【文章內容簡介】 增大或減小?？梢韵胂?，如果能在增大時減小占空比，而在減小時增大占空比，那么輸出電壓就可獲得穩(wěn)定。將 Uo 的采樣電壓通過反饋來調節(jié)控制電壓的占空比，就可達到穩(wěn)壓的目的。根據能量守恒原理，輸出電壓與輸入電壓之間也有如下關系： 控制過程是在保持調整管開關周期 T 不變的情況下，通過改 變開關管導通時間來調節(jié)脈沖占空比，從而實現穩(wěn)壓，故稱之為脈寬調制型開關電源。目前有多種脈寬調制型開關電源的控制器芯片，有的還將開關管也集成于芯片之中，且含有各種保護電路，因而可得到開關型穩(wěn)壓電路的簡化形式，如 下 圖所示。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 14 開關管及其驅動電路的選擇 根據上圖看來，穩(wěn)壓電路設計中的關鍵是開關管 V 的選擇。我們根據高性能的要求，選擇新一代開關元件 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 作為開關管 V，它是 2O世紀 80 年代中期問世的一種新型電力電子器件 ,它是 由 BJT(雙極型三極管 )和MOS(絕緣柵型場效應管 )組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件 , 兼有MOSFET的高輸入阻抗和 GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。 GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大 。MOSFET 驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。 IGBT的靜態(tài)特性： IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs 的控制， Ugs 越高， Id 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。在截止狀態(tài)下的 IGBT ，正向電壓由 J2 結承擔，反向電壓由 J1結承擔。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，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些應用范圍。 IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的關系曲線。它與 MOSFET 的轉 移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th) 時， IGBT 處于關斷狀態(tài)。在 IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內， Id 與 Ugs 呈線性關系。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 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。 IGBT 處于導通態(tài)時，由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過 MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh 式中 Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為 ～ 1V ； Udr —— 擴展電阻Rdr 上的壓降； Roh —— 溝道電阻。 通態(tài)電流 Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中 Imos —— 流過 MOSFET 的電流。 由于 N+ 區(qū)存在電導調制效應，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，只有很小的泄漏電流存在。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 15 IGBT的 轉移特性和輸出特性 IGBT的動態(tài)特性 ： IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為 MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓 Uds 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間。td(on) 為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間 ton 即為 td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由 tfe1 和 tfe2 組成。 IGBT 的觸發(fā)和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基 于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為 IGBT 柵極 發(fā)射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅動技術進行觸發(fā)，不過由于IGBT 的輸入電容較 MOSFET 為大，故 IGBT 的關斷偏壓應該比許多 MOSFET 驅動電路提供的偏壓更高。 IGBT 在關斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?MOSFET 關斷后， PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間， td(off)為關斷延遲時間， trv為電壓 Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間 Tf由圖中的 t(f1)和 t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間 t(off)=td(off)+trv 十 t(f) 式中， td(off)與 trv之和又稱為存儲時間。 IGBT 的開關速度低于 MOSFET，但明顯高于 GTR。 IGBT 在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯電阻的增加而增加。 IGBT的開啟電壓約 3～ 4V，和 MOSFET 相當。 IGBT 導通時的飽和壓降比 MOSFET 低而和GTR 接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 16 的驅動電路 我們不再采用分立元件組成的驅動電路，而采用富士電機的 EXB841 專用集成電路，最高運行頻率是 40kHz。