基于單片機控制的開關電源資料,基于,單片機,控制,節(jié)制,開關電源,資料 畢業(yè)設計(論文)說明書 題 目： 基于單片機控制的開關電源 院 （系）： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 職 稱： √ 題目類型： 理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā) 年 月 日 摘 要 本文介紹了一種基于單片機控制的數(shù)控開關電源，以89C51單片機作為控制核心，對開關變換電路進行脈寬調(diào)制，構成一個智能閉環(huán)控制系統(tǒng)。單片機控制的開關電源具備更加完善的功能，更人性化、智能化，便于實時監(jiān)控。其功能主要包括對開關電源輸出電壓進行檢測，并顯示實時電壓值；通過按鍵進行編程預置期望輸出的電壓；通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣輸出電壓，根據(jù)PID算法計算控制量修改占空比,以得到期望的輸出電壓，并通過PID算法控制輸出電壓穩(wěn)定在設定的電壓值上；擁有可靠的過流保護功能以及輔助電源可同時作為電源輸入和給單片機提供工作電壓，并可以通過鍵盤不斷改變PID參數(shù)，可以進行實時調(diào)整。本系統(tǒng)具有友好的用戶界面，結構簡單，成本低廉，實用性強，擴展空間大，可作為實驗室電源，在計算機，家電產(chǎn)品等許多方面也有非常好的應用前景。 開關電源因其具有功耗低、效率高的優(yōu)點，在家用電器、科學實驗、教學設備等等領域得到了廣泛的應用。隨著電子技術的高速發(fā)展，各種電子設備對電源的要求越來越高，電源也朝著高效率、高可靠性以及智能化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)開關電源使用專門的脈寬調(diào)制芯片，結構復雜，而利用單片機和鍵盤可以簡化電源結構，實現(xiàn)對電源的智能控制，本文正是從這個角度考慮，研究制作低成本、操作簡單、智能控制的開關電源。 關鍵詞：開關電源；單片機；脈寬調(diào)制；功率開關管；占空比 Abstract This text introduces one kind of digital control switching mode power supply ,which controlled by single chip microcomputer 89C51 ,using pulse width modulation to control switch transformation circuit , constitute a close loop intelligence control system. The switch power supply, which is controlled by single chip microcomputer, has more perfect function, more humanized ,intelligence and easier for the hour supervise and control. Its function mainly includes the examination of the output voltage ,and the manifestation of voltage value ; input the expect output voltage through the keyboard ;take a sample from the output ,basing on the compute result of the PID procedure to modification the duty cycle to get the expect voltage and control the stability of out put voltage ; having a dependable over-current protection function and a assistance power supply ,which can provide power to the single chip microcomputer ,and change the parameter of PID to improve the control result .This system has a friendly customer interface ,very simple structure ,very low cost ,very strong function ,a big space to expand ,can use as the laboratory power supply , at the power supply of the computer and the appliance product ,also has very nice applied foreground. Switch power supply because its power exhaust is very low and its efficiency is very high, so it got extensive application at home appliances, science experiment, the teaching equipments