【文章內(nèi)容簡介】 到 12v 的轉(zhuǎn)換為 0 到 255 的數(shù)字量，這樣單片機(jī)系統(tǒng)才能夠進(jìn)行正確的比較處理。 控制技術(shù)選擇 電壓型控制技術(shù) 從自動(dòng)控制理論的角度來說，目前應(yīng)用相當(dāng)?shù)膹V泛的傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（ PWM）型開關(guān)電源只對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，作為反饋信號(hào)來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。這種控制方法屬于電壓控制型，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。第一塊功能完全的電壓控制型脈寬調(diào)制電路是 1976年問世的 SG3524，緊接著各公司又相繼推出了多種電路，例如 TL49 SG3525 等等。它們的功能更多、截止頻率更高、功耗更小。但是它們的基本工作原理都是相同的。 電源的輸出電壓 Vo與參考電壓 Vr比較放大，得到誤差信號(hào) Ve， Ve又和三角波信號(hào)比較后，脈沖比較器輸出一系列脈沖，這些脈沖的寬度即隨著誤差信號(hào) Ve的變化而變化，這就是電壓控制型 PWM 控制原理。 本次設(shè)計(jì)采用的是單片機(jī)進(jìn)行 PWM 控制，用軟件實(shí)現(xiàn)反饋電壓和設(shè)定電壓的比較，根據(jù)誤差值，通過 PID 算法處理，修改控制脈沖占空比，控制電源輸出一系列脈沖。但是電源中的電流總是會(huì)流過電感的，對(duì)于電壓信號(hào)將有 90 度的相位延遲，對(duì)于整個(gè)穩(wěn)壓系統(tǒng)來說，實(shí)際上需要不斷調(diào)節(jié)是輸入電流，以攝影輸入電壓和負(fù)載變化從而保持輸出電壓穩(wěn)定的要求。這種采樣輸出電壓的方法實(shí)現(xiàn)控制，響應(yīng)的速度較慢、穩(wěn)定性差，甚至在大信號(hào)變動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振蕩，造成功率開關(guān)管的損壞。 電流型控制技術(shù) 針對(duì)電壓型控制的不足，可以采用電流型控制技術(shù)，它是在電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加電流 反饋環(huán)，使其成為一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，讓電感上的電流不再是一個(gè)獨(dú)立的變量， 電流型開關(guān)電源變換器是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為電壓控制環(huán)。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)電阻 Rs 的電流 Ids 與流過輸出濾波電感 If 的電流成正比。從輸出采樣的電壓信號(hào)加到誤差放大器的反向輸入端，正相輸入端為基準(zhǔn)電壓，其誤差經(jīng)放大后的電壓 Ve加到 PWM 比較器的反 向端，當(dāng)加在比較器正相端的正比于 Ids 的電流取樣信號(hào) Vs（三角波，其頻率決定開關(guān)頻率）升到 Ve時(shí)，比較器輸出端輸出一個(gè)正脈沖加至鎖存器的復(fù)位端，鎖存器的反向端輸出便使得開關(guān)管截止。當(dāng) Vo發(fā)生變化導(dǎo)致 Io 變化時(shí)，或變化導(dǎo)致 Vs變化時(shí)，便使比較器輸出脈沖相對(duì)于時(shí)鐘脈 沖在時(shí)間上提前或滯后，從而改變開關(guān)管的占空比實(shí)現(xiàn) PWM 控制，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。因此，變換器的內(nèi)環(huán)是一個(gè)恒流源。 電流控制型技術(shù)的優(yōu)勢 與電壓型控制相比，電流型控制有以下優(yōu)勢： （ 1）對(duì)輸入電壓變化的響應(yīng)快；電網(wǎng)電壓的變化，必然會(huì)引起電流的變化，假設(shè)電壓升高，那么電流增長變快，反之則變慢。當(dāng)電流脈沖達(dá)到預(yù)定的幅度，電流控制動(dòng)作就會(huì)開始，控制脈寬發(fā)生變化來進(jìn)行穩(wěn)壓。對(duì)于電壓型控制，檢測電路對(duì)輸入電壓的變化沒有直接的反應(yīng)，要等到電壓發(fā)生較大的變化后，才會(huì)進(jìn)行處理，所以響應(yīng)速度慢。 （ 2）過流保護(hù)；由于采 用了直接的電感電流峰值技術(shù)，它可以及時(shí)，準(zhǔn)確的檢測輸出和開關(guān)管電流，自然形成了逐個(gè)電流脈沖檢測電路，通過給定一個(gè)參考電流，就可以準(zhǔn)確的限制流過開關(guān)管的最大電流，當(dāng)輸出超載或短路時(shí)，自動(dòng)的保護(hù)電路，同時(shí)也可防止電網(wǎng)浪涌所產(chǎn)生的尖峰電流損壞電路器件，這樣設(shè)計(jì)電路時(shí)就不需要考慮留什么余量，能節(jié)省一些成本。 （ 3）回路穩(wěn)定性好，負(fù)載響應(yīng)快； 電流型控制是一個(gè)輸出電壓控制的電流源，電流源的大小反映了輸出電流的大小。因?yàn)殡姼兄须娏髅}沖的幅值與負(fù)載電流的平均值是成比例的，這樣電感的相位延遲就不存在了。 開關(guān)變換器 結(jié)構(gòu)分析與選擇 開關(guān)電源的核心是高頻開關(guān)變換電路和脈沖控制電路。高頻變換電路把直流輸入變換成高頻脈沖輸出。輸出電壓平均值 )/( T of fT onT onVo ?? ? Vi,控制電路根據(jù)反饋電壓控制高頻開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間（ Ton ）與截止時(shí)間（ Toff ），達(dá)到控制輸出電壓目的。隔離電路采用高頻變換器件和高頻隔離 變壓器。開關(guān)電源的四中組態(tài)為：（ 1） Buck 變換器；（ 2） Boost變換器；（ 3）BuckBoost變換器；（ 4） CUK變換器。 降壓變換電路分析 這種開關(guān)型電源是直流供電，經(jīng)過開關(guān)電路得到單方向方波，再經(jīng)過濾波后又得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流。它們的輸出電壓總是比輸入電壓低。 當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，電能儲(chǔ)存在電感中，同時(shí)也流向負(fù)載。當(dāng)開關(guān)元件被控制截止時(shí)，由于電感上的電流不能跳變，儲(chǔ)存于電感中的能量繼續(xù)供給負(fù)載，此時(shí)，續(xù)流二極管正向?qū)?，?gòu)成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。電路中開關(guān)管和負(fù)載電阻是串聯(lián)的，所以也稱它為串聯(lián)開關(guān)電源 。 圖 Buck 變換器 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感上的電流處于最小值，此后電感電流開始上升，但電流仍低于負(fù)載電流 Io，于是電容仍向負(fù)載供電，因此輸出電壓下降。當(dāng)電感電流上升到等于 Io 時(shí)，電容停止向負(fù)載供電，此時(shí)輸出電壓達(dá)到最小值。隨著電感電流的繼續(xù)上升，電容開始充電， Vo從最低值開始上升。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感上電流處于最大，此后電感上電流開始下降，但電流仍比 Io大，所以電容仍處于充電狀態(tài)，輸出電壓 Vo繼續(xù)上升。當(dāng)電感電流下降到 Io 時(shí)，電容停止充電，此時(shí)電容上電壓達(dá)到最大值。隨著電感電流的下降，電容開始放電， Vo由最大值逐漸開始下降。假設(shè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為 Ton ,截止時(shí)間為 Toff ,并且開關(guān)管和電感為理想元件，則D V iUiT of fT onT onVo ??? *)/( ,其中 TT onT of fT onT onD /)/( ??? 為開關(guān)的脈沖占空比。若開關(guān)管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，截止時(shí)間為零，則 ViVo? ；若開關(guān)管一直截止，導(dǎo)通時(shí)間為零，則 0?Vo ，隨著 Ton 與 Toff 的比例不同，輸出電壓 Vo為 0— Vo之間的各種值。 