【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 開(kāi)關(guān)管的選擇 作為開(kāi)關(guān)器件使用的晶體管，除了要具有放大特性以外，更重要的是應(yīng)具有開(kāi)關(guān)快速和輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)資料對(duì)比MOSFET與IGBT兩種開(kāi)關(guān)管， MOSFET與IGBT性能參數(shù)的對(duì)比性能指標(biāo)MOSFETIGBT驅(qū)動(dòng)類(lèi)型電壓型電壓型驅(qū)動(dòng)功率小較小開(kāi)關(guān)速度快較快能通過(guò)電流較大（100A以下）大（1000A以上）通態(tài)壓降小于或等于2V一般大于2V由于設(shè)計(jì)要求，主要指標(biāo)體現(xiàn)在輸出電流電壓分辨率、測(cè)量值的誤差、紋波、穩(wěn)態(tài)度等方面。為了獲得較好的濾波效果，希望其斬波的頻率越高越好，由于MOSFET管開(kāi)關(guān)速度快，選擇NMOS IRF840[10]，耐壓500V，額定功率125W。截止時(shí)，最大漏電流為1μA，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 恒流電路IRF840的G極接PWM波變換后的直流電壓，D極接15V/5A電流的電源（可采用開(kāi)關(guān)電源），S極用來(lái)接采樣電阻和負(fù)載。采樣電阻應(yīng)采用溫漂系數(shù)低、阻值為10mΩ、精度為1%的大功率錳銅絲電阻。當(dāng)對(duì)采樣電阻兩端信號(hào)進(jìn)行差分后，可得到采樣電阻兩端的電壓值U，而在已知采樣電阻阻值情況下，很容易得到流經(jīng)采樣電阻的電流，即I=U/R。由于負(fù)載與采樣電阻在同一條支路，故流經(jīng)負(fù)載的電流也為I。差分放大電路的放大倍數(shù)可根據(jù)采樣電阻阻值以及ADC的參考電壓來(lái)選擇，=R3，R2=R4，放大倍數(shù)為R4/R3。需要注意的是該電路應(yīng)該具有很高的輸入阻抗，以減少對(duì)負(fù)載電路的影響。差分信號(hào)經(jīng)ADC口送入單片機(jī)進(jìn)行處理。電感L1值大，流過(guò)MOSFET功率管和輸出濾波電容C4的電流峰值小，但電流上升斜率小，電路抗干擾差且MOSFET功率管開(kāi)通電流大，電感值小，電流脈動(dòng)大，沖擊電流大，因此可知，L1除了起濾波作用外，還有限制開(kāi)關(guān)電流的作用。由基本Buck變換器連續(xù)導(dǎo)電與不連續(xù)導(dǎo)電模式臨界條件得[11][12]： ()式中為占空比，為開(kāi)關(guān)頻率，R為負(fù)載電阻。變換器要工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，必須滿足式()，則的最小值為： ()在本設(shè)計(jì)中電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起直流輸入電壓U0的波動(dòng)范圍為24~25 V，輸出電壓范圍為2~22 V，計(jì)算脈沖信號(hào)最大占空比式中：為輸出最大電壓，為輸入最小電壓。取負(fù)載電阻為40Ω， kHz，代入式（)，可得為160μH。另外，電感L1的值不僅要滿足變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式的要求，還要滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中電感電流脈動(dòng)。假設(shè)允許最大電感電流脈動(dòng)為，則有[13]： ()式中： 為輸入最大電壓， 為輸出最小電壓， 為脈沖信號(hào)最小占空比。 A， kHz，占空比： ()為25V，為2V，()，可得為52μH。綜合以上所得，取的值為160μH。電感損耗包括兩方面[15]：其一是與磁芯相關(guān)的損耗，即傳統(tǒng)的鐵損。其二是與電感繞組相關(guān)的損耗，即通常所說(shuō)的銅損。鐵損分為磁滯損耗與渦流損耗，前者與頻率成正比，所以對(duì)于鐵損而言，頻率越低，損耗越少。銅損是由于漆包銅線具有阻性，當(dāng)電流流過(guò)銅線時(shí)會(huì)發(fā)熱，這樣降低電阻就成為減小銅阻的關(guān)鍵。由于線圈的匝數(shù)與頻率成反比，頻率越高匝數(shù)越小，電阻也越小，所以降低頻率有利于減小銅損。為了減小導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，續(xù)流二極管要選用能夠快速恢復(fù)的二極管F107，這種二極管在3A電流時(shí)，他的導(dǎo)通電壓是可以接受的。由于當(dāng)開(kāi)關(guān)管工作頻率取F= kHz時(shí)，設(shè)紋波電壓約為100mV，則計(jì)算得到C數(shù)量級(jí)為1000μF。實(shí)際調(diào)試后取電容為4700μF。輔助電源主要是為了控制部分供電的由于電流源的主電路有高頻的開(kāi)關(guān)管在工作噪聲干擾大，所以為了確保控制部分的穩(wěn)定性和可靠性，采用與主電路分離的電源電路供電。 