【正文】 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇和參數(shù)的計(jì)算 （ 1）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的選擇 系統(tǒng)中采集的是電壓和電 壓信號，皆是模擬量，需要通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字量 [12]。 端口電平為高電平時，發(fā)光二極管兩端壓差為零，發(fā)光二極管不亮；當(dāng) 端口電平為低時，發(fā)光二極管被驅(qū)動，燈亮。系統(tǒng)中無特殊要求，選用通用比較器 LM393 即可。 過電流保護(hù)電路 （ 1）過電流保護(hù)電路組成 保護(hù)電路在系統(tǒng)中不可缺少，良好的保護(hù)措施可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。 Flash編程的并行模式及編程方法 AT89S52 帶有用作編程的片上 Flash 存儲器陣列。對于 AT89S52， ，用戶軟件不應(yīng)給這些位寫 1，它們?yōu)?AT89系列新產(chǎn)品預(yù)留。這就意味著 WDT 應(yīng)該在中斷服務(wù)程序中復(fù)位。 在掉電模式下，振蕩器停止工作 ，這意味著 WDT也停止了計(jì)數(shù)。 WDT一旦啟動，除了復(fù)位（硬件復(fù)位或 WDT溢出復(fù)位），沒有任何辦法使 WDT停止計(jì)數(shù)。當(dāng)一條指令訪問高于 7FH 的地址時， 尋址方式?jīng)Q定 CPU 訪問高 128 字節(jié) RAM 還是特殊功能寄存器空間。10PF 陶瓷諧振器 C1,C2=40PF177。 （ 12） XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。這個 ALE 使能標(biāo)志位（地址為 8EH的 SFR的第 0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。在振蕩器穩(wěn)定工作時，在 RST腳施加兩個機(jī)器周期高電平（即 24個晶振周期）以上的高電平，將使單片機(jī)復(fù)位。用 DPTR和 MOVX R1類指令訪問外部程序存儲器時， P2口上的內(nèi)容是 SFR P2的內(nèi)容。 （ 4） P1口 P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口?？臻e 模式下停止 CPU工作，但允許 RAM、定時器 /計(jì)數(shù)器、串行口和中斷繼續(xù)工作。綜合考慮，擬選用 AT89S52微控制器（單片微機(jī)）。 4 控制電路組成及功能 控制電路如圖 10所示，控制電路由微控制器加外圍電路組成。因?yàn)閿夭娐返妮斎腚妷嚎赡苁?50HZ 的交流電經(jīng)過整流得到的，故此處 T 為 。 電容 2C 的計(jì)算 電容 2C 是濾波電容，它可以使輸出電壓穩(wěn)定。 圖 9 主電路電路圖 本設(shè)計(jì)主電路參數(shù)的計(jì)算與選型 斬波開關(guān) IGBT 參數(shù)的計(jì)算與選型 如前所述， IGBT 融合了 GTR、 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，所以選擇 IGBT 作為斬波開關(guān)元件，對提高主電路性能有著至關(guān)重要的作用。 IGBT 中雙極型 PNP 晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo) 調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而 IGBT 的開關(guān)速度低于電力 MOSFET。前者為 IGBT 中 MOSFET 單獨(dú)工作的電壓下降過程； 后者為 MOSFET 和 PNP 晶體管同時工作的電壓下降過程。 GEu 0 時， IGBT 為反向阻斷工作狀態(tài)。圖 7（ a）所示 為 IGBT 的 轉(zhuǎn)移特性 ，它描述的是集電極電流 CI 與柵極電壓 GEU 間的關(guān)系，與 MOSFET 轉(zhuǎn)移特性類似。圖中 NR 為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 IGBT 的性能、參數(shù) [1][4] 在主電路中，斬波開關(guān)是至關(guān)重要的部件，承受著高壓、大電流，因此有必要對該器件的性能、參數(shù)作出描述：在電力電子器件家族中， GTR 和 GTO 是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。 圖 5 系統(tǒng)框圖 主電路形式及控制算法 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求：主電路輸入直流電壓為 DC200V— 350V，輸出電壓（穩(wěn)壓）為 DC24V，所以擬采用降壓直流斬波電路。