆變主電路，圖2.3示出本次設(shè)計(jì)的逆變電源主電路簡(jiǎn)圖。直流Vd直流VdV4V3驅(qū)動(dòng)電路V2V1交流輸出升壓變壓器圖2.3逆變主電路原理示意圖全橋變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是目前國內(nèi)外變換電路中最常用的電路拓?fù)湫问街?，在中大功率?yīng)用場(chǎng)合更是首選拓?fù)?這主要考慮它具有功率開關(guān)器件電壓、電流額定值較小，功率變壓器利用率較高等明顯優(yōu)點(diǎn)。全橋變換電路的主要優(yōu)點(diǎn)是具有磁芯利用率高、濾波電感小、輸出功率大，吸收回路簡(jiǎn)單，諧波少，可靠性高等[6]。電路的工作原理為：220V市電單相電壓經(jīng)過整流橋整流，整流后的直流電壓經(jīng)過電感和電容濾波成穩(wěn)定直流電壓，為逆變電路提供穩(wěn)定的直流DC輸入，如圖3所示。全橋逆變電路的工作需要兩組相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制兩對(duì)開關(guān)管，具體地說就是斜對(duì)角功率開關(guān)管V1和V4,為一組，同時(shí)導(dǎo)通或截止，V2和V3為另一組，也同時(shí)導(dǎo)通或截止，這樣就可將直流電壓逆變成交流。當(dāng)V1和V4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，V2和V3截止，此時(shí)變壓器原邊電壓為上正下負(fù)的Vd；反之，當(dāng)V2和V3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，VI和V4截止，此時(shí)變壓器原邊電壓為下正上負(fù)的Vd。在四只開關(guān)管都截止的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，四個(gè)開關(guān)管上承受的電壓為Vd的一半,變壓器沒有電壓輸出。這樣，當(dāng)以頻率f交替切換開關(guān)管V1,4和V2,3時(shí)則在變壓器上就得到頻率為f的交變的方波電壓，該交流輸出經(jīng)脈沖升壓變壓器升壓后，輸出給臭氧發(fā)生管供電。幾個(gè)參數(shù)的計(jì)算（1）直流電壓輸入為單相交流電壓220V，經(jīng)過降壓變壓器輸出為9V，其峰值電壓:×9=12.7(V)由于濾波電容的作用，其輸出直流電壓約為12V左右。（2）額定狀態(tài)下直流側(cè)的平均功率本電源的額定輸出功率為P=1KW，考慮到濾波器的損耗以及功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，設(shè)效率為=80%，則有:=P/0.8=1000/0.8=1250(W)（3）直流電流平均值工作時(shí)，考慮到電壓會(huì)下降，設(shè)下降值為10%，則=/0.9=1250/(0.9×12)116A2.4IGBT工作原理與特性IGBT的開關(guān)作用是通過施加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴，對(duì)N一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。所以在選擇和使用這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須對(duì)IGBT的工作特性以及柵極特性有所了解。2.4.1IGBT工作特性IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類：（1）靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。IGBT的伏安特性是指以柵源電壓為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓的控制，越高，越大。它與GTR的輸出特性相似。也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制IGBT的某些應(yīng)用范圍。IGB的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流與柵源電壓之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，與呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。IGBT的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其β值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓可用下式表示＝++式中——J1結(jié)的正向電壓，其值為0.7～1V；——擴(kuò)展電阻上的壓降；——溝道電阻。通態(tài)電流可用下式表示：=(1+)式中——流過MOSFET的電流。由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降為2～3V。IGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。（2）動(dòng)態(tài)特性IGBT在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)行的，只是在漏源電壓下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。為開通延遲時(shí)間，為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間即為、之和。漏源電壓的下降時(shí)間由和組成，如圖2.4所示

