【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 出兩路波形一致、相位差為 1800 的 PWM 信號(hào)，結(jié)合雙 MOSFET 管斬波電路的獨(dú)特設(shè)計(jì)，能有效地減少輸出電流的紋波。 TL494 內(nèi)有兩個(gè)誤差信號(hào)比較器，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓模式控制盒電流模式控制，但在本系統(tǒng)中不能發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)，且沒(méi)有外部強(qiáng)制峰鎖端，不便于實(shí)現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)。 UC3573 屬于 DIP8 封裝，其 PWM 占空比可從 0~100%之間調(diào)節(jié)，能直接驅(qū)動(dòng) P溝道的MOSFET 開(kāi)關(guān)管，但在功能上不能直接實(shí)現(xiàn)誤差放大 和控制，難以滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 基于以上分析，選擇 SG3525 作為斬波電路的ＰＷＭ調(diào)制芯片較為理想。 SG3525 主西安歐亞學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 要技術(shù)指標(biāo)如表 所列。 表 SG3525 主要技術(shù)指標(biāo) 參數(shù)名稱(chēng) 數(shù)值 參數(shù)名稱(chēng) 數(shù)值 最大電源值 40V 封鎖閥值電壓 啟動(dòng)電壓 8V 待機(jī)電流 14mA 最高工作頻率 500kHz 基準(zhǔn)源溫度穩(wěn)定性 ℃ 誤差放大器的開(kāi)環(huán)增益 75dB 誤差放大器增益帶寬 2MHz 放大器 輸入失調(diào)電壓 2mV 驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流 500mA 電流傳感器的選擇 輸出的電流的檢測(cè)主要是為了得到精確的反饋量與準(zhǔn)確的顯示值，因此需要靈敏度高、線(xiàn)性度良好、可靠性強(qiáng)的元器件。為了保證系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能和較高的可靠性，在此首先考慮使用隔離型電流檢測(cè)方案。 方案一：使用電量測(cè)量中常用的磁補(bǔ)償式電流傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 。根基安培定律，原邊被測(cè)電流 I1N1將產(chǎn)生的磁場(chǎng) B1，它與 I2N2產(chǎn)生的磁場(chǎng) B2進(jìn)行磁補(bǔ)償后保持磁平衡狀態(tài)，即 I1N1=I2N2，所以能得到 I2=I1N1/N2。當(dāng) N1/N2確定后， I2正比于 I1，I2通過(guò) RM轉(zhuǎn)換成點(diǎn)呀信號(hào) 輸出。該隔離型傳感器與線(xiàn)性光電耦合器一樣具有精度較高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且無(wú)需外接任何元件就能得到準(zhǔn)確的檢測(cè)信號(hào)。但此種器件在 mA 級(jí)小電流檢測(cè)時(shí)，由于受漏磁等因素的影響，非線(xiàn)性失真明顯，難以保證對(duì) mＡ級(jí)小電量的準(zhǔn)確測(cè)量，而且該類(lèi)器件價(jià)格較昂貴。 方案二：使用線(xiàn)性光電耦合器，采集其電流流經(jīng)取樣電阻兩端的電壓的隔離型電流檢測(cè)方案。以線(xiàn)性光電耦合器 HCNR200 為例來(lái)分析其工作原理，其封裝形式內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 西安歐亞學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 HCNR200 由發(fā)光二極管 LED、反饋光電二極管 PD輸出光電二極管 PD2 組成。當(dāng) LED通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流 IF 時(shí)，發(fā)出紅外光（伺服光通量）。該光分別照射在 PD PD2 上，反饋光電二極管 PD1吸收光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流 IPD1（ IPD1=） ,該電流用來(lái)調(diào)節(jié) IF，以補(bǔ)償 LED的非線(xiàn)性。輸出光電二極管 PD2產(chǎn)生的輸出電流 IPD2與 LED 發(fā)出的伺服光通量成線(xiàn)性比例。令伺服電流增益 K1=IPD1/IF。正向增益 K2=IPD2/IF；則傳輸增益 K3=K2/K1=IPD2/IPD1,K3的典型值為 1。 由于 HCNR200 輸出電流 IPD2 與 LED 發(fā)出的伺服光通量成線(xiàn)性比例，且其非線(xiàn)性度為 %，傳輸增益為 100177。15% ；溫度增益系數(shù) — 6510 6/℃ ，帶寬大于 1MHz，耐壓為直流 1000V。