系統(tǒng)的前級(jí)供電示意圖 輸入整流器/濾波器部分的設(shè)計(jì)輸入整流器/濾波器電路在開(kāi)關(guān)電源中不被人重視。典型的輸入整流器/濾波器電流由三到四個(gè)部分組成：EMI濾波器、浪涌抑制器、整流級(jí)（離線應(yīng)用場(chǎng)合）和輸入濾波電容。許多交流輸入離線式電源要求有功率因數(shù)校正（PFC）。 輸入整流濾波電路 EMI濾波器隨著電子設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)與家用電器的大量涌現(xiàn)和廣泛普及，電網(wǎng)噪聲干擾日益嚴(yán)重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高（幾百伏至幾千伏）、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，常使人防不勝防，這已引起國(guó)內(nèi)外電子界的高度重視。電磁干擾濾波器（EMIFilter）是近年來(lái)被推廣應(yīng)用的一種新型組合器件。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，可廣泛用于電子測(cè)量?jī)x器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開(kāi)關(guān)電源、測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域。輸入濾波的前級(jí)是EMI濾波器。這個(gè)電感流過(guò)的是相對(duì)較大的直流電流，并且要防止高頻開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入輸入電源端。在交流離線應(yīng)用場(chǎng)合，經(jīng)常用共模扼流圈，在本設(shè)計(jì)中，EMI濾波器選用二階共模濾波器。EMI濾波器的主要作用是濾除開(kāi)關(guān)噪聲和由輸入線引起的諧波。 EMI濾波器 單相橋式整流電路單相橋式式整流電路適用與1KW以下的整流電路中。完成這一電路主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。(1)工作原理 單相橋式整流電路是最基本的將交流變換為直流的電路，因?yàn)槭怯伤闹徽鞫O管接成電橋的形式，所以稱(chēng)為橋式整流電路 單相橋式整流電路（2）參數(shù)計(jì)算 根輸出電壓是單相脈動(dòng)電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為：過(guò)負(fù)載的平均電流為：流過(guò)二極管的平均電流為：二極管所承受的最大反向電壓：二級(jí)管的選擇應(yīng)主要考慮以上兩個(gè)因素。在這次設(shè)計(jì)中，我選用的是輔電路選N4007，主電路用BUG808，5A的整流橋（3）電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算 負(fù)載平均電壓升高，紋波減少，且越大，電容放電速率越慢，則負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般?。涸诒驹O(shè)計(jì)中，我采用AD50V的4700181。F電容。 輸出整流和濾波電路經(jīng)過(guò)高頻開(kāi)關(guān)變壓器降壓后的脈動(dòng)電壓同樣要使用二極管和電容進(jìn)行整流和濾波，只是此時(shí)整流時(shí)的工作頻率很高，必須使用具有快速恢復(fù)功能的肖特基整流二極管，普通的整流二極管難當(dāng)此任，而整流部分使用的電容也不能有太大的交流阻抗，否則就無(wú)法濾除其中的高頻交流成分，因此選擇的電容不但容量要大，還要有較低的交流電阻才行。 電流電壓反饋回路電壓反饋環(huán)的唯一功能就是使輸出電壓保持在一個(gè)固定值。即通過(guò)控制器件控制端的電流來(lái)調(diào)節(jié)占空比，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。但考慮負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)輸出精度等方面，電壓反饋的設(shè)計(jì)就變得很復(fù)雜了。電壓反饋環(huán)的核心部分是一個(gè)稱(chēng)為誤差放大器的高增益運(yùn)算放大器，這部分僅僅是個(gè)高增益的放大器而已，它把兩個(gè)的誤差放大，并產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)。在電壓系統(tǒng)中，這兩個(gè)電壓一個(gè)是參考電壓，而另一個(gè)則是輸出電壓。輸出電壓在輸入到誤差放大器之前先進(jìn)行分壓，分壓的比例為電壓參考值與額定輸出電壓的比值。這樣，在額定輸出電壓時(shí)，誤差放大器產(chǎn)生一個(gè)“零誤差”點(diǎn)。如果輸出偏離額定值，放大器的輸出誤差電壓就會(huì)明顯地改變，電源系統(tǒng)用改該誤差電壓來(lái)校正脈寬，從而使輸出電壓回到額定值。電壓反饋環(huán)要與輸入電壓和控制器IC隔離，可以用光隔離器進(jìn)行隔離。