。圖2.4開通時(shí)IGBT的電流、電壓波形IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，為關(guān)斷延遲時(shí)間，為電壓的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間由圖2.5中的圖2.5關(guān)斷時(shí)IGBT的電流、電壓波形和兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間=++式中，與之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。2.4.2IGBT柵極特性IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達(dá)到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應(yīng)用中雖然有時(shí)保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極－集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采用絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。由于IGBT的柵極－發(fā)射極和柵極－集電極間存在著分布電容和，以及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在有分布電感，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負(fù)載電路（見圖2.6）得到驗(yàn)證。圖2.6 IGBT開關(guān)等效電路和開通波形在時(shí)刻，柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始上升，此時(shí)影響柵極電壓上升斜率的主要因素只有和，柵極電壓上升較快。在時(shí)刻達(dá)到IGBT的柵極門檻值，集電極電流開始上升。從此時(shí)開始有2個(gè)原因?qū)е虏ㄐ纹x原有的軌跡。首先，發(fā)射極電路中的分布電感上的感應(yīng)電壓隨著集電極電流的增加而加大，從而削弱了柵極驅(qū)動(dòng)電壓，并且降低了柵極－發(fā)射極間的的上升率，減緩了集電極電流的增長(zhǎng)。其次，另一個(gè)影響柵極驅(qū)動(dòng)電路電壓的因素是柵極－集電極電容的密勒效應(yīng)。時(shí)刻，集電極電流達(dá)到最大值，進(jìn)而柵極－集電極間電容開始放電，在驅(qū)動(dòng)電路中增加了的容性電流，使得在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅(qū)動(dòng)電壓。顯然，柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗越低，這種效應(yīng)越弱，此效應(yīng)一直維持到時(shí)刻，降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開通過程。在t3時(shí)刻后，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，影響柵極電壓的因素消失后，以較快的上升率達(dá)到最大值。由圖2.6波形可看出，由于和的存在，在IGBT的實(shí)際運(yùn)行中的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅(qū)動(dòng)電壓上升的效應(yīng)，表現(xiàn)為對(duì)集電極電流上升及開通過程的阻礙。為了減緩此效應(yīng)，應(yīng)使IGBT模塊的和及柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開通速度。IGBT關(guān)斷時(shí)的波形如圖2.7所示。時(shí)刻?hào)艠O驅(qū)動(dòng)電壓開始下降，在時(shí)刻達(dá)到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進(jìn)入線性工作區(qū)，開始上升，此時(shí)，柵極－集電極間電容的密勒效應(yīng)支配著的上升，因耦合充電作用，在－期間基本不變，在時(shí)刻和開始以柵極－發(fā)射極間固有阻抗所決定的速度下降，在時(shí)，及均降為零，關(guān)斷結(jié)束。由圖2.7可看出，由于電容的存在，使得IGBT的關(guān)斷過程也延長(zhǎng)了許多。為了減小此影響，一方面應(yīng)選擇較小的IGBT器件；另一方面應(yīng)減小驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗，使流入的充電電流增加，加快了的上升速度。圖2.7

IGBT關(guān)斷時(shí)的波形在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的幅值也影響著飽和導(dǎo)通壓降：增加，飽和導(dǎo)通電壓將減小。由于飽和導(dǎo)通電壓是IGBT發(fā)熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。通常為15～18V，若過高，容易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關(guān)斷時(shí)給其柵極－發(fā)射極加一定的負(fù)偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力，通常取5～10V。2.5IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)IGBT是一種由雙極晶體管與MOSFET組合的器件。IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、承受短路電流能力及dv/dt等參數(shù)，并決定了IGBT的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。因此，在使用IGBT時(shí)，最重要的就是要設(shè)計(jì)好驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路。IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有如下要求。2.5.1柵極驅(qū)動(dòng)電壓由于IGBT開關(guān)速度較高,關(guān)斷時(shí)很高的di/dt將在分布電感上產(chǎn)生較高的關(guān)斷浪涌電壓，其值可能超過IGBT的集射極間耐壓值而造成器件損壞。當(dāng)增加時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)下的集射極電壓減小，開通損耗下降，但也會(huì)使IGBT承受短路電流的時(shí)間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此，的選擇應(yīng)折衷考慮。