etc. realm. With the quick development of technical electronics, the request of various electronics equipments to power supply became more higher . Power supply also develop toward the direction, which become high-efficiency, more credibility, and more intelligence. The traditional switch power supply uses the specialized PWM chip to control, structure complications. And making use of the single chip microcomputer can carry out the intelligence control to the power supply and simplify the power supply structure. This text considers from this angle exactly, inquiry into making a switch power supply, which is Low cost, easier to operate and intelligence control. Key words :switching mode power supply ;single chip microcomputer ;Pulse Width Modulation control；duty cycle 畢業(yè)設計 開題報告 報告日期： 年 月 日 姓名： 學科專業(yè) : 論文題目： 基于單片機控制的開關電源 題目類型： 工 程 設 計 題目來源： 結合生產(chǎn)實際 二、在選題過程中已查閱的文獻資料（列出文獻資料），還做了哪些調(diào)研、準備工作？ [1] 楊旭.裴元慶.王兆安.開關電源技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.1 [2] 徐德鴻.沈旭.楊成林.譯.開關電源設計指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.1 [3] 鄭國川.李洪英.實用開關電源技術[M].福州：福建科學技術出版社，2004.1 [4] 童詩白.華成英.模擬電子技術基礎[M].北京： 高等教育出版社，2001. 5 [5] 閻石. 數(shù)字電子技術基礎[M]. 北京：高等教育出版社,2001.5 [6] 薛永毅.王淑英.何希才.新型電源電路應用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.10 [7] 葉慧貞.楊興洲.新穎開關穩(wěn)壓電源[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.1 [8] 劉勝利.現(xiàn)代高頻開關電源實用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.9 [9] 趙效敏.開關電源的設計與應用[M].上海：上?？茖W普及出版社，1995.9 [10] 王水平.付敏江.開關穩(wěn)壓電源--原理.設計與實驗電路[M].西安：西安電子科技大學出版社，1997.1 [11] 趙學泉.張國華.新型電子電路應用指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，1995.3 [12] Brown Laszlo , Practical Considerations for MOSFET Gate Drive Techniques in high Speed ,Switch-mode Application ,Seminar APEC99 .March 1999 . 在確定方案之前，在網(wǎng)上查閱了許多單片機控制的開關電源的相關資料，一開始 一直想用ＡＴ89Ｃ51來做電源的控制核心，結合ＰＷＭ控制芯片實現(xiàn)對開關電源的 間接控制但是這個方案要用到Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器以及復雜的ＰＩＤ算法，無論 從成本還是工作量上都大大提高，也曾經(jīng)想要用8253來作為方波發(fā)生器，但是無法 產(chǎn)生可變的控制占空比，最后決定使用自帶Ａ／Ｄ的ＡＴ90Ｓ8535單片機來作為控 制核心，價格雖比AT89C51貴些，但是具有更加好的控制效果。 三、所選課題目前國內(nèi)外科技發(fā)展動態(tài)如何？ 單片機控制的開關電源具有設計彈性好的優(yōu)點，如保護和通信等 未來電子設備的小型化需要供電電源的小型化，這樣制作小型化 電源是未來電源制作的一個趨勢，傳統(tǒng)開關電源線路一般很復雜 體積較大，如果使用很小的單片機作為控制核心必將可以大大簡 化電源的結構，制作更加小的電源將成為可能，并且使用單片機 可以擴展許多功能，如顯示，實時控制調(diào)整電壓，靈活，可維護 性，由于目前國內(nèi)常用的單片機的ＰＷＭ輸出頻率不高，達不到 現(xiàn)代電源要求的工作頻率，所以目前使用并不廣泛，但是仍有許多 的學者在研究，用ＣＯＰ單片機來制作，相信未來單片機控制開關 電源應用將是未來電源發(fā)展的方向。 