開關(guān) S 合向 A 點(diǎn)的時間為 V 處于斷態(tài)的時間 oft ，則電容電流和時間的乘積為 1I oft 。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。 假設(shè)負(fù)載中 L 值較小，則有可能出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。 式 (22)中 t / oft 表示升壓比 ，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓 0U 的大小。另外，由于 IGBT 管發(fā)射極不接地，使驅(qū)動電路復(fù)雜。由此式可知輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為 E ，若減小占空比 ? ，則 Uo 隨之減小。 以上關(guān)系還可以從能量傳遞關(guān)系簡單的推出。 負(fù)載電流平均值為 : （ 12） 若負(fù)載中 L 值很小，則在 V 關(guān)斷后，到了 2t 時刻，如圖 1c 所示，負(fù)載電流已經(jīng)衰減至零，會出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。若負(fù)載中沒有反電動勢時，只需令 0?ME ，以下的分析和表達(dá)式均可適用。由于電力電子器件制造技術(shù) 的發(fā)展，直流斬波器中功率器件的性能已解決，而隨著微控制器（處理器）技術(shù)的迅速發(fā)展，各種功能強(qiáng)大價(jià)格低廉的微控制器不斷推出，微控制器與電力電子器件的結(jié)合構(gòu)成新型直流斬波器是必然趨勢，也是最為靈活的配置方案。 DCDC變換器可分為兩種基本類型 :非隔離型 (輸入源和負(fù)載共用一個公共端 )和隔離型 (能量轉(zhuǎn)換是用一個變壓器藕合實(shí)現(xiàn)的 )。由于 89S52 的應(yīng)用 , 使系統(tǒng)具有外圍器件少、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、可靠性高等特點(diǎn)，系統(tǒng)具備過壓過流保護(hù)策略。直流斬波器可分為降壓型、升壓和升降壓混合型 [1]，這里根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求擬以降壓型斬波器（ Buck Chopper） 為案例進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)。該電路使用一個全控型器件 V，圖中為 IGBT，若采用半 控器件晶閘管，則需要設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等，如圖 1b 所示。 EETtEtt tU ????? onof fon onoREUi Moo ?? 第 7 頁 共 45 頁 7 圖 1 降壓斬波電路原理圖及波形 a)電路圖 b)電流連續(xù)時的波形 c)電流斷續(xù)時的波形 基于電力電子電路實(shí)質(zhì)上是分時段線性電路這一思想 ,降壓斬波電路解析如下： 在 IGBT 處于通態(tài)期間 ， 設(shè)負(fù)載電流 1i ， ME 為反電動勢 ,可列出如下方程： （ 13） 設(shè)此階段電流初值為 10I ， RL/?? ,解上式得 （ 14） 在 IGBT 處于斷態(tài)期間 ,設(shè)負(fù)載電流為 2i ， 可以列出如下方程： （ 15） 設(shè)此階段電流初值為 20I ， 解上式得 （ 16） 當(dāng)電流連續(xù)時 ,有 （ 17） tttOOOb)TEiGtonto f fio i1i2I10I20t1uoOOOtttTE Ec)iGiGtonto f fiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+MRLVDa)ioEMuoiGEERitiL ??? M11dd???????? ???? ?? ??tt eR EEeIi 1101 M???????? ??? ?? ??tt eREeIi 1202 M0dd M22 ??? ERitiL)( 2210 tiI ? 第 8 頁 共 45 頁 8 （ 18） 即 IGBT 進(jìn)入通態(tài)時的電流 初值就是 IGBT 在斷態(tài)階段結(jié)束時的電流值 ， 反過來 ，IGBT 進(jìn)入斷態(tài)時的電流初值就是 IGBT 在通態(tài)階段結(jié)束時的電流值。 在上述情況中，電感 L 值 為足夠大，且負(fù)載電流平直。 在負(fù)載電流斷續(xù)的工作情況下，負(fù)載電流一降到零，續(xù)流二極管 VD 即關(guān)斷，負(fù)載兩端電壓 Uo 等于 ME 。 