下面具體分析該電路的工作過程：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極上的電壓為 VcesViVe ?? (1)式 Vces 為開關(guān)管飽和壓降， Vi 為輸入電壓，那么電感電壓 VL 為dtdILLVoVe ?? ,IL 為電感電流，則在經(jīng)歷 Ton 以后，開關(guān)管截止，此時(shí)電感電流最大，電流值為 LT onVoVeIL /)(m a x ?? （ 2）式 在這一瞬 間，電感儲(chǔ)能為： LT o nVoVeLIWL 2/)(21 222 ??? ，輸入電壓通過電感對(duì)電容充電，充電的電量為 Lto nVoVeT o nILQ 2/)(m a x **211 2??? （ 3）式 在此期間，輸入給電路提供的能量為 Lto nVoVeVeQVeW 2/)( 2?????? （ 4）式 （ 4 ） 式 經(jīng) 過 變 換 得 ：22 )])()[( to nVeVoVeVoVeW ?????? / L2 QVoLIL ??? m a x21 即是電感中儲(chǔ)存的磁能和電容儲(chǔ)存 的電能?？梢?，輸入電能完全轉(zhuǎn)換為電路的能量，效率很高，正是開關(guān)電源的優(yōu)勢所在。 當(dāng)開關(guān)管截止后，電感電流不能突變，電感產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使得續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感通過電路向負(fù)載釋放能量，設(shè)二極管正向?qū)▔航禐?Vd，根據(jù)電路知識(shí)，可知電感上的電壓與輸出電壓、二極管壓降之間有這樣的關(guān)系： dtdILLVoVd ??? )( 電感電流將從最大值一直減少為 0，電感所儲(chǔ)存的磁能將轉(zhuǎn)化為電源的電能，假設(shè)磁能完全轉(zhuǎn)換為電能，那么可以通過下面的式子算出電感電流由最大值減為 0的時(shí) 間， Vo LILt ?? max tonVoVoVe ??? (5)式 開關(guān)管截止期間電容的充電量為 222 2 )(m ax21m ax212 t o nL V oVoVeVo LILtILQ ???????? （ 6）式 續(xù)流二極管的作用是使電感電流在開關(guān)管截止時(shí)能連續(xù)變化，這樣電感存儲(chǔ)的能量才能夠轉(zhuǎn)化為電容中儲(chǔ)存的電能。由此可見，如果要控制信號(hào)的每一個(gè)脈沖都能完全的工作，應(yīng)有 ttonT ?? ，也就是讓電感在導(dǎo)通期間存儲(chǔ)的能量，能在 t 時(shí)間內(nèi)，完全釋放給電路。 根據(jù)能量守恒定理，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)電容再次充電，那么輸入電能應(yīng)等于導(dǎo)通時(shí)電容所充電能加上電感的磁能，即 ?W VoIoT （ 7）式 代入（ 4）式得 TQVoVeto nLTVoVeVoVeIo ?????? 22 （ 8）式 可見，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間越大或者脈沖周期越小，輸出電流越大，當(dāng)需要提高電源輸出功率時(shí)，可以提高開關(guān)管的工作頻率 。 升壓型變換電路 升壓式開關(guān)電源的輸出電壓總是高于輸入電壓 Ui，并且極性是相同的。當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，電感進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)開關(guān)管截止，電感中的電能通過續(xù)流二極管供給負(fù)載，同時(shí)對(duì)電容 C 充電。當(dāng)負(fù)載電壓下降時(shí)，電容再次放電，這時(shí)可獲得高于輸入的穩(wěn)定電壓。由于開關(guān)管和負(fù)載是并聯(lián)的，也稱它為并聯(lián)開關(guān)電源。 型變換器 極性變換式電源輸出電壓與輸入電壓極性是相反的，輸出電壓的絕對(duì)值還要高于輸入電壓的絕對(duì)值，否則將和降壓式開關(guān)電源混淆，由此可見，極性變換式開關(guān)電源是上述降壓式和升壓 式電源的綜合。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在電感上，產(chǎn)生電流，電感進(jìn)行儲(chǔ)能，二極管反向截止。晶體管截止時(shí)，電感上電流逐漸減小，感應(yīng)電動(dòng)勢使二極管導(dǎo)通，給電容充電，電容上的電壓與輸入電壓極性相反。當(dāng)負(fù)載上的電壓要跌落時(shí)，電容再次給負(fù)載放電，這時(shí)可使輸出電壓高于輸入電壓。 