四、闡述擬選題的目的、意義、要完成的工作和預期結果 目的：基于對單片機控制的熱愛以及未來工作的需要，單片機控制開關電源 所擁有的美好前景 意義：深化對于開關電源，單片機的了解，培養(yǎng)綜合運用已學知識進行設計 和工作能力 要完成的工作：開關電源的設計與制作，開關電源的嵌入控制系統(tǒng)的軟硬 件設計與制作 預期結果：完成開關電源的制作，并達到要求的性能指標，實現(xiàn)單片機實 時的監(jiān)控輸出電壓，顯示輸入輸出電壓，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可預制電壓，并顯示 該電壓 五、畢業(yè)設計所必需的實驗、計算、加工等初步計劃 開關電源器件參數(shù)的計算，單片機控制系統(tǒng)的工作程序的編寫與仿真 六、畢業(yè)設計工作進度安排 第1-4周：查閱資料，分析方案； 第6周：確定設計方案，制作開關電源部分，購買AT90S8535單片機 并了解該單片機的結構和指令集； 第7-10周：編寫控制程序，制作控制部分，并調(diào)試整個系統(tǒng)； 第11-20周：修改和完善系統(tǒng) 擬 制 作 方 案 開關電源部分：制作可輸出一路以上電壓的開關電源，PWM控制部分缺省 控制部分：用AVR單片機（8535）代替PWM控制芯片輸出PWM脈沖 工作原理：不斷檢測輸出端的電壓，通過8535的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 單片機可識別的電壓，和通過鍵盤預先設定的電壓比較，再經(jīng)過單片機 處理調(diào)整輸出相應PWM方波去控制開關管的通斷，以便得到預先設定的電 壓。 顯示部分：用LED作為顯示，大概做可顯示到百位數(shù) 鍵盤部分：采用4X4鍵盤 其他待定 七、對選題報告的評論意見 指導老師簽名： 年 月 日 4 ICE2xXXX系列晶體管在分離式開關電源中的應用 應用手冊 電源管理與應用 目 錄 工作原理--------------------------------------------------------------------------------------------------- - 3 保護功能---------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 過載和回路保護（圖6）--------------------------------------------------------------------------------11 在軟啟動時的過壓保護（圖7）-----------------------------------------------------------------------12 頻率響應-----------------------------------------------------------------------------------------------------13 設計步驟---------------------------------------------------------------------------------------------------- 14 輸入整流橋--------------------------------------------------------------------------------------------------15 確定輸入電容-----------------------------------------------------------------------------------------------15 變壓器設計--------------------------------------------------------------------------------------------------17 電感-----------------------------------------------------------------------------------------------------------18 繞組設計-----------------------------------------------------------------------------------------------------19 輸出整流器--------------------------------------------------------------------------------------------------21 輸出電容-----------------------------------------------------------------------------------------------------22 輸出濾波器---------------------------------------------------------------------------------------------------23 反饋端的RC濾波器---------------------------------------------------------------------------------------23 