具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 方案比較與選擇：前者電路連接形式簡(jiǎn)單，能滿(mǎn)足題中基本部分的要求，但要達(dá)到發(fā)揮部分的指標(biāo)，對(duì)后級(jí)信號(hào)處理的難度非常大；后者在電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，器件較多，基于對(duì)設(shè)計(jì)功能全面的考慮，選擇了方案二。 A/D 和 D/A 芯片的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)要求輸出的電壓為 20~2021mA，步進(jìn)為 1mA，且要求顯示數(shù)值，因此給定量的執(zhí)行元件 —— 數(shù) /模轉(zhuǎn)換器（即 D/A）與檢測(cè)量化元件 —— 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（即A/D），至少需要 11 位的轉(zhuǎn)換精度。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，并考慮到單片機(jī)的 I/O 接口資源緊張等因素。最終確定選用串行數(shù)據(jù)傳送方式的 ADS7841 和 DAC7512 兩款芯片轉(zhuǎn)換精度均為 12 位的集成芯片，其量化精度能達(dá)到 1/40961/2021，完全能達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求。 控制器芯片的選擇 在本設(shè)計(jì)中控制器芯片主要完成與 A/D、 D/A 的數(shù)據(jù)通信及對(duì)其數(shù)據(jù)的處理。實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)給定量的設(shè)定和對(duì)輸出量的采樣與顯示。同時(shí)，還要求對(duì)各種故障信息進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)地發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。此外，由于本系統(tǒng)屬于強(qiáng)的 EMI 源，因此對(duì)主控制器芯片西安歐亞學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 的抗干擾性能和故障處理能力有較高的要求。 控制器芯片采用 Atmel 公司的 AT89S8252CMOS8 位單片機(jī)， AT89S8252 比普通的 51系列單片機(jī)具有更強(qiáng)大的功能，其片內(nèi)含 8KB可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器和 256字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）； SPI 串行口 用于編程向下裝載；兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS— 51指令系統(tǒng)；片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash存儲(chǔ)單元；有 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口； 9 個(gè)中斷源，內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口； 3個(gè) 16位可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器；可編程 UART串行通信口； SPI 串行口。 AT89S8252 可按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可在線(xiàn)編程。其將通用的微處理器和 Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。因此，選擇Ａ tmel 公司的 AT89S8252 作為控制器芯片。 AT89S8252 有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 三種封裝形式，以適應(yīng)不同應(yīng)用系統(tǒng)的需求。 人機(jī)界面 人機(jī)界面包括對(duì)給定值的輸入、顯示和輸出電流值的實(shí)時(shí)顯示等，輸入設(shè)備采用輕觸鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)顯示部分有以下兩種方案可供選擇。 方案一：采用 LCD（液晶）顯示。該方案具有低壓微功耗、平板型結(jié)構(gòu)顯示信息量大，無(wú)電磁輻射、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，單本系統(tǒng)要求顯示的數(shù)據(jù)量小，不能發(fā)揮其顯示內(nèi)容豐富的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)占用 I/O 接口較多，且處在強(qiáng)干擾源中，可靠性低。 方案二：采用 LED（數(shù)碼管）顯示。該方案具有實(shí)現(xiàn)容易、發(fā)光亮度大、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，且其可 靠性也優(yōu)于 LCD 的顯示。 