【正文】 （ 2） PID 控制算法的實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)是通過采樣的方式進(jìn)行反饋的，具有離散性，離散的 PID 控制可以近似為： ? ?10t Di p i j i i ojI TTU K e e e e uTT ????? ? ? ? ??????…………………………… （ ） 其中 iU 為第 i 采樣時(shí)刻的輸入值， ie 為第 i 個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值， 1ie? 為第 i1 采樣時(shí)刻的偏差值，當(dāng)采樣周期 T 足夠短時(shí)，控制過程可近似為連續(xù)控制，這種控制算法稱為全量式 PID 算法。 （ 2）規(guī)則采樣法，為在微機(jī)中實(shí)現(xiàn) SPWM 算法，可以對(duì)正弦控制信號(hào)進(jìn)行周期采樣，依據(jù)采用值與載波信號(hào)比較來 確定 PWM 脈沖的前后沿，有多種形式實(shí)現(xiàn)該方法，包括：對(duì)稱采樣、非對(duì)稱采樣、平均規(guī)則采樣。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第四章 系統(tǒng)的控制 及仿真 系統(tǒng)的控制 電源控制部分的設(shè)計(jì)在很多程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的好壞，控制電路的主要任務(wù)根據(jù)要求產(chǎn)生設(shè)定的 SPWM 脈沖，根據(jù)采樣回的電壓信 號(hào) 而調(diào)節(jié)脈沖寬度。 OE： 表示 輸出允許控制信號(hào)輸出線， OE 為高電平時(shí)吧轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到數(shù)據(jù)線，當(dāng)OE 為低電平時(shí)，輸出為浮空狀態(tài)。 ADC0809 是一種 8 路模擬信號(hào)輸入、 8 位逐次逼近法A/D，它的轉(zhuǎn)換時(shí)間在典型的時(shí)鐘頻率下是 100us。在高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中應(yīng)用 IR2110 可以大大地降低外圍電路的復(fù)雜度，同時(shí)也降低了成本、提高系統(tǒng)的可靠性。這個(gè)輸出紋波電 壓即為疊加在輸出直流電壓上的交流三角波。特別是對(duì)于轉(zhuǎn)換器，由于集膚效應(yīng)的作用，使得導(dǎo)線的交流電阻增大，電流密度在導(dǎo)線界面上分布不均湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 勻。電流型控制能在一定程度上限制沖擊電流。對(duì)于合金材料磁芯，如鉆基非晶合金和微晶合金等，雖然具有較高的電阻率，通常情況下可以軋成很薄的帶料，因此能用在較高頻率。常用減少漏感的方法： （ 1）采用多股絞合銅線或?qū)挶〉你~箔片，使得到較高的銅占因子。 iR 、iVD 是 V 關(guān)斷時(shí)為 Li 中的磁場(chǎng)能量釋放電路而設(shè)置的。我們一般把在漏源電壓作用下開始導(dǎo)通時(shí)的柵源電壓GSV 叫做開啟電壓 TV 。同時(shí)，濾波電容又不能過大導(dǎo)致電源的瞬態(tài)響應(yīng)變差。 圖中 yC 是用來消除共模干擾的，其對(duì)裝在 NG 和 LG 之間，被稱為 Y 電容。 在開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，磁性元件的應(yīng)用是十分廣泛的，如濾波電感、諧振電感、吸收電路中的限流電感、隔離變壓器等。這時(shí)二極管 1D 和 2D 的反向恢復(fù)條件可以得到改善，同時(shí)也改善了開關(guān) 管 Q 的開通條件。當(dāng)勵(lì)磁電流下降到零時(shí)，磁心復(fù)位到原始磁狀態(tài)，以 便下一個(gè)開關(guān)周期磁心重復(fù)勵(lì)磁?！狈?hào)的一端表示是繞組的始端。兩個(gè)開關(guān)管的輪流導(dǎo)通是變壓器的鐵心交替地磁化和去磁，以完成電 能從初級(jí)繞組到次級(jí)繞組的傳輸。半橋式轉(zhuǎn)換器的變壓器雙向勵(lì)磁，沒有變壓 器 偏磁問題，適合各種工業(yè)用電源和計(jì)算機(jī)用電源，但其驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜，有直通問題。但是對(duì)于輸出電壓可調(diào)的高頻開關(guān)電源的研究不多，市場(chǎng)上的電壓可調(diào)開關(guān)電源成品也很少，針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，本文在分析了各種高頻開關(guān)電源的基礎(chǔ)上，主要著手中小功率電壓可調(diào)開關(guān)電源的研發(fā)并充分考慮其經(jīng)濟(jì)性與總體性能，本論文設(shè)計(jì)的高頻開關(guān)電源是基于單片機(jī)控制的，利用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)（ PWM），主電路拓?fù)洳扇≌な诫娐罚瑢?shí)現(xiàn)開關(guān)電源的輸出電壓可調(diào)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。最好的肖特基二極管也有 正向壓降，將產(chǎn)生巨大的導(dǎo)通損耗，所以整流器件的唯一選擇是用同步整流 MOSFET，副邊的研究便主要集中在如何驅(qū)動(dòng)這些同步整流 MOSFET 上。第二代產(chǎn)品的變壓器也得到很大改良，采用了屏蔽式結(jié)構(gòu)和 鍍 銅磁芯，共模噪聲和寄生電容得到降低，變壓器的處理功率密度大幅提高。（ 2）由諧波電流引起的電路故障，會(huì)損壞設(shè)備。