光耦合器在開(kāi)關(guān)電源的主回路使輸入回路與輸出回路進(jìn)行電氣隔離，并為電源的穩(wěn)壓控制電路提供信號(hào)通路。它主要有光源（即發(fā)光二極管）和光敏器件組成。最通用的光電耦合器是把一個(gè)發(fā)光二極管LED合一個(gè)光敏三極管VT封裝在一個(gè)完全與外界隔離的外殼中。工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：當(dāng)有電流流過(guò)LED時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)光源，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，光照射到封裝在一起的光敏三極管VT上后，控制VT產(chǎn)生一個(gè)與LED正向電流成比例的集電極電流。為了減少光隔離器漂移的影響，二次惻要用到一個(gè)誤差放大器，這個(gè)誤差放大器可以用TL431CP。～。其性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，可廣泛用于開(kāi)關(guān)電源或線性穩(wěn)壓電源中。此外，TL431還能構(gòu)成電壓比較器、電源電壓監(jiān)視器、延時(shí)電路精密恒流源等。目前在開(kāi)關(guān)電源中普遍用它來(lái)構(gòu)成外部誤差放大器，在與線性光電偶合器組成隔離式光偶反饋電路。TL431有多種型號(hào)，它屬于三端可調(diào)器件，～36V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值。TL431的電壓溫度系數(shù)30106/℃。其動(dòng)態(tài)阻抗低。～36V，陰極工作電流為1～100mA。TL431內(nèi)部主要是由誤差放大器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓、NPN晶體管和保護(hù)二極管組成。 電壓反饋電路5 開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ATMega16單片機(jī)軟件簡(jiǎn)介 ATMega16單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和主要性能ATMega16[18]是ATMEL公司一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR的RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)。芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具有運(yùn)算速度快，功耗低，功能強(qiáng)大，性價(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)。RISC是相對(duì)于CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))而言的。RISC并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是通過(guò)使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理而提高運(yùn)算速度的。RISC優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令。并固定指令長(zhǎng)度，減少指令格式和尋址方式的種類(lèi)，從而縮短指令周期，提高運(yùn)算速度。由于ATmegal6單片機(jī)采用RISC的這種結(jié)構(gòu)，使它可以具備1MIPS/MHz(百萬(wàn)條指令每秒/兆赫茲)的高速處理能力，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATMEGA16單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖，屬于哈佛結(jié)構(gòu)，核心是將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集連結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU(算術(shù)邏輯單元)直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令可以同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使AVR的運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍，具有1MIPs/MHz的處理能力。單片機(jī)采用低功率、非揮發(fā)性CMOS工藝制造，內(nèi)部分別集成Flash、EEPROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲(chǔ)器。除了可以通過(guò)SPI口和一般的編程器對(duì)單片機(jī)的Flash程序存儲(chǔ)器和EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行編程外，還具有在線編程(ISP)的特點(diǎn)。