為保證IGBT在集射極間出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)可靠關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓。特別應(yīng)當(dāng)注意，若這個(gè)負(fù)電壓值太小,集電極電壓變化率dv/dt可能使管子誤導(dǎo)通或不能關(guān)斷。2.5.2柵極串聯(lián)電阻及柵射電阻為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少IGBT集電極上的電壓尖脈沖，須在柵極串接電阻。但增大會(huì)使IGBT的通斷時(shí)間延長(zhǎng)，能耗增加；而減小又會(huì)使di/dt增加，可能引發(fā)誤導(dǎo)通或損害IGBT。由于IGBT屬于壓控器件，當(dāng)集射極間加有高電壓時(shí),很容易受外界干擾，使柵射極電壓超過導(dǎo)通時(shí)的門檻電壓，引起器件誤導(dǎo)通，尤其是在橋式逆變器中易造成橋臂直通。因此，在設(shè)計(jì)柵極電阻時(shí)要兼顧到這兩個(gè)方面的問題，的選擇應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量、額定電壓及開關(guān)頻率來進(jìn)行，一般取幾歐姆到幾十歐姆。驅(qū)動(dòng)電路的電源驅(qū)動(dòng)電路的電源應(yīng)穩(wěn)定，應(yīng)有足夠的功率，以滿足柵極對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的要求，能提供足夠高的正負(fù)柵壓。在大電流應(yīng)用場(chǎng)合，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路最好都采用獨(dú)立的分立絕緣電源。驅(qū)動(dòng)電路的電源和控制電路的電源應(yīng)獨(dú)立，以減小相互間的干擾。2.5.5IGBT驅(qū)動(dòng)應(yīng)用電路IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器[9]。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路如圖2.8所示。PWM信號(hào)PWM信號(hào)+5V4.7k圖2.8IGBT驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)IGBT模塊過載（過壓、過流），集電極電壓上升到15V以上時(shí)，快恢復(fù)隔離二極管截止，M57962L的1腳為15V高電平，則將M57962L的5腳置為低電平，使IGBT截止，同時(shí)將8腳置為低電平，使光電藕合器工作，以驅(qū)動(dòng)外接電路將輸入端13腳置為高電平。1腳和6腳之間的穩(wěn)壓二極管用于防止快恢復(fù)隔離二極管擊穿而損壞M57962L。柵極電阻為限流電阻，柵極與射極之間用穩(wěn)壓管組成限幅器，以確保IGBT的基極不被擊穿。在IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下事項(xiàng)[10]：（1）IGBT與

MOSFET都是電壓驅(qū)動(dòng)，都具有一個(gè)

2.5～5V

的閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)柵極電荷非常敏感故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。（2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓,有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。（3）驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號(hào)。（4）驅(qū)動(dòng)電平+也必須綜合考慮。+增大時(shí)，

IGBT

通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)的增大，IGBT能承受短路電流的時(shí)間減小，對(duì)其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中應(yīng)選得小些，一般選12～

15V。（5）在關(guān)斷過程中，為盡快抽取

PNP管的存儲(chǔ)電荷，須施加一負(fù)偏壓,

但它受IGBT的G、E間最大反向耐壓限制，一般取1V～10V。（6）在大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時(shí)間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。（7）由于

IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。（8）IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。2.6本章小結(jié)本章是全文的重點(diǎn)，按照整體－局部的分析思路介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，先提出了整體硬件設(shè)計(jì)框圖，再分塊介紹了逆變主電路，控制電路（包括鍵盤和顯示電路）的功能和工作原理，然后分析了IGBT工作特性，詳細(xì)介紹了IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求與應(yīng)用電路。第3章保護(hù)技術(shù)電源保護(hù)技術(shù)是電源設(shè)計(jì)中相當(dāng)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，本課題研究的逆變電源中，最容易損壞的部件是組成逆變電橋的IGBT，和其他電力電子器件相比，IGBT雖然具有電流容量大，驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但要用好IGBT，使其不受損壞并不容易。IGBT的保護(hù)問題是逆變電源能否可靠工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。高頻功率脈沖變壓器是整個(gè)電源中十分重要的元件，其主要作用為磁耦合傳遞能量、電氣隔離、電壓變換和阻抗變換等其性能的好壞不僅直接影響到輸出是否產(chǎn)生波形的畸變及能量傳輸?shù)男剩铱赡苡绊懙焦β书_關(guān)器件的安全工作。