這種硬開關(guān)技術(shù)限制了轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的提高，從而限制了轉(zhuǎn)換器的小型化和輕量化。 開關(guān)電源電路器件 電力電子技術(shù)的進(jìn)步必須依靠新型的電力電子器件。單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器共有：降壓式（ Buck） DC/DC 轉(zhuǎn)換器，升壓式（ Boost） DC/DC 轉(zhuǎn)換器、升降壓式（ BuckBoost） DC/DC 轉(zhuǎn)換器、 Cuk DC/DC 轉(zhuǎn)換器、 Zeta DC/DC 轉(zhuǎn)換湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 器、 SEPIC DC/DC 轉(zhuǎn)換器。本文要介紹的只是直流開關(guān)電源，其功能是將市電（粗電）轉(zhuǎn)換成精度要求較高的電壓以滿足各種設(shè)備對(duì)電壓的要求。 4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容： （ 1）電壓可調(diào)開關(guān)電源的應(yīng)用意義； （ 2）電壓可調(diào)開關(guān)電源的硬件設(shè)計(jì)； （ 3）電壓可調(diào)開關(guān)電源的軟件設(shè)計(jì)； （ 4）電壓可調(diào)開關(guān)電源的仿真； （ 5）電壓可調(diào)開關(guān)電源的發(fā)展前景。到了七十年代，美國摩托羅拉公司發(fā)表了一篇題為： “觸發(fā)起20kHz 的革命 ”由此正式揭開了高頻開關(guān)電源的發(fā)展序幕，高頻化使得電源不但減小體積更重要的是減小了功耗，節(jié)約了大量的能源。雙管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有雙管正激式（ Doubel Transistor Forward Converter）、雙管反激 式（ DoubleTransistorFlyback Converter）、推挽式 (PushPull Converter)和半橋式（ HalfBridge Converter）四種。對(duì)于兆赫以上的開關(guān)電源可以利用諧振電路，這種工作方式被稱為諧振開關(guān)方式。 軟開關(guān)技術(shù)與高頻化 [2] 20 世紀(jì)中葉開始得到發(fā)展和應(yīng)用的 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器技術(shù)，是一種硬開關(guān)技術(shù)。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 （ 2）準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器（ QuasiResonant Converters ， QRCs）和多諧振轉(zhuǎn)換器（ MultiResonant Converters， MRCs）。 電路集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝 模塊化、集成化和智能化是開關(guān)電源的發(fā)展方向，各種專用功能芯片在近幾年內(nèi)發(fā)展迅速，如功率因素校正（ PFC）電路用的芯片，并聯(lián)均流控制芯片，電流反饋控制芯片。同時(shí)，低壓大電流 DC/DC變換技術(shù)也面臨著許多挑戰(zhàn)。 隨著各領(lǐng)域?qū)τ秒婋妷汉碗娏骶鹊牟粩嗵岣?，?duì)開關(guān)電源的要求也愈來愈高。單管正激式轉(zhuǎn)換器開關(guān)管承受的電壓為 2iU （ iU 為輸入電壓）。調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，即調(diào)節(jié)占空比 Du 以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的目的，本方案設(shè)計(jì)電路較為復(fù)雜，成本高，適合大功率工業(yè)用電源。開關(guān)管 Q 按照 PWM 方式工作，二極管 1D 是輸出整流二極管、 2D 是續(xù)流二極管，電感 fL 是輸出濾波電感，電容 fC 是輸出濾波電容。繞組 3W 的極性與初級(jí)繞組 1W 相反，一般情況下 1W = 3W ， 3W 與整流二極管串聯(lián)后并接于直流輸入電源 iV 的正極上。 正激式電路由于接入了隔離變壓器，從而實(shí)現(xiàn)了電源側(cè)與負(fù)載側(cè)之間的電氣隔離，這使得轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以高于或低于輸入電源的電壓，這也可以方便地實(shí)現(xiàn)多路輸出。其中，電感和電容是互為對(duì)偶的儲(chǔ)能元件，理想條件下電感和電容都是無損，并且所儲(chǔ)能也是單一形式的，即電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，電容儲(chǔ)存電場(chǎng)能。 驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的好壞也會(huì)影響到系統(tǒng)的整體性能，在設(shè)計(jì)中也需要謹(jǐn)慎考慮之。 （ a） 單相橋式整流電路原理圖 （ b）簡(jiǎn)化畫法 圖 單相橋式整流電路 單相橋式整流后的的電壓平均值為： 0 2 2 201 2 22 s in w t 0 . 9V V d w t V V???? ? ??………………………… （ ） 單相橋式整流電路波形圖如圖 所示，經(jīng)過整流橋后的直流電流值為： 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 202 R? …………………………………………………………… （ ） 在橋式整流電路中二極管 1D 、 3D 和 2D 、 4D 是輪流導(dǎo)通的，所以，流過每個(gè)二極管的平均電流為 0I ；每個(gè)二極管承受的最大反向電 22DRMVV? 