在程序設(shè)計(jì)上，ATMEGA16的結(jié)構(gòu)適宜采用高級(jí)語(yǔ)言(這是AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo))來(lái)編寫(xiě)嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，ATMEGA16支持C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)者無(wú)須昂貴的開(kāi)發(fā)工具(開(kāi)發(fā)板等)只要在ICC編譯環(huán)境下把應(yīng)用程序編譯好，再結(jié)合它本身的在線可編程特性，就可以把程序下載到單片機(jī)的存儲(chǔ)器里。這種方式對(duì)我們?cè)诮?jīng)費(fèi)不足的情況下作研究確實(shí)是一種很方便的解決方案。ATMEGA16是AVR高檔單片機(jī)中內(nèi)部接口最豐富，功能最齊全的單片機(jī)，它的主要性能如下：1）采用先進(jìn)RISC結(jié)構(gòu)的AVR內(nèi)核131條機(jī)器指令，且大多數(shù)指令的執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；32個(gè)8位通用工作寄存器；工作在16MHz時(shí)具有16MIPS的性能。配備只需要2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器2）片內(nèi)含有較大容量的非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器16K字節(jié)在線可編程（ISP）Flash程序存儲(chǔ)器（擦除次數(shù)1萬(wàn)次），采用Boot Load技術(shù)支持IAP功能；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)3級(jí)鎖定的程序加密；512個(gè)字節(jié)片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（壽命10萬(wàn)次）；3）片內(nèi)含JTAG接口支持符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能用于芯片檢測(cè)；支持?jǐn)U展的片內(nèi)在線調(diào)試功能；可通過(guò)JTAG口對(duì)片內(nèi)的Flash、EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密位實(shí)施下載編程；4）外圍接口2個(gè)帶有分別獨(dú)立、可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)帶有可設(shè)置預(yù)分頻器、具有比較、捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；片內(nèi)含獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；4路PWM通道；8路10位ADC面向字節(jié)的兩線接口TWI（兼容I2C硬件接口）；1個(gè)可編程的增強(qiáng)型全雙工的，支持同步/異步通信的串行接口USART；1個(gè)可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口（支持ISP程序下載）；片內(nèi)模擬比較器；內(nèi)含可編程的，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的看門(mén)狗定時(shí)器WDT；5）其它的特點(diǎn)片內(nèi)含上電復(fù)位電路以及可編程的掉電檢測(cè)復(fù)位電路BOD；片內(nèi)含有1M/2M/4M/8M，經(jīng)過(guò)標(biāo)定的、可校正的RC振蕩器，可作為系統(tǒng)時(shí)鐘使用；多達(dá)21個(gè)各種類(lèi)型的內(nèi)外部中斷源；有6種休眠模式支持省電方式工作； 6）寬電壓、高速度、低功耗工作電壓范圍寬：ATMega16L ，ATMega16 ；運(yùn)行速度：ATMega16L 08M，ATMega16 016M；低功耗：ATMega16L工作在1MHz、3v、25度時(shí)的典型功耗為，，掉電工作模式1uA；7）芯片引腳和封裝形式ATMega16共有32個(gè)可編程的I/O口（腳），芯片封裝形式有40引腳的PDIP、44引腳的TQFP和44引腳的MLF封裝。 ATMega16的引腳 ATMEGA16的引腳圖： ATMEGA16的引腳功能表引腳名稱(chēng)引腳功能說(shuō)明VCC電源正GND電源地端口A(PA7..PA0)端口A做為A/D變換器的模擬輸入端。端口A為8位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7..PB0)端口B為8 位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。端口C（PC7..PC0）端口C為8 位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