本章將對(duì)IGBT保護(hù)技術(shù)進(jìn)行敘述，本設(shè)計(jì)中高頻脈沖變壓器采用電視機(jī)高壓包。3.1IGBT的保護(hù)IGBT損壞的原因可以歸結(jié)為以下3個(gè)方面[14]：·過熱損壞，它叉分為由于集電極電流過大引起的瞬時(shí)過熱損壞和其它原因引起的持續(xù)過熱損壞；·集電極發(fā)射極間過壓損壞；·柵極過壓損壞。因此IGBT的保護(hù)要從以下4個(gè)方面著手：·集電極發(fā)射極間過電壓保護(hù)；·柵極過電壓保護(hù)；·過流保護(hù)；·過熱保護(hù)。3.1.1集電極、發(fā)射極間過電壓保護(hù)IGBT的集電極發(fā)射極間產(chǎn)生過壓的類型有兩類，即IGBT關(guān)斷過壓和續(xù)流二極管反向恢復(fù)過壓。安裝緩沖電路是抑制集電極、發(fā)射極間過壓的有效措施。緩沖電路之所以能減小IGBT集電極發(fā)射極間的過壓．是因?yàn)樗o回路電感提供了泄能回路，降低了回路電感上電流的變化率。3.1.2柵極過電壓保護(hù)IGBT的柵極出現(xiàn)過壓的原因有兩個(gè)：(1)靜電聚積在柵極電容上引起過壓；(2)密勒效應(yīng)引起的柵極過壓，柵極過壓保護(hù)電路如圖3.1所示。圖3.1柵極過壓保護(hù)電路3.1.3過電流保護(hù)在逆變電源的負(fù)載過大或輸出短路的情況下，會(huì)造成IGBT因過流而損壞。在該逆變電源中，采用集中過電流保護(hù)與分散過電流保護(hù)相結(jié)合的過流保護(hù)策略，所謂集中過電流保護(hù)，就是通過檢測(cè)逆變橋輸入直流母線上的電流，當(dāng)該電流值超過設(shè)定的閾值時(shí)，封鎖所有橋臂IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；分散過電流保護(hù)是通過檢測(cè)逆變橋各個(gè)橋臂上的電流，當(dāng)該電流超過設(shè)定的閾值時(shí)，封鎖該橋臂IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采取雙重過電流保護(hù)使裝置的可靠性大大提高。(1)集中過電流保護(hù)電流檢測(cè)點(diǎn)放在直流側(cè)，檢測(cè)元件采用日本HINODE公司的直測(cè)式霍爾效應(yīng)電流傳感器HAP8－200/4，用以檢測(cè)直流側(cè)電壓的瞬時(shí)值。HAP8－200/4需要±15V的供電電源，額定電流為±200A，飽和電流在450A以上，額定輸出電壓為±4V，di/dt響應(yīng)時(shí)間在10us以下。在正常情況下，集中過電流保護(hù)電路的輸出OC為高電平，一旦直流母線電流超過設(shè)定的閾值，比較器LM311的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)過R2，C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖剑@個(gè)低電平的信號(hào)將使封鎖電路動(dòng)作，封鎖逆變橋所有IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。R2C2組成的延遲電路是為防止封鎖電路誤動(dòng)作而采取的抗干擾措施。OC至OC至圖3.2集中過電流保護(hù)框圖(1)分散過電流保護(hù)圖3.3所示為分散過電流保護(hù)的原理圖。圖3.3分散過流保護(hù)電路原理圖我們知道，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓不變時(shí)，IGBT的飽和壓降，將隨著集電極電流的增大而增大，與的關(guān)系可由如下經(jīng)驗(yàn)公式表示出來：其中Iced為IGBT的額定電流[12]。因此通過監(jiān)測(cè)，就可以判斷IGBT是否過流。在圖2.8中，M57962L通過快恢復(fù)二級(jí)管Vd1及穩(wěn)壓管來監(jiān)測(cè),當(dāng)M57962L輸入側(cè)光耦導(dǎo)通后，并且當(dāng)=+UVd1+UVz超過閾值*后，將開始軟關(guān)斷，M57962L的輸出電壓將從正柵壓逐漸下降到負(fù)柵壓。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Vee=10V,Vcc=15V時(shí)，閾值*=9.5V，并且當(dāng)Vee不變時(shí)，Vcc每增加lV，*也將加lV?？梢钥闯?，改變穩(wěn)壓管VZ的穩(wěn)壓值可以改變分散過流閾值。在實(shí)際裝置中，Vcc=15V，Vee=10V，Vd為ERA34-10，其管壓降為0.5V，UVz=5V，這樣分散過流保護(hù)的電流閾值為3倍的額定電流。3.1.4過熱保護(hù) IGBT過熱的原因可能是驅(qū)動(dòng)波形不好或電流過大或開關(guān)頻率太高，也可能由于散熱狀況不良。可以利用溫度傳感器檢測(cè)IGBT的散熱器溫度，當(dāng)超過允許溫度時(shí)使主電路停止工作。3.2本章小結(jié)本章主要對(duì)IGBT保護(hù)技術(shù)做了詳細(xì)介紹，分析了IGBT過壓，過流和過熱產(chǎn)生原因以及解決辦法。第4章系統(tǒng)控制如前所敘，本電源主電路采用了IGBT全橋逆變結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電路日本三菱公司專用芯片M57962L實(shí)用電路，利用51單片機(jī)控制技術(shù)軟件實(shí)現(xiàn)變頻，變占空比，同時(shí)通過鍵盤、顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。本章將介紹主要芯片使用特性和應(yīng)用方法。4.1驅(qū)動(dòng)模塊M57962L介紹4.1.1M57962L M57962L是日本三菱公司開發(fā)生產(chǎn)的可驅(qū)動(dòng)N溝道IGBT，內(nèi)部集成有2500V高隔離電壓的光耦合器、過電流保護(hù)電路、過電流保護(hù)輸出信號(hào)端子和與TTL電平相兼容的輸入接口，是一種雙電源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；內(nèi)部共摸抑制比高，M57962L驅(qū)動(dòng)電信號(hào)延遲最大為1.5,其驅(qū)動(dòng)電路外形結(jié)構(gòu)與管腳號(hào)見圖3.1，引腳關(guān)系見表3.1。