。功率 MOSFET 是有大量細(xì)小的元包并聯(lián)組成的，采用垂直導(dǎo)電溝道可以減小通態(tài)電阻，源漏極在溝道兩湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 側(cè)擴(kuò)散而成，柵極與溝道之間用二氧化硅進(jìn)行 絕緣。 （ 3）開關(guān)管的緩沖電路設(shè)計(jì) 緩沖電路即吸收電路如圖 所示，它的作用是抑制電力電子器件過壓、 dudt 過大、或者過電流和 didt 過大，以達(dá)到減少開關(guān)器件的損耗的目的。高頻變壓器是轉(zhuǎn)換器中的核心元件，變壓器使得轉(zhuǎn)換器的輸入與輸出之間電氣隔離，可以湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 實(shí)現(xiàn)升壓和降壓，也可以方便的實(shí)現(xiàn)多路輸出。本設(shè)計(jì)采用 AP 法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （ 2） 當(dāng)頻率達(dá)到一定的范圍以上時(shí)，由高頻變化的 Bw 引起的鐵心損耗較大，發(fā)熱也嚴(yán)重。它由導(dǎo)線截面積、匝數(shù)、層數(shù)、絕緣漆厚度及線圈紋距等綜合因素決定的。 maxuD ∕ minuD = iU max∕ iU min= 220 ?? = 已知 maxuD =，可以得出 uD min=∕= offT =（ 1 uD min） Ts=100us =63us ………………………… （ ） 由 fL 的計(jì)算公式（ ofUU? ） offT ／ Lfi? =(60+)63106／ 4= （ 2）導(dǎo)線直徑的選擇： 考慮到集膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)線的直徑應(yīng)當(dāng)做到小于 2? ， ? 為滲透深度（ Peration depth）（ cm ）。 （ 2）保證驅(qū)動(dòng)電路的波形，以避免出現(xiàn)振蕩。高壓側(cè)輸出電流平均值應(yīng)當(dāng)小于 8mA，因此在 VCC 接 +12V 電壓的情況下， GND 極需要接一個(gè) 2k歐的電阻用來限流。 CLOCK：表示 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入線， CLOCK 的頻率范圍為 10kHz～ 1200kHz，一般情況下取 640kHz（此時(shí)的轉(zhuǎn)換速度為 100us）。 P 1. 01P 1. 23P 1. 12P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 0 /R X D10P 3. 1 /T X D11P 3. 2 /IN T 012P 3. 3 /IN T 113P 3. 4 /T 014P 3. 5 /T 115P 3. 616P 3. 717X T A L 218X T A L 119GND20V C C40P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732/E A31A L E30/P S E N29P 2. 728P 2. 627P 2. 526P 2. 425P 2. 324P 2. 223P 2. 122P 2. 021U4 S T C 8 9 C 51 V C CC 1 21 0U FC 1 43 0PC 1 33 0PR 1 01 0KV C CIN 025IN 124IN 2IN 323IN 422IN 521IN 620IN 719V R E F +18V R E F 17C L K1C2B3A4D05D16D27D38D49D510D611S T A R T13A L E14OE15E O C16D712U 2 2A D C 08 0 9R91KSV C CSTE O COESTE O COEP 2. 6P 2. 7Y11 2MP 2. 2P 2. 1P 2. 0P 3. 0P 3. 1P 3. 2P 3. 3P 3. 4P 3. 5P 3. 6P 3. 7C L KC L K 圖 ADC0809 與單片機(jī)的接線圖。常用的產(chǎn)生 SPWM 波形的軟件設(shè)計(jì)方法有： （ 1）自然采樣法，該方法調(diào)制信號(hào)是正弦波，調(diào)制信號(hào)與等腰三角形載波相比較，在自然交點(diǎn)處控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。 PID 算法的實(shí)現(xiàn) （ 1）控制技術(shù)概述 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 PID 算法具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性與可靠性較高、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在各 圖 面積等效原理 種應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是結(jié)合微處理器， PID 控制算法能夠得到很好的實(shí)現(xiàn)。如果輸出值大于設(shè)定值，則通過相應(yīng)的軟件算法調(diào)低占空比，使輸出電壓在一定的誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定在設(shè)定值；如果輸出電壓值小于設(shè)定值，則調(diào)大占空比。圖中 Tpi和 Tgi分別為開關(guān)管的關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)間。但這些方法與微機(jī)控制技術(shù)相比具有外圍電路復(fù)雜、調(diào)試不方便等缺點(diǎn)。 VREF+： 表示 參考電壓的輸入線，通常情況下 VREF+≤VCC。 A、