這 4種開關(guān)電路有各自的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)任務(wù)要求電源在 3到 12伏內(nèi)可調(diào)，而輸入電壓為 ，所以采用降壓型開關(guān)變換電路，即 Buck變換器，通過調(diào)制輸出占空比為 0 到 90%的一系列脈沖，使電源在要求范圍內(nèi)可調(diào)。 開關(guān)電路器件參數(shù)選擇 功率開關(guān)管的選擇 開關(guān)管是整個(gè)電源主要的工作器件，正確的選用，是電源成功制作的前提。 首先，開關(guān)管的截止時(shí)間不宜過長，假如截止時(shí)間過長，當(dāng)開關(guān)管的上一個(gè)控制脈沖已經(jīng)結(jié)束，而下一個(gè)控制脈沖已經(jīng)到來時(shí)，會(huì)造成開關(guān)管還沒有完全關(guān)斷，馬上就進(jìn)入下一個(gè)導(dǎo)通周期，這樣開關(guān)管幾乎是一直在導(dǎo)通，開關(guān)完全失去控制，功耗和輸出電壓會(huì)迅速增加，造成電源的損壞。 其次，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間也不宜過長。當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通和截止的頻率頻繁，導(dǎo)通時(shí)間長，意味著開關(guān)管有更多的時(shí)間是在放大狀態(tài)下工作（開關(guān)導(dǎo)通后是利用晶體管的放大作用而工作的），這樣開關(guān)管的 功耗就會(huì)迅速增加，電源的效率將大為下降。 本論文中電源工作頻率為 25千赫茲，根據(jù)設(shè)計(jì)前輩們的經(jīng)驗(yàn)，功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不宜超過 ，截止時(shí)間不宜超過 1us。 在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流以及濾波電容的充電電流均通過開關(guān)管提供，因此，開關(guān) 管的集電極電流必須大于輸出的負(fù)載電流，集電極電流的計(jì)算如下： 電感電流的平均值等于負(fù)載電流 Io，則有 IoILIL ??2 m inm a x ，流過開關(guān)管的電流平均值為 IoDTto nIoTto nILILI ??????? 2 m i nm a x ，忽略開關(guān)管導(dǎo)通壓降，有 m inm a x ILto nL VoViIL ??? ，整理方程消去 minIL 得到 toffLVoIoIL 2m a x ?? （ 9）式 流過開關(guān)管的最大電流應(yīng)等于電感電流的最大值，則 toffLVoIoIcm 2?? ，額定輸出電流為 A1 ，算出集電極電流小于 A2 在開關(guān)管截止時(shí)，電源的全部輸入電壓都加在開關(guān)管的集電極和發(fā)射極兩端。所以其耐壓值就必須大于集電極的輸入電壓，同樣考慮到電網(wǎng)波動(dòng)和開關(guān)瞬間濾波電感所產(chǎn)生的浪涌電壓，取其耐壓值為輸入電壓的 2 倍。 輸入電壓為 ，則開關(guān)管耐壓應(yīng)大于 2 ?? v ，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，選擇的晶體管型號(hào)為 D882，耐壓值 40V，集電極電流 3A，功率 10W。 濾波電容的選擇 電容的濾波原理是：利用電容在整流二極管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑。濾波一方面盡量降低輸出電壓中的脈動(dòng)成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。 濾波電容決定輸出電壓的 紋波，電源通電后，電容器充電，電壓值迅速上升到最大值，由于電感電流仍小于輸出電流，電容向負(fù)載放電，電壓下降，產(chǎn)生紋波，在一個(gè)脈沖周期中，電容所釋放的電量為 TIo? ，設(shè)紋波電壓峰峰值為 pVp?? ，則有 CTIopVp /???? ? TIo PVpC ???? （ 10）式 任務(wù)要求為 ,1,100 AIomvpVp ???? 脈沖頻率為 25千赫茲，即周期為 us40 ufAvC 410401 6 ????? ?，取電容量為 470uf 的鋁電解電容。 儲(chǔ)能電感的選擇 開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，其飽和壓降可以忽略，則電感感應(yīng)電動(dòng)勢為 to nILILLVoVi m inm a x ??? （ 11）式 ? m inm ax )( ILIL VoVitonL ??? （ 12）式 電感電流變化量和負(fù)載電流的變化量