【正文】 ，它可以近似地由所輸出紋波電壓峰值決定。這個輸出紋波電 壓即為疊加在輸出直流電壓上的交流三角波。對于正激式變換器，紋波的典型值是 50 mV (峰峰值 )，而對于升壓式變換器中， 200mV 的峰峰值則是比較典型的，本設(shè)計的紋波要求 1V ， 公式表達(dá)為： ( m a x ) m in( m in ) (1 )outoutrippleIC fV ??? …………………………………………… （ ） 式中 outI 為輸出端的額定電 流值，單位為 A ， min? 為在高輸入電壓輕載條件下所估計的占空比 (估計值為 0． 5是比較合理的 )， rippleV 是期望的輸出電壓紋波峰峰值，單位為 V 。 因此， 60V輸出電容值為： ( m a x ) m in( m in ) (1 )outoutrippleIC fV ??? = 31 3 (1 0 .5 ) 6301 0 1 0 1 uF?? ??? 隔離驅(qū)動電路設(shè)計 開關(guān)管 的柵源之間的絕緣層是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，在柵源之間形成了一個柵極電容 gsC ，有隔斷直流的作用，因此在低頻靜態(tài)的驅(qū)動功率約為零。然而，在高頻的交替導(dǎo)通和關(guān)斷時就需要一個動態(tài)的驅(qū)動功率，而單片機(jī)的輸出端無法滿足此要求 [10]。開關(guān)管的基極驅(qū)動電路是控制電路和主電路之間的接口，對整個系統(tǒng)的性能有較大的影響，一般對驅(qū)動電路的要求有以下幾點： （ 1）提供柵極驅(qū)動電壓和功率，保證功率管的正常導(dǎo)通和關(guān)斷。 （ 2）保證驅(qū)動電路的波形，以避免出現(xiàn)振蕩。 （ 3）實現(xiàn)主電路與控制電 路之間的電氣隔離。 本設(shè)計采用 IR 公司生產(chǎn)的 IR2110 驅(qū)動芯片來驅(qū)動功率 MOSFET， IR2110 是雙通道、柵極驅(qū)動、高速高壓、單片式集成的功率驅(qū)動模塊，它的體積?。ǚ庋b形式為 DIP14）、集成度高、響應(yīng)很快（小于 200ns ）、隔離電壓較高（達(dá)到 500V ）、驅(qū)動能力較強(qiáng)、外部保護(hù)封鎖口 [8]。在高頻開關(guān)電源的設(shè)計中應(yīng)用 IR2110 可以大大地降低外圍電路的復(fù)雜度，同時也降低了成本、提高系統(tǒng)的可靠性。 如圖 為 IR2110 芯片的電路圖，其中 VDD和 VSS分別連接芯片的邏輯輸入電源和湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 地， HIN、 LIN 和 SD 是邏輯電平輸入。而 VB是高端懸浮 置 供電電壓， Vs 是高端懸浮供電偏移電壓， HO 為高端輸出電壓， LO 低端輸出電壓， Vcc 是低端固定供電電壓，COM 是低端偏移供電電壓。 Nc8VDD9H IN10SD11L IN12V s s13Nc14Ho7Vb6Vs5Nc4V c c3C O M2Lo1IR 2 1 1 0CCVDDV C CRRV 圖 IR2110 原理圖 由于驅(qū)動電路與主電路共地，且對于控制電路來說主電路是強(qiáng)電，會影響控制系統(tǒng)的性能，為了防止強(qiáng)電對控制系統(tǒng)的干擾，因此必須在驅(qū)動中設(shè)置隔離電路。在本設(shè)計 中，考慮到開關(guān)信號頻率達(dá)到 10kHz，常用的光耦合芯片難以滿足其要求，本電源設(shè)計采用高速光耦芯片 6N136,其最大延時僅為 。高壓側(cè)輸出電流平均值應(yīng)當(dāng)小于 8mA，因此在 VCC 接 +12V 電壓的情況下， GND 極需要接一個 2k歐的電阻用來限流。本電源設(shè)計的光電耦合電路如圖 所示，在這里通過 R2 上的分壓為 IR2110 輸入端提供信號。 圖 光電耦合隔離電路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 本設(shè)計采用 ADC0809 芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將采樣回來的模擬信號 轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號再輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。 ADC0809 是一種 8 路模擬信號輸入、 8 位逐次逼近法A/D，它的轉(zhuǎn)換時間在典型的時鐘頻率下是 100us。 ADC0809 的各個引腳功能介紹如下所示 [12]： IN0～ IN7： 表示 8 路模擬量輸入線。 D0～ D7： 表示 8 位三態(tài)數(shù)據(jù)輸出線。 A、 B、 C：表示 模擬通道選擇線。 ALE： 表示 通道鎖存控制信號輸入線， ALE 電平在正跳變的可以鎖存 A、 B、 C 上的地址信息，經(jīng)過譯碼后控制 IN0～ IN7 中哪一路模擬電壓送入比較器。 