基于可靠性方面的考慮，選擇方案二。 輔助電源選擇 輔助電源主要是為控制部分供電的，由于電流源的主電路有開(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)供電方式如圖示 所示。 西安歐亞學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 電源輸入ＥＭＩ濾波和主電路前級(jí)整流濾波穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 電流源輸入ＥＭＩ濾波電路 為濾除交流電源線(xiàn)上的外來(lái)干擾，同時(shí)能避免向外界發(fā)出噪聲。在電源的輸入端加了一個(gè)型號(hào)為ＳＨ１６０－６的單向電源濾波器，其原理為雙向射頻干擾濾波器，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)資料，其濾波性能在全屏段都有明顯的效果，特別是在低頻段（１０～５００ｋＨｚ）具有極佳的濾波效果，同時(shí)也能抑制電路中的串模、共模干擾。 主電路前級(jí)整流穩(wěn)壓電路 主電路前級(jí)整流穩(wěn)壓電路 原理圖如圖所示。根據(jù)題目要求，輸入的電壓范圍在２００～２４０Ｖ內(nèi)變化。在電路的設(shè)計(jì)中，斬波電路的供電電壓有ＬＭ７８１８提供，因此，只要在電壓變化范圍內(nèi)能提供給ＬＭ７８１８的正常工作電壓，就不會(huì)對(duì)輸出有明顯的影響，根據(jù) LMP7818 的資料手冊(cè)，可得其正常工作的輸入電壓范圍為 18～ 35V。變壓器次級(jí)線(xiàn)圈兩端交流電壓有效值 U2，經(jīng)濾波整流后，能提供給 LMP7818 的電壓為 ，所以變壓器的變比 k的范圍為 240 35 ≤ k ≤200 18 即 ≤k≤ ，最后確定 k=11，在 220V 輸入的情況下， LMP 的輸入電壓為 24V。 西安歐亞學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 變壓器降壓后得到的交流電電壓經(jīng)全波整流，經(jīng) C C4 濾波整流后，送三端穩(wěn)壓器LM7818 穩(wěn)壓，為后級(jí)的斬波電路提供穩(wěn)定的電壓輸入。 PWM 調(diào)制波與 MOSEFT 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PWM 自動(dòng)調(diào)節(jié)是由 SG3525 芯片實(shí)現(xiàn)的，其原理圖如圖 所示。根據(jù) SG3525 的資料可知，其輸入的頻率由引腳端 5 外接的 CT 值和引腳端 6 外接的電阻 RT 值所決定，PWM 的調(diào)制波頻率為 f = TCR 本設(shè)計(jì)為了得到更好的輸出電流的質(zhì)量，將頻率設(shè)定在 100kHz 附近，取 C5（ CT）=,W3(RT)為 10kΩ 的可調(diào)精密電位器。在電路中調(diào)節(jié)電位器使用輸出的頻率在100kHz 左右。之所以選用 100kHz，是因?yàn)樵谡{(diào)制中發(fā)現(xiàn)，頻率太高，會(huì)使 IRF2510 的開(kāi)關(guān)損耗增大，容易發(fā)燙，而且頻率太低，不利于濾波和恒流。 單片機(jī)控制 DAC7512 輸出給定信號(hào)送至 SG3525 的第 2 引腳，檢測(cè)電流反饋的信號(hào)送入第 1引腳，在硬件上直接構(gòu)成 PI 閉環(huán)調(diào)節(jié)，第 10 引腳的封鎖端作為輸出過(guò)流過(guò)壓保護(hù)控制端直接由單片機(jī)控制。由 于 SG3525 輸出的 PWM 波是由內(nèi)部的兩個(gè) D 觸發(fā)器分頻得到的，從第 11引腳和第 1４引腳輸出的信號(hào)在相位上相差 180176。 ，其占空比小雨 50%。兩路 PWM 信號(hào)分別經(jīng)三個(gè) 40106 反相器放大驅(qū)動(dòng)兩個(gè) IRF5210。 西安歐亞學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 斬波電路與濾波穩(wěn)流電路設(shè)計(jì) 斬波電路原理圖如圖 所示。其中， IRF5210 為開(kāi)關(guān)器件； D為續(xù)流二極管； L為儲(chǔ)能電感； R5 為采樣電阻，取 2Ω 。 輸入電壓最大有效值的計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，負(fù)載允許通過(guò)的最大電流為 2021mA，輸入電壓最大值為 10V，在不考慮儲(chǔ)能電感的直流阻抗和濾波電容的容抗情況下，續(xù)流二極管兩端允許輸出的電壓最大有效值為 UD=IO。 MAXRs+UO。 MAX=2X2+10=14V。 西安歐亞學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算 在圖 中，開(kāi)關(guān)器件 IRF5210 的源漏極電壓 USD（ t）、電流 is(t),續(xù)流二極管 D 的電流 iD(t),儲(chǔ)能電感 L 的電流 iL（ t）的波形圖如圖 所示。對(duì)于任意開(kāi)關(guān)周期，假設(shè)在 t1≤t≤t2 期間， IRF5210 導(dǎo)通（導(dǎo)通時(shí)間為 TON） ,D截止；在 t2≤t≤t3期間， D 導(dǎo)通， IRF5210 截止。