[1]圖4.1M57962L表4.1M57962L引腳號(hào)特性引腳號(hào)特性1集電極電壓監(jiān)測(cè)端2延長(zhǎng)端3廠家測(cè)試415V電源端5輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)6-10V電源端7廠家測(cè)試8過流保護(hù)輸出端9廠家測(cè)試10廠家測(cè)試11空腳12空腳13驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入負(fù)端14驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入正端注：廠家測(cè)試端口不允許外接電路。M57962L的電氣特性參數(shù)(工作的最大額定值)如未有其它說明，一律按T=25℃條件測(cè)得，結(jié)果見表4.2表4 .2M57962L的電氣特性參數(shù)參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件最大值電源電壓DC（直流）18VDC（直流）-15V輸入電壓17V輸出電壓輸出高電平輸出電流脈沖寬度2f=20kHz-5A脈沖寬度2f=20kHz-5Af=20kHz50%占空比0.5A隔離電壓正弦波電壓60Hz，1分鐘2500V結(jié)溫85工作溫度-2060貯存溫度-20100故障輸出電流在8端20mA輸入電壓加在1端50V4.1.2M57962L內(nèi)部組成及其特點(diǎn)圖4.2M57962L內(nèi)部組成原理M57962L內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖4.2所示。主要特點(diǎn)：（1）高速輸入輸出隔離，絕緣強(qiáng)度高2500VAC／min。（2）輸入輸出電平與TTL電平兼容，適于單片機(jī)控制。（3）內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性。（4）具有可靠通斷措施(采用雙電源)。（5）驅(qū)動(dòng)功率大，可以驅(qū)動(dòng)600A/600V或400A/l200V的IGBT模塊。M57962L驅(qū)動(dòng)應(yīng)用電路前面已經(jīng)介紹，根據(jù)IGBT本身的特性，其工作頻高，響應(yīng)速度快，工作于開關(guān)狀態(tài)下其開關(guān)損耗大，從而對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)可靠安全性提出了更高的要求，采用專用驅(qū)動(dòng)模塊M57962AL能夠驅(qū)動(dòng)大電流大功率的場(chǎng)合，能實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的過流過壓保護(hù)，同時(shí)所設(shè)計(jì)的外圍應(yīng)用電路具有限制基極限流電阻和基射極限幅器，確保了IGBT基極不被燒壞和擊穿。4.1.3輸出電流限制使用M57962L，必須選擇合適的電阻，防止超過極限值（=5A），的選取可以依據(jù)公式當(dāng)=15V，=-5V時(shí)，取值為=(15+5)／5=4但對(duì)大功率的IGBT模塊來說，數(shù)值一般按下式計(jì)算：這是因?yàn)閷?duì)于大功率的IGBT模塊，為了平衡模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)和防止內(nèi)部的振蕩，模塊內(nèi)部的各個(gè)開關(guān)器件都會(huì)包含有柵極電阻器，數(shù)值視模塊種類不同而不同，一般在0.75一3之間，而f的數(shù)值則依靠柵極驅(qū)動(dòng)電路的寄生電感和驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)速度來決定，所以獲得的最佳辦法就是在改變時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，RG達(dá)到極限值[16]。4.1.4驅(qū)動(dòng)器對(duì)電源的要求驅(qū)動(dòng)器的電源要與驅(qū)動(dòng)器的輸入驅(qū)動(dòng)脈沖一側(cè)的控制部分的電源完全隔離開，這一方面是因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的電源的地端是與IGB的發(fā)射極接在一起的，而發(fā)射極的電位接在高壓端，是不斷變化的；另一方面是為了清除地線回路的噪聲問題。在帶有幾個(gè)隔離電源的電路系統(tǒng)中，內(nèi)部電源的電容容量必須降低到一定額度，以避免相互耦合而產(chǎn)生的共態(tài)噪聲。對(duì)于三菱公司生產(chǎn)的M57957L—M57962L系列的IGBT驅(qū)動(dòng)器，推薦的電源配置如圖3.3所示。圖4.3電源配置這兩個(gè)電源給IGBT提供了工作時(shí)的正負(fù)偏壓，通常對(duì)電源的要求為±10%之內(nèi)可調(diào)，而驅(qū)動(dòng)器的電源端應(yīng)連接有鉭或鋁電解去耦電容，他們的主要作用就是提供IGBT柵極所需的高脈沖電流，對(duì)于絕大部分的電路，電容器的容量為47即可。4.2AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介[8]

AT89C是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。圖4.４51系列單片機(jī)引腳圖4.2.1主要特性·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán),數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32根可編程I/O線·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路4.2.2管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：管腳 備選功能P3.0RXD （串行輸入口）P3.1TXD （串行輸出口）P3.2/INT0 （外部中斷0）P3.3/INT1 （外部中斷1）P3.4T0 （記時(shí)器0外部輸入）P3.5T1 （記時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4.2.3振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4.2.4芯片擦除整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。