當(dāng) V 處于斷態(tài)時 E 和 L 共同向 C 充電，并向負(fù)載 R 提供能量。 由式（ 27）、式（ 28）、式（ 29）、式（ 210）、式（ 211）、式（ 212）得出： （ 216） （ 217） 式中， ； ； ????????????? ?? TTtt 1/1=?? 。 基本工作原理： V 通時，電源 E 經(jīng) V 向 L 供電使其貯能，此時電流為 1i 。 Cuk 斬波電路 圖 4 所示為 Cuk 斬波電路的原理圖及其等效電路 。 指標(biāo)要求： ? 輸入電壓范圍；直流 200V350V ? 輸出電壓為：直流 24V177。 系統(tǒng)的控制核心為微控制器，由于控制新芯片的指令執(zhí)行速度是一定的，其輸出脈沖最小寬度受到限制，因此在控制算法 — 調(diào)整占空比的實(shí)施中擬采用保持脈沖寬度不變，而調(diào)整脈沖周期的做法。它比 VDMOSFET 多一層 P? 注入?yún)^(qū)，因而形成了一個大面積的 P? N 結(jié) J1。 以上所述 PNP 晶體管與 N 溝道 MOSFET 組合而成的 IGBT 稱為 N 溝道 IGBT，記為 NIGBT，其電氣圖形符號如圖 6c)所示。 圖 7 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b)輸出特性 圖 7b）所示 為 IGBT 的 輸出特性（伏安特性） ，它描述的是 以 )(thGEU 為參考變量時， CI與 GEU 間的關(guān)系。而 CI 從 10%的 CMI 上升至 90%的 CMI 所需時間 為電流 上升時間rt 。 關(guān)斷延遲時間與電流下降時間之和 為 oft 。在實(shí)際 第 18 頁 共 45 頁 18 工作時，當(dāng)單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 脈沖使 V（ IGBT）導(dǎo)通后，電容 2C 開始充電，輸出電壓 0U 加到負(fù)載 R 兩端。 電感 L 的計(jì)算 在 主電路中電感 L 的作用為濾波、能量轉(zhuǎn)換及減小電流變換率。 電容 1C 的計(jì)算 電容 1C 是輸入濾波電容，以減小輸入電壓的波動。其中 15 代表額定電流為 15A， 60 代表額定電壓為 600V。由微控制器的一個位口輸出占空比可調(diào)的脈沖信號，經(jīng)三極管進(jìn)行脈沖的功率放大，通過脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，進(jìn)而控制 IGBT的開通和關(guān)斷。使用 Atmel公司高密度、非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)型 80C51單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容；片內(nèi)的 Flash 存儲器可 第 21 頁 共 45 頁 21 在線重新編程，或使用非易失性存儲編 程器；通用的 8位 CPU與在系統(tǒng)可編程 Flash集成在一塊芯片上，從而使 AT89S52功能更加完善，應(yīng)用更加靈活；具有較高的性能價(jià)格比，使其在控制應(yīng)用系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。在這種情況下， P0具有內(nèi)部含有上拉電阻。每個引腳能驅(qū)動 4個 TTL。若外部負(fù)載將 P3口拉為低電平，則經(jīng)由內(nèi)部上拉電阻向外輸出電流。如果需要，通過將地址為 8EH的 SFR的第 0位置 “ 1” ， ALE操作將無效。為了能從 0000H 到 FFFFH的外部程序存儲器讀取指令， EA 必須接 GND；為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令（ 0000H 1FFFH）， EA 應(yīng)該接 VCC；如果需要可自動轉(zhuǎn)到執(zhí)行片外 程序存儲器中的指令（ 2021H FFFFH）。這時，把外部振蕩器的信號直接連到 XTAL1端， XTAL2端懸空不用。對于 89S52，如果 EA 接 VCC，程序讀寫先從內(nèi)部存儲器（地址為 0000H～ 1FFFH）開始，接著從外部尋址，尋址地址為： 2021H~FFFFH。因此，高 128字節(jié)數(shù)據(jù) RAM也可用于堆?？臻g。由于 WDT是每一個機(jī)器周期 WDT自動增加 1，這就意味著用戶在小于 16383個機(jī)器周期內(nèi)，必須將 WDT復(fù)位一次，為了復(fù)位 WDT，用戶必須向 WDTRST 寫入 01EH 和 0E1H。中斷應(yīng)持續(xù)拉低很長一段時間，使得晶振穩(wěn)定。 中斷 AT89S52 有 6個中斷源：兩個外部中斷（ 0INT 和 1INT ），三個定時中斷（定時器 0、 2）和一個串行中斷 。它們的值一直到下一個周期被電路捕捉下來。每個編程脈沖編程一個字節(jié)或一個鎖定位，寫入周期是內(nèi)部