輸入信號經內部光電隔離，最大延遲時間為1us。驅動電路外加 +20V單電源供電，由內部電阻和穩(wěn)壓管分壓為 +15V和 5V，分別作為正負柵極電源。根據 IGBT 管壓降隨集電極電流的增加而增加的特性，EXB841 的內部采用集電極和發(fā)射極之間電壓識別法進行過電流保護。為防止柵極積累電荷，設一放電電阻 RS，其電阻值取 ，同時并接兩個反向串聯穩(wěn)壓管、可以避免柵極和發(fā)射極間的尖峰電壓損壞 IGBT。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 17 第三 章 PIC16F877 單片機 在該設計中，控制核心是單片機，需要用它來產生 PWM波，并將采樣電壓與基準電壓進行比較，控制 PWM 波的占空比，從而實現穩(wěn)壓。采用 PIC16F877 單片機來實現該功能。 PIC16F877 是由 Microchip 公司所生產開發(fā)的新產品，屬于 PICmicro 系列單片微機，具有 Flash program 程序內存功能，可以重復燒錄程序，適合教學、開發(fā)新產品等用途；而其內建 ICD(In Circuit Debug)功能，可以讓使用者直接在單片機電路或產品上，進行如暫停微處理器執(zhí) 行、觀看緩存器內容等，讓使用者能快速地進行程序除錯與開發(fā)。 PIC16F877 單片機 I/O 端口介紹： PIC16F877 單片機有 5 個 I/O 端口： PORTA,PORTB,PORTC,PORTD 和 PORTE,共有 33 個引腳。各個端口的設計思路和內部結構都是不同的，甚至同一個端口不同的引腳的內部結構也存在差異，但其他線路很相似。 ● 端口 A 是一個 6 位的雙向輸入 /輸出端口，對應的數據方向寄存器是TRISA。當作為一般數據輸入 /輸出時， TRISA 寄存器用來設定該引腳為輸入 /輸出，且每個引腳可以單獨作為輸入 /輸出使 用。 PORTA 寄存器 為端口 A 的數據緩沖期，與端口 A 共享引腳的外圍功能模塊包括 A/D 轉換通道、模擬參考電壓和定時器 0 外部時鐘輸入等。 ● 端口 B 是一個 8 位的雙向輸入 /輸出端口，對應的數據方向寄存器是TRISA。它除了具有與端口 A 一樣的通用 I/O 功能外，其 RB4～ RB7 引腳還提供可電平變化中斷功能。 ● 端口 C、 D、 E 的功能與端口 A 的功能類似，出具有通用的輸入 /輸出功能外，還與某些外圍功能模塊共享引腳。端口 C、 D 都是 8位的雙向輸入 /輸出端口，對應的數據方向寄存器是 TRISC 和 TRISD；端口 E僅有 3個引腳作為雙向輸入 /輸出端口，他也有相應的數據方向寄存器 TRISE。 此外，端口 D 還可以作為并行從動口 (PSP)的總線引腳，作為和其他微處理器連續(xù)的并行接口，而端口 E的 TRISE 寄存器中的 PSPMODE 位則用于選擇端口 D作為 PSP 的總線引腳。 以端口 C 為例，簡單介紹 I/O 端口的應用。端口 C 的 8 個引腳 RC0～ RC7 分別通過 8 只電阻（起限流作用）與發(fā)光二極管相連，從而控制發(fā)光二極管的點亮和熄滅。當端口 C 相應的引腳輸出為低電平時，發(fā)光二極管點亮；當端口 C 相應的引腳輸出高電平時，發(fā)光二級光熄滅。 根據硬件電路對端 口 C 進行編程，實現如下功能：程序運行后，前 4個發(fā)光二極管點亮，后 4 個熄滅。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 18 40 引腳 PIC16F877 接腳說明 PIC16F877 屬于閃控式 (Flash)單片機，可以重復燒錄，其 ROM 的容量總共是 8K words，以 2K 為一個 page，區(qū)分為 4個 pages；內部 RAM總共有 512 個字節(jié) (00f~1FFh)，以 128 個字節(jié)為一個 Bank，共區(qū)分為 4 個 Bank，每個 Bank 的前半段都有其特殊用途，分別連接到其特殊功能模塊，例如 I/O、 CCP、 Timer、 USART、MSSP 等。 PIC16F877 屬于內嵌 功能較多的單片機，除了 CPU、 POM、 RAM、 I/O 等基本構造外，還包括以下各種功能，簡介如下： ● 模 /數轉換器 ADC 模塊 ： PIC16F877 單片機的 ADC 內部機構如下圖所示。 40引腳封裝芯片與 28 引腳封裝芯片的區(qū)別主要在于模擬口的數量不同， 28引腳封裝芯片沒有 AN5～ AN7模擬量輸出通道，其他各部分的功能和組成關系相同。 PIC16F877 單片機內部嵌入的 ADC 模塊具有 10 位數字量精度，共有 8 個模擬通道，與 ADC 模塊有關的寄存器共有 11 個，其專用的 4 個寄存器分別為：ADCCON0,ADCCNO1,ADRESH 以及 ADRESL。 源阻抗（ RS）和內部采樣開關（ RSS）阻抗直接影響所要求的充電電容 CHOLD 的時間，采樣開關（ RSS）阻抗在單片機電壓上的變化，源阻抗在模擬輸入時影響偏移電壓（由于引腳漏電流）。所推薦的最大模擬源阻抗是 101kω ，在模塊輸入通道被選擇后轉換可以開始之前采集必須通過。 A/D 轉換器時間每位定義為 tad， A/D 轉換器每 10 位轉換要求 12TAD， A/D轉換器時鐘源是可以通過軟件設定的， tad 的 4種可能選擇是： 2 TOSC； 8 TOSC； 32 TOSC； 內部 RC振蕩器。 對于正確的 A/D 轉換， A/D 轉換時鐘（ TAD）必須被選擇以保證 的最上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 19 小 TAD 時間。 ADCON TRISA 和 TRISE 寄存器控制 A/D端口引腳的操作。這個作為模擬輸入的端口引腳必須有它們的相應位 TRIS 置 1（輸入）。如果 TRIS 位清 0（輸出），數字輸出電平（ VOH 或 VOL）將被轉換。 A/D 操作是獨立于（ CHS（ 2∶ 0））位和TRIS 位的狀態(tài)之外的。 在睡眠期間 A/D 模塊可以工作，這種 A/D 時鐘要求對 RC 置 1，（ ARCS（ 1： 0）＝ 11）， 當選擇 RC 時鐘源時， A/D 模塊在開始轉換之前等待一個指令周期。這種允許執(zhí)行的睡眠指令，可以消除在轉換中產生的所有數字開關噪聲。 當轉換完成時， GO/DONE 位將被清 0，和轉換結果一塊裝入 ADRES 寄存器，如果 A/D 中斷使能，單片機將從睡眠中喚醒，如果 A/D 中斷不使能，盡管 ADON位仍保持置 1， A/D 模塊仍將被關閉。 如果 A/D 時鐘源是另一種時針選擇（不是 RC），盡管 ADIN 位仍保持 1，睡眠指令將導致目前的轉換中斷和 A/D 模塊被關閉。關閉 A/D，把 A/D 模塊放到它的最低電流消耗狀態(tài)。 單片機復位強 制所有寄存器復位到它們的復位狀態(tài)，強制關閉 A/D 轉換模塊和進行的轉換。在 ADRESH、 ADRESL 寄存器的值在上電復位時不變， ADRESH、 ADRESL