軟啟動電容--------------------------------------------------------------------------------------------------24 VCC電容-----------------------------------------------------------------------------------------------------25 啟動電阻------------------------------------------------------------------------------------------------------25 嵌位網(wǎng)絡------------------------------------------------------------------------------------------------------26 損耗的計算--------------------------------------------------------------------------------------------------27 開關損耗-----------------------------------------------------------------------------------------------------28 傳導損耗-----------------------------------------------------------------------------------------------------28 調(diào)節(jié)回路-----------------------------------------------------------------------------------------------------29 調(diào)節(jié)回路原理-----------------------------------------------------------------------------------------------30 零極點的傳輸特性-----------------------------------------------------------------------------------------31 工作原理 ICE2AXXX系列是用來構造一個反激式逆間斷或連續(xù)電流模式，控制電路有固定的頻率。集成的CoolMOS晶體管的占空比被控制來保持輸出電壓的穩(wěn)定。圖1說明了輸入電壓，逆變換器的初次級電流，如第3頁所述。當CoolMOS管導通后，變壓器的繞組的初始狀態(tài)處于正向電壓。次級的整流二極管處于反向偏置，所以不導通。因而沒有電流流過二次繞組，在這個階段里，能量是被儲存在初級繞組的磁性電感里，而變壓器可以被看作一個串聯(lián)的電感。圖1表明在CoolMOS晶體管導通時，初級電流有一個線性增長。當它關斷時，電壓反向加到變壓器的繞組上直到這個電壓被次級的整流二極管鉗位為止。此時，次級的整流二極管開始導通，而在這個間隔里面，儲存在變壓器磁鐵心的能量就被轉(zhuǎn)移到次級。在間斷傳導模式中，次級電流從其峰值減少為零。在此期間，所有儲存在初級電感里的能量都傳送到次級（忽略損耗和初級漏感），然后下一個儲存周期開始?？紤]到變壓器的匝數(shù)比，次級電壓反射回到初級繞組并增加了輸入電壓。由于能量是存儲在初次繞組分開的漏電感里面的這樣一個瞬時的附加電壓會出現(xiàn)在初次繞組。這個電壓并沒有被次級繞組嵌位。如果反饋電流在下一個開通周期之前沒有達到0，轉(zhuǎn)換器將工作在連續(xù)的傳導模式（如圖2）。 注釋： 當系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到連續(xù)傳導工作時，它的傳遞函數(shù)就變成帶有低輸出阻抗的雙極點系統(tǒng)。既然這樣另外的設計原則必須要考慮在初級繞組包括不同的回路和斜坡補償。 工作在不連續(xù)傳導模式下的電流和電壓波形 占空比：D=0.5 占空比：D〈0.5 是直流輸入電壓=直流輸入電壓最小值 是直流輸入電壓>直流輸入電壓最小值 藍色代表輕載 紅色代表滿載 占空比D 連續(xù)傳導模式和間斷傳導模式之間的比較 輸入級： 如圖3所示，交流輸入電壓被整流橋和小型電容濾波器，整流和濾波。所產(chǎn)生的高頻直流電壓加到變壓器的初級。變壓器被帶有一個用于精密電流測量的外部感性電阻（R17）的COOLMOS晶體管驅(qū)動，把高頻直流電壓斬成高頻方波電壓。 輸出級： 次級繞組電壓被二極管D1，電容C9，C5，C20整流和濾波。輸出LC濾波器減少了輸出紋波電壓。其他輸出電壓：其他輸出電壓可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)換變壓比和輸出級來實現(xiàn)。 芯片的供電 為了給電容C4充電，偏置繞組的電流由二極管D2和電阻R8來整流和濾波。這產(chǎn)生了一個加強了CoolSET ICE2AXXX驅(qū)動能力的偏置電壓。電阻R6和R7控制VCC并在啟動時給芯片供電。齊納二極管（D4）為了保護芯片而控制芯片的供電電壓以防止因為過壓引起的損壞。電容C13過濾掉芯片供電電壓上的高頻文波。 軟啟動 軟啟動功能在開始時被激活，并且可以由電容C14來調(diào)整。除了在開始時候之外，軟啟動還在自起動中的每一次重起嘗試和當在幾個保護功能中的某一個被激活之后的重起時被激活。