4.3單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出PWM(PulseWidthModulation)即脈沖寬度調(diào)制,它通過控制信號(hào)去調(diào)制方波脈沖的寬度,從而獲得控制的實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)生PWM信號(hào)可以由硬件方法和軟件方法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的硬件模擬方法是把調(diào)制信號(hào)和載波(一般是三角波)同時(shí)接入運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端作比較而得到。而軟件的實(shí)現(xiàn),特別是基于單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)方法,主要是利用其內(nèi)部提供的定時(shí)器,通過改變定時(shí)器的定時(shí)初值獲得不同的脈沖持續(xù)時(shí)間,如果把系統(tǒng)的控制信號(hào)和定時(shí)器的定時(shí)初值線性對(duì)應(yīng)起來,就可獲得控制信號(hào)對(duì)脈寬調(diào)制的PWM信號(hào)[11]?？刂菩盘?hào)的種類不同,采用不同的計(jì)算方法,又可以獲得不同的PWM.本系統(tǒng)要求單片機(jī)產(chǎn)生兩路倒相方波輸出來實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT橋臂通斷的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生默認(rèn)周期為1ms（即頻率為1KHz信號(hào)）；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比。TPWM2TPWM2PWM1600us死區(qū)2us導(dǎo)通關(guān)斷1ms圖4.５缺省時(shí)兩列反相PWM脈沖示意圖P1.0輸出PWM1,P1.1輸出PWM2。4.4顯示、鍵盤電路顯示電路如圖4.6所示。該顯示電路采用了4位LED數(shù)碼顯示管，分別實(shí)時(shí)顯示輸出電壓占空比和頻率。段碼輸入段碼輸入位選圖4.６LED顯示電路在此電路中，把輸出交流電實(shí)時(shí)頻率和占空比通過4位LED數(shù)碼管顯示出來，此連接方式用于動(dòng)態(tài)顯示，要顯示的數(shù)字所對(duì)應(yīng)的字形碼通過單片機(jī)I/O口從段碼輸入端送出，位選端在同一時(shí)刻只有1位輸出端為低電平，其他3位輸出全為高電平，為低電平的對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管選中，因此作為數(shù)碼管顯示時(shí)的位選信號(hào)。系統(tǒng)在工作時(shí)，段碼輸入端每次輸出一個(gè)字形碼，同時(shí)控制位選端的電平狀態(tài)，即使得要顯示的對(duì)應(yīng)位數(shù)碼管共陰極端依次為低電平，即依次選中要顯示的位，完成整個(gè)顯示電路的動(dòng)態(tài)掃描，依此掃描4次，完成4位數(shù)據(jù)（占空比和頻率）的顯示。鍵盤電路如圖4.7所示：D+D+D-89C51I/0接口&+5V圖4.7鍵盤接口電路根據(jù)電源的功能需要，設(shè)置了2個(gè)按鍵:占空比增大(D+),占空比減小（D-）。用外中斷INT0作為鍵盤的輸入口，P0口是多功能口，并且只能作為輸入口。當(dāng)沒有按鍵時(shí)，INT0為高電平，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)位變?yōu)榈碗娖?，由軟件識(shí)別相應(yīng)的按鍵并進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序以實(shí)現(xiàn)變占空比。4.5保護(hù)電路設(shè)計(jì) 保護(hù)電路用于當(dāng)電源出現(xiàn)異常情況時(shí)保護(hù)設(shè)備及電源本身的安全。該電源中的保護(hù)電路有兩種，一是過流，短路，過熱，欠壓保護(hù)，一是過載保護(hù)。過流，短路，過熱，欠壓保護(hù)電路如圖4.8所示：至至+5V138M57962LPWM信號(hào)+5V4.7k光耦圖4.8保護(hù)電路原理示意圖基本原理如下:當(dāng)電路中出現(xiàn)過流，過熱，短路，欠壓等情況時(shí)，M57962L第8腳輸出一故障信號(hào)，該故障信號(hào)通過光耦隔離后驅(qū)動(dòng)外接電路將輸入端13腳置為高電平確保IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。同時(shí)向CPU外中斷1發(fā)出中斷信號(hào)，CPU執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序，指示故障類型，等待處理。NYNNYY開始NYNNYY開始短路檢測(cè)短路否啟動(dòng)門關(guān)斷電路啟動(dòng)定時(shí)器輸出誤差信號(hào)定時(shí)結(jié)束否輸入信號(hào)為高復(fù)位1~2ms圖4.9 驅(qū)動(dòng)模塊M57962保護(hù)工作流程4.7本章小結(jié)本章先簡(jiǎn)要介紹了驅(qū)動(dòng)模塊M57962L和控制芯片AT89C51的使用特性，重點(diǎn)論述了單片機(jī)PWM信號(hào)發(fā)生技術(shù)，然后分別給出了硬件電路中的鍵盤顯示電路和保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)模塊M57962L的保護(hù)工作流程使整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)趨于完整。第5章印制電路板布線流程與PCB設(shè)計(jì)的基本原則[16]本章主要講述印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)中非常重要的兩個(gè)內(nèi)容，這將為后面進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)備基礎(chǔ)知識(shí)。