CLOCK：表示 轉(zhuǎn)換時鐘輸入線， CLOCK 的頻率范圍為 10kHz～ 1200kHz，一般情況下取 640kHz（此時的轉(zhuǎn)換速度為 100us）。 START：表示 啟動轉(zhuǎn)換控制信號的輸入線，其上升沿清除內(nèi)部寄存器，下降沿則啟動控制電路并開始 A/D 轉(zhuǎn)換。 EOC： 表示 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的輸出線，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后 EOC 則輸出一個寬為 8 各 CLK周期的正脈沖。 OE： 表示 輸出允許控制信號輸出線， OE 為高電平時吧轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到數(shù)據(jù)線，當(dāng)OE 為低電平時，輸出為浮空狀態(tài)。 VCC： 表示 主電源 +5V。 GND： 表示 數(shù)字地。 VREF+： 表示 參考電壓的輸入線，通常情況下 VREF+≤VCC。 VREF： 表示 參考電壓的輸入線，通常情況下 VREF≥GND。 P 1. 01P 1. 23P 1. 12P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 0 /R X D10P 3. 1 /T X D11P 3. 2 /IN T 012P 3. 3 /IN T 113P 3. 4 /T 014P 3. 5 /T 115P 3. 616P 3. 717X T A L 218X T A L 119GND20V C C40P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732/E A31A L E30/P S E N29P 2. 728P 2. 627P 2. 526P 2. 425P 2. 324P 2. 223P 2. 122P 2. 021U4 S T C 8 9 C 51 V C CC 1 21 0U FC 1 43 0PC 1 33 0PR 1 01 0KV C CIN 025IN 124IN 2IN 323IN 422IN 521IN 620IN 719V R E F +18V R E F 17C L K1C2B3A4D05D16D27D38D49D510D611S T A R T13A L E14OE15E O C16D712U 2 2A D C 08 0 9R91KSV C CSTE O COESTE O COEP 2. 6P 2. 7Y11 2MP 2. 2P 2. 1P 2. 0P 3. 0P 3. 1P 3. 2P 3. 3P 3. 4P 3. 5P 3. 6P 3. 7C L KC L K 圖 ADC0809 與單片機(jī)的接線圖。 由于 ADC0809 具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)總線，故可以與 51 單片機(jī)總線直接接口，圖 給出了 ADC0809 與單片機(jī)的接線圖。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 本章小結(jié) 在高頻開關(guān)電源的設(shè)計中主要的難點是系統(tǒng)中各主要磁性元件的選擇，這也是本章中就系統(tǒng)設(shè)計解決的主要問題，本章主要完成了 AP法設(shè)計高頻變壓器及按要求完成了輸入級和輸出級的設(shè)計、開關(guān)管的設(shè)計和驅(qū)動電路設(shè)計 等 。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 第四章 系統(tǒng)的控制 及仿真 系統(tǒng)的控制 電源控制部分的設(shè)計在很多程度上決定了整個系統(tǒng)的好壞，控制電路的主要任務(wù)根據(jù)要求產(chǎn)生設(shè)定的 SPWM 脈沖，根據(jù)采樣回的電壓信 號 而調(diào)節(jié)脈沖寬度。 脈寬調(diào)制的實現(xiàn) 最初的脈寬控制技術(shù)是基于模擬電路，將載波與控制信號送到比較器進(jìn)行比較而實現(xiàn)的。基于該方法的應(yīng)用，出現(xiàn)許多能發(fā)生 PWM 波的控制芯片，如 TL49 UC3842，后又出現(xiàn)數(shù)字集成式芯片如 HEF475 MA818。但這些方法與微機(jī)控制技術(shù)相比具有外圍電路復(fù)雜、調(diào)試不方便等缺點。本設(shè)計采用 AT89C51 單片機(jī)，采用軟件計算 的實時PWM 控制策略，該策略對硬件要求低、受外界干擾較小。常用的產(chǎn)生 SPWM 波形的軟件設(shè)計方法有： （ 1）自然采樣法，該方法調(diào)制信號是正弦波，調(diào)制信號與等腰三角形載波相比較，在自然交點處控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。自然采樣法能準(zhǔn)確地反映脈沖通斷時刻，產(chǎn)生的波形是最接近正弦波的。但是由于軟件確定開關(guān)時刻需要求解超越方程，并且需要進(jìn)行多次三角函數(shù)及乘法運算，這給實時控制帶來麻煩，該方法一般只用與模擬電路的產(chǎn)生。 （ 2）規(guī)則采樣法，為在微機(jī)中實現(xiàn) SPWM 算法，可以對正弦控制信號進(jìn)行周期采樣，依據(jù)采用值與載波信號比較來 確定 PWM 脈沖的前后沿，有多種形式實現(xiàn)該方法，包括：對稱采樣、非對稱采樣、平均規(guī)則采樣。該方法不論在采樣時刻正弦與三角載波是不是相交，這雖會帶來一點誤差，但可以控制在可行范圍內(nèi)。 （ 3）面積等效法，該方法是基本思路是控制相同時間間隔內(nèi)的 PWM 波形的面積，使之與調(diào)制波面積相等，當(dāng)調(diào)制波為正弦時的調(diào)制原理圖如圖 所示。圖中 Tpi和 Tgi分別為開關(guān)管的關(guān)斷與導(dǎo)通時間。假設(shè)單個周期內(nèi)的 PWM 波的脈沖個數(shù)為 2N，即將參考正弦波 sinm wtU 的整個周期 T 分成 2N 等分，每份時間 T 為 T／ 2N，在第 i 段區(qū)間內(nèi)的正弦波面積為： ? ?1 1s in t c o s c o sS siT mr i miT U iiS U w td t w N N??? ???? ? ??????……………………… （ ） 本設(shè)計運用單片機(jī)的定時器采用軟件計算的方法產(chǎn)生 PWM 波形，可以方便地對PWM 波占空比進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，具體程序源代碼見附錄 A。 PID 算法的實現(xiàn) （ 1）控制技術(shù)概述 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 PID 算法具有結(jié)構(gòu)較為簡單、穩(wěn)定性與可靠性較高、調(diào)試方便等優(yōu)點，因此在各 圖 面積等效原理 種應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是結(jié)合微處理器， PID 控制算法能夠得到很好的實現(xiàn)。除了 PID 控制外用于電源變壓控制技術(shù)還包括：無差拍控制、重復(fù)控制、模糊控制等，但由于它們的各種不足，如模糊控制雖然在理論上可一任意精度逼近非線性函數(shù)，但是受到目前模糊控制研究水平的限制，模糊變量的分檔以及模糊規(guī)則數(shù)都會 受 到一定的限制等。因此目前普及的只是 PID 控制。 （ 2） PID 控制算法的實現(xiàn) 本設(shè)計是基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)是通過采樣的方式進(jìn)行反饋的，具有離散性，離散的 PID 控制可以近似為： ? ?10t Di p i j i i ojI TTU K e e e e uTT ????? ? ? ? ??????…………………………… （ ） 其中 iU 為第 i 采樣時刻的輸入值， ie 為第 i 個采樣時刻的偏差值， 1ie? 為第 i1 采樣時刻的偏差值，當(dāng)采樣周期 T 足夠短時，控制過程可近似為連續(xù)控制，這種控制算法稱為全量式 PID 算法。將式 稍做修改即可得到增量式 PID 控制算法，增量式 PID 算法跟全量式 PID 算法相比計算量大大減小，又能達(dá)到本設(shè)計的要求，因此，本設(shè)計采用增量式 PID 算法： ? ?1 1 1 22Di i i p i i i i i iI TTu u u K e e e e e eTT? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ?????… ………… （ ） 軟件流程圖 本設(shè)計的 PWM 波脈寬調(diào)制軟件如圖 所示。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 （ a）主程序 流程圖 初始設(shè)置 電壓檢測 開始 測量與設(shè)定值是否一致 開采樣中斷 使 PWM 輸出 是否結(jié)束輸出 結(jié)束 是 否 否 是 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 （ b）中斷程序流程圖 圖 軟件程序流程圖 系統(tǒng)的初始設(shè)置 了一個 PWM 波占空比，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)過采樣反饋回單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果輸出值大于設(shè)定值，則通過相應(yīng)的軟件算法調(diào)低占空比，使輸出電壓在一定的誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定在設(shè)定值；如果輸出電壓值小于設(shè)定值，則調(diào)大占空比。 采樣中斷子程序 計算比例環(huán)節(jié) 計算偏差 脈寬設(shè)為 50us 更新調(diào)制度 更新歷史偏差 計算調(diào)制度增量 計算積分環(huán)