這有效地將在起動時加在CoolMOS MOSFET晶體管，緩沖網(wǎng)絡和輸出整流器上的電流和電壓的的重壓減到最小。軟啟動的特點更多的是幫助最小化輸出超調(diào)量和防止在開始時變壓器飽和。 鉗位網(wǎng)絡 鉗位網(wǎng)絡是由二極管D3，電阻R10和一個可以控制由變壓器漏電感引起的可限制CoolMOS晶體管的雪崩損耗的尖峰電壓在一個安全值的電容C12組成。 控制回路 電阻R1和R2相對恒壓二極管TL431CLP (IC2)來說作為分壓器。R4提供給TL431CLP (IC2)一個最小的電流。這個由電容C1和C2組成的網(wǎng)絡決定了FG1和FG2的角頻率。R5設定了控制回路的增益。 斜坡補償 電流型控制器變得不穩(wěn)定只要穩(wěn)態(tài)占空比大于0.5。為了實現(xiàn)占空比在0.5左右，電流斜坡需要補償。斜坡補償是由電容C17，C18和電阻R19組成的網(wǎng)絡實現(xiàn)的。 紋波的降低 電感L5和電容C23削弱了由初級電流波形的基波和諧波頻率波動引起的微分模式發(fā)射電流。 開關電源計算軟件FLYCAL FLYCAL是一個優(yōu)秀的包含所有開關電源簡單計算所需要的方程式的對照表。FLYCAL在這本應用手冊里有相應的計算實例。你只需要輸入在你要在FLYCAL應用的主要參數(shù)并且按照計算實例所說的原理要點一步一步來就行了。FLYCAL包含所有和在實例中使用的有同樣編號的方程式。 電路圖 保護功能 圖4中顯示的方框圖展示了保護單元的內(nèi)部功能。比較器C1，C2，C3和C4比較軟啟動和反饋引腳電壓。連接到比較器輸出的邏輯門確保信號的結合和使誤差門插銷能夠安裝。 圖5展示了作為電源電壓的功能在CoolSET的VSS出現(xiàn)過電壓的情況下，ICE2AXXX的VSS和反饋引腳電壓VFB之間的關系。 過載和開路保護 反饋電壓超過4.8v（VFB）而軟啟動電壓在5.3v（VSS）以上（軟啟動已完成）（t1）。 在5us的延時之后，CoolMOS被關斷（t2）。 VCC端的電壓減少到8.5v（t2） 控制邏輯停止（t3） 啟動電阻控制著VCC電容（t3） 在VCC電壓超過13.5v后工作伴隨著軟啟動重新開始（t4） 圖7 下面 圖6 過載和開路/正常負載 圖8 在軟啟動期間的過電壓保護 反饋電壓（VFB）超過4.8v而軟啟動電壓在4.0v以下（軟啟動階段）（t1） VCC管腳的電壓超過16.5v（t2） CoolMOS 立即被關斷（t2） VCC管腳的電壓減少到8.5v（t3） 控制邏輯停止 啟動電阻控制VCC電容（t4） 工作在VCC電壓超過13.5v跟隨著軟啟動再次開始（t5） 圖9 圖10 圖11 頻率縮減 震蕩器的頻率取決于反饋腳的電壓。在一個1.75v電壓以下，頻率減少為21.5KHz。由于這個頻率縮減，在低負載條件下的電壓損耗可以很有效的減少。這是根據(jù)圖12所示得出的。 圖12 設計步驟 對于確定回掃轉(zhuǎn)換器和工作在間斷電流模式下的ICE2AXXX的頻率。 步驟 定義輸入?yún)?shù) 范例 最小交流輸入電壓 VAC min 90v 最大交流輸入電壓 VAC min 264v 頻率 50hz 最大輸出功率 POUT max 50w 額定輸出功率 POUT nom 40w 輸出電壓 VOUT 16v 紋波電壓 VOUT Ripple 0.05v 映像電壓 VRmax 120v 估計效率 y? 0.85 直流紋波電壓 VDC IN Ripple 30v 輔助電壓 VDC IN Ripple 12v 增益 GC 1 使用CoolSET ICE2A365 對于回掃轉(zhuǎn)換器中的整流和儲能電容沒有什么特殊的要求。這些元件將被用來滿足額定的功率和使電源符合要求。 最大輸入電壓 ? 方程1 輸入整流橋（） 方程2 最大直流輸入電壓 方程3 確定輸入電容 空載時最小峰值輸入電壓 方程4 方程5我們設定紋30v 計算每半個周期的放電時間 方6 C3放電所需要的能量 方程7 計算輸入電容值 方程8 作為選擇輸入電容的一條原則要滿足 輸入電壓 輸入電容的計算 從鋁電解電容數(shù)據(jù)手冊中選擇一個電容 下面的幾款電容可供參考 對于85度時使用 對于105度時使用 life time 表示壽命 我們根據(jù)方程8選擇一的電容 那些特殊的要求用來控制時間、包括周期跳變或者其他影響最小直流輸入電壓和電容時間的因數(shù)也應該根據(jù)這點來考慮。 變壓器設計（）： 計算初級線圈的峰值電流： 方程10a 方程10b 方程11 計算初級在最大占空比限制下的電感值 方程12 選擇磁心型號 初級線圈的圈數(shù)可以由下式計算： 方程13 我們選擇線圈匝數(shù)為46匝 次級線圈的匝數(shù)由下式計算： 方程14 我們選擇為7匝 輔助線圈匝數(shù)的計算： 方程15 我們選擇為5匝 確認初級電感，峰值電流，最大占空比，通量密度和間隔。方程16-20為： 方程21-22 感性電阻 感性電阻可以單獨的最大的峰值電流從而確定最大的傳輸電壓。 提示： 當計算最大峰值電流時，短期峰值輸出電壓也必須考慮在內(nèi)。 方程23從數(shù)據(jù)手冊得： 我們選擇0.43歐 繞組設計 參看38頁變壓器結構 為了獲得初次級最好的耦合，初級繞組必須要分成23匝加23匝。有效的線軸寬度和繞組的交叉部分可以由下式計算： 方程24 方程25從磁心數(shù)據(jù)手冊中查得我們用3倍于絕緣線來繞次級繞組 計算初次級繞組的銅部分用下式計算。繞組交叉部分必須根據(jù)繞組數(shù)細分。 