5.1印制電路板布線流程印制電路板設(shè)計(jì)的一般步驟如下：（1）繪制電路圖。這是電路板設(shè)計(jì)的先期工作，主要是完成電路原理圖的繪制，包括生成網(wǎng)絡(luò)表。當(dāng)然，有時(shí)也可以不進(jìn)行原理圖的繪制，而直接進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)。（2）規(guī)劃電路板。在繪制印制電路板之前，用戶要對(duì)電路板有一個(gè)初步的規(guī)劃，比如說電路采用多大的物理尺寸，采用幾層電路板（單面板還是雙面板），各元器件采用何種封裝形式及其安裝位置等。（3）設(shè)置參數(shù)。參數(shù)的設(shè)置是電路板設(shè)計(jì)的非常重要的步驟。設(shè)置參數(shù)主要是設(shè)置元器件的布置參數(shù)、層參數(shù)、布線參數(shù)等等。一般來說，有些參數(shù)用其默認(rèn)值即可，有些參數(shù)在使用過Protel99SE以后，即第一次設(shè)置后，幾乎無需修改。（4）裝入網(wǎng)絡(luò)表及元器件封裝。網(wǎng)絡(luò)表是電路板自動(dòng)布線的靈魂，也是電路原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)與印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的接口。因此這一步也是非常重要的環(huán)節(jié)。只有將網(wǎng)絡(luò)表裝入之后，才可能完成對(duì)電路板的自動(dòng)布線。元器件的封裝就是元器件的外形，對(duì)于每個(gè)裝入的元器件必須有相應(yīng)的外形封裝，才能保證電路板布線的順利進(jìn)行。（5）元器件的布局。元器件的布局可以讓Protel99SE自動(dòng)布局，也可以手動(dòng)布局。元器件的布局合理，才能進(jìn)行下一步的布線工作。（6）自動(dòng)布線。Protel99SE采用世界上最先進(jìn)的無網(wǎng)絡(luò)、基于形狀的對(duì)角線自動(dòng)布線技術(shù)。只要將有關(guān)的參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，元器件的布局合理，自動(dòng)布線的成功率幾乎是100%。（7）手工調(diào)整。自動(dòng)布線結(jié)束后如有不滿意的地方可以進(jìn)行手工調(diào)整。（8）文件保存及輸出。5.2PCB設(shè)計(jì)的基本原則PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)電路板抗干擾能力影響很大。因此，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導(dǎo)線的布設(shè)是很重要的。為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、造價(jià)低的PCB，應(yīng)遵循下面講述的一般原則。5.2.1布局首先，要考慮PCB的尺寸大小。PCB尺寸過大時(shí)，印刷線路長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元器件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。在確定特殊元器件的位置時(shí)要遵守以下原則：（1）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨的太近，輸入和輸出元器件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。（2）某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶強(qiáng)電的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。（3）重量超過15g的元器件，應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。（4）對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元器件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的要求。（5）應(yīng)留出印刷板的定位孔和固定支架所占用的位置。5.2.2布線布線的方法以及其結(jié)果對(duì)PCB的性能影響也很大，一般布線要遵循以下原則：（1）輸入和輸出端的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行。最好添加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。（2）印制板導(dǎo)線拐彎一般取圓弧形，而直角或銳角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用柵格狀，這樣利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。5.3本章小結(jié)PCB板的制作是本設(shè)計(jì)中必不可少的部分，本章著重?cái)⑹隽擞≈齐娐钒宀季€流程和PCB設(shè)計(jì)的基本原則，為使電子電路達(dá)到最佳性能提供了基礎(chǔ)和規(guī)范的前提。第6章電路調(diào)試與分析在電子電路設(shè)計(jì)中，電子電路調(diào)試包括測(cè)試和調(diào)整兩個(gè)方面。調(diào)試的意義是：通過調(diào)試使電子電路達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)；通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷予以糾正。6.1電路調(diào)試電路的調(diào)試包括電路的測(cè)試和調(diào)整兩個(gè)方面。測(cè)試是對(duì)已經(jīng)安裝完成的電路進(jìn)行參數(shù)及工作狀態(tài)的測(cè)量，調(diào)整是在測(cè)量的基礎(chǔ)上對(duì)電路元器件的參數(shù)進(jìn)行必要的修正，使電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)電路的調(diào)試我們是通過分塊調(diào)試法和統(tǒng)一調(diào)試法進(jìn)行的。分塊調(diào)試就是各級(jí)電路分別調(diào)試，我們?cè)O(shè)計(jì)的電路是由若干級(jí)電路組成，逐級(jí)對(duì)各級(jí)電路進(jìn)行調(diào)試。在各級(jí)電路調(diào)試好后，進(jìn)行級(jí)連調(diào)試，其中有多次反復(fù)，最終才完成整調(diào)。詳細(xì)過程如下：（1）通電前檢查電路安裝好后，在沒有接通電源的情況下，我們對(duì)電路進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的檢查，以便發(fā)現(xiàn)并糾正電路在安裝過程中的疏漏和錯(cuò)誤，避免在電路通電后發(fā)生不必要的故障，甚至損壞元器件。檢查電路中每個(gè)元器件的型號(hào)和參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求，這時(shí)可對(duì)照原理圖或裝配圖逐一進(jìn)行檢查。在檢查時(shí)還注意各元器件引腳之間有無短路，連接處的接觸是否良好。特別是注意集成片的方向和引腳、三極管管腳、二極管的方向和電解電容器的極性等是否接對(duì)。電路連線的錯(cuò)誤是造成電路故障的主要原因之一。通電前必須檢查所有連線是否正確，包括錯(cuò)線、多線和少線等。查線過程中我們還注意了各連線的接觸點(diǎn)是否良好，在有焊點(diǎn)的地方應(yīng)檢查焊點(diǎn)是否牢固。在檢查電源的接線時(shí)，先查看電源線的正負(fù)極性是否接對(duì)。然后用萬用表的檔測(cè)量電源線進(jìn)線之間的電線有無短路現(xiàn)象，再用萬用表的歐姆檔檢查兩進(jìn)線之間有無開路現(xiàn)象。在檢查到電源進(jìn)線之間有短路或開路現(xiàn)象時(shí)，不能接通電源，必須在排除故障后才能通電。（2）通電檢查通電前檢查無誤后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將電壓相符的電源接入電路。電源接通后不應(yīng)急于測(cè)量數(shù)據(jù)或觀察結(jié)果，而應(yīng)首先觀察電路中有無異?，F(xiàn)象。如有無冒煙，是否聞到異常氣味，也可用手摸器件有無異常的發(fā)熱現(xiàn)象，電源是否有短路現(xiàn)象等。如果出現(xiàn)這些異?，F(xiàn)象，則立即關(guān)斷電源，重新檢查電路并找出原因，待故障排除后方可重新接通電源。（3）靜態(tài)調(diào)試靜態(tài)調(diào)試一般是指在不加輸入信號(hào)，或只加固定的電平信號(hào)的條件下所進(jìn)行的直流測(cè)試，可用萬用表測(cè)出電路中各點(diǎn)的電位，通過和理論估算值比較，結(jié)合電路原理的分析，判斷電路直流工作狀態(tài)是否正常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路中已損壞或處于臨界工作狀態(tài)的元器件。通過更換器件或調(diào)整電路參數(shù)，使電路直流工作狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。（4）動(dòng)態(tài)調(diào)試動(dòng)態(tài)調(diào)試是在靜態(tài)調(diào)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在電路的輸入端加入合適的信號(hào)，按信號(hào)的流向，順序檢測(cè)各測(cè)試點(diǎn)的輸出信號(hào)，若發(fā)現(xiàn)不正常現(xiàn)象，應(yīng)分析其原因，并排除故障，再進(jìn)行調(diào)試，直到滿足要求。6.2硬件的可靠性分析與待完善發(fā)展技術(shù)采用各種電子元器件進(jìn)行系統(tǒng)或整機(jī)線路設(shè)計(jì)時(shí)，不僅必須考慮如何實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能，而且應(yīng)該考慮采用何種設(shè)計(jì)方案才能充分發(fā)揮元器件固有可靠性的潛力，提高系統(tǒng)或整機(jī)的可靠性水平。6.2.1可靠性分析每個(gè)集成電路的電源輸入端接0.01μF~0.1μF左右的去藕電容以減小電源電壓波動(dòng)帶來的噪聲。用四個(gè)獨(dú)立的隔離電源分別給M57962L供電，用一個(gè)單獨(dú)的隔離電源給單片機(jī)供電，用以減小接地回路噪聲。光禍合器的輸出腳和驅(qū)動(dòng)模塊的輸入腳間在PCB上的走線應(yīng)盡量短(最大2到3厘米)。長(zhǎng)的走線容易拾取電路其他部分的噪聲。還要注意PCB布線不應(yīng)增加光禍合器初級(jí)到次級(jí)的電容?？刂葡到y(tǒng)中數(shù)字地和模擬地須分別接地然后僅在一點(diǎn)處把兩種地連起來，否則，數(shù)字回路通過模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源，將會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生影響。TTL,CMOS器件的地線呈輻射網(wǎng)狀，避免環(huán)形.旁路電容的地線不要太長(zhǎng)。散熱性要好，系統(tǒng)中功率模塊發(fā)熱最大，其次是濾波電感。對(duì)它們的散熱措施是加裝散熱片和風(fēng)扇。電感、變壓器的安裝不能太靠近機(jī)殼，以免由于電磁感應(yīng)引起地電位的變化。6.2.2電源設(shè)計(jì)中的電磁兼容性問題電磁兼容性（EMC）是指電子系統(tǒng)及其元部件在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作的能力。EMC設(shè)計(jì)的目的是既能抑制各種外來的干擾，使電路和設(shè)備在規(guī)定的電磁環(huán)境中能正常工作，同時(shí)又能減少其本身對(duì)其它設(shè)備的電磁干擾。（1）電源對(duì)電網(wǎng)傳導(dǎo)的騷擾與抑制騷擾來源：①非線性流。②初級(jí)電路中功率晶體管外殼與散熱器之間的容光煥發(fā)性耦合在電源輸入端產(chǎn)生的傳導(dǎo)共模噪聲。抑制方法：①對(duì)開關(guān)電壓波形進(jìn)行“修整”。②在晶體管與散熱器之間加裝帶屏蔽層的絕緣墊片。③在市電輸入電路中加接電源濾波器。（2）開關(guān)電源的輻射騷擾與抑制注意輻射騷擾與抑制