初級繞組： 次級繞組：方程6 輔助繞組： 銅間隔因數(shù)我們計算每個繞組的可利用部分： 用這個來計算： 28 方程29根據(jù)有效的線軸寬度我們檢查每層的匝數(shù)： 方程30 初級： 次級2層需要 2層需要 輔助繞組：一層 輸出整流：（） 反激式變換器中的輸出整流二極管要承受一個很大的峰值和有效值電流。其值取決于負載和所工作在的模式。電壓的限制取決于輸出電壓和變壓器繞組的匝數(shù)比。 最大反向電壓的計算：方程31 次級最大電流的計算： 輸出電容： 在反激式變換器中輸出電容所承受的壓力很大。一般電容是根據(jù)3個主要的參數(shù)來選擇：電容量，低的ESR值和紋波電流的大小。為了計算輸出電容，有必要設定一個在關斷情況下最大負載的最大電壓超調(diào)。在關斷負載之后，控制回路需要有大約10-20次內(nèi)部時鐘周期來減少占空比。 最大電壓超調(diào)： = 時鐘周期的次數(shù)： 從數(shù)據(jù)手冊選擇一個鋁電解電容。下面的電容可以參考使用： 在105度低阻抗下使用： 系列 4000小時的壽命 105度下最低阻抗下使用： 系列 4000小時的壽命 根據(jù)方程34，我們選擇一個的電容，型號為： 串聯(lián)等效電阻為：紋波電流： 我們需要兩個電容來并聯(lián)。 輸出濾波器： 輸出濾波器有電容和電感組成一個LC拓撲的濾波器。輸出電容的零點頻率和串聯(lián)等效電容的關系： 計算電感需要代入由輸出電容引起的零點： 我們選擇C23為470uf 反饋端的RC濾波器： RC濾波器是設計用來減少可能由這一途徑導致的噪聲。典型值如下： 注意電容的值與內(nèi)部拉力互相作用（典型值為3.7k）以建立一個濾波器。 軟啟動電容： 軟啟動端電壓和反饋電壓一起控制著過電壓，開路和過電流保護功能。軟啟動電容必須以這樣一種方式計算，即輸出電壓和反饋電壓要在過電流閥值到達之前在工作范圍內(nèi)。從數(shù)據(jù)手冊選擇一個典型軟啟動電阻 軟啟動時間的計算 軟啟動電容 選擇 VCC電容： · 電容是用來保證芯片的供電電壓直到該電壓可以由輔助繞組來提供。為了平衡VCC電容推薦使用一個的陶瓷電容緊密的連在7腳和8腳之間。作為選擇，也可以使用低ECR和ESL的電解電容。 我們?nèi)? 軟啟動電阻： 控制芯片的最大靜止電流 VCC電容負載電流 VCC電容值 選擇值為390k 啟動時間： 注意： 在芯片可以插入應用面板之前，VCC電容必須總是可以放電的。 鉗位網(wǎng)絡： 為了計算鉗位網(wǎng)絡的參數(shù)，有必要知道漏感值。最普遍的方式就是從給定的初級電感得到漏感的百分比。假如變壓器結構是固定的，通過減少次級繞組匝數(shù)測量初級的漏感將可以得到一個精確的數(shù)據(jù)（假定一個好的LCR分析儀是有效的）。在這個例子中我們選擇初級電感的5%作為漏感值。 我們選擇的電容 我們選擇22千歐的電阻 損耗的計算： 輸入整流橋： 銅電阻的計算： 銅電阻系數(shù)P100 計算銅損耗： 輸出整流二極管： 晶體管： （直流輸入電壓）（125度時參數(shù)值）也可參看系列的數(shù)據(jù)手冊 開關損耗： 總損耗： 散熱計算： 阻熱比典型值列表： DIP 雙列直插式封裝 調(diào)節(jié)回路： 基準電壓源 參考電壓 電流最小值 光電耦合器 發(fā)光二極管正常電壓值 最大電流值 初級： 反饋電壓： 從數(shù)據(jù)手冊查到 典型基準源 反饋電壓 放大倍數(shù) 反饋電阻典型值 次級： R2的值可以定為4.3K 調(diào)節(jié)回路原理圖 調(diào)節(jié)回路的傳輸特性 方程59 反饋 方程60 驅(qū)動電壓 方程61 功率級 跨導倒數(shù) 方程62 輸出整流 方程63 調(diào)整器 傳輸特性的零極點 最大 最小負載下功率放大級的極點 我們把光電耦合器的增益和驅(qū)動電壓作為常量來使用。 在調(diào)節(jié)器對傳輸特性的調(diào)整下，我們想達到一個在工作范圍內(nèi)合適的增益，并補償功率放大級的極點頻率。由于輸出電容零點的補償我們忽略它和LC濾波器極點。因而功率端的傳輸特性被簡化為一個單極點響應。為了計算開環(huán)增益我們必須選擇穿越頻率。我們計算功率端在選擇穿越頻率為輸出最大功率下的增益。 系列瞬時阻抗的計算： 瞬時阻抗定義了峰值電流等級和反饋端電壓之間的直接關系。這是功率放大級計算所必需的。脈寬調(diào)制開環(huán)增益Av為由數(shù)據(jù)手冊查得。 方程68 增益和交叉頻率： 方程69 傳輸特性 圖16 我們在交叉頻率fg處計算開環(huán)增益 根據(jù)傳輸特性的方程，我們也可以計算調(diào)節(jié)環(huán)路的增益，所計算得的調(diào)節(jié)環(huán)路的增益為 我們計算調(diào)節(jié)器的分離元件： 方程70 方程71 為了在輕載條件下獲得足夠的相位增益，我們在最小和最大負載功率端極點之間選擇補償網(wǎng)絡的零點。 方程71 開環(huán)增益 輕載全載 圖17 開環(huán)相位 圖18 連續(xù)傳輸模式 圖19 變壓器計算 變壓器是這樣計算的，即間斷傳導模式狀態(tài)在最小輸出功率下剛剛達到時。 最大輸出功率最大占空比 斜坡補償 斜坡補償對于穩(wěn)定工作在連續(xù)傳導模式、達到和超過0.5的占空比的調(diào)節(jié)器是必要的。斜坡補償一個簡單的方法是使用第3頁電路圖所用的和元件。 圖20 對于占空比=0.5的應用 選擇為10nF 選擇為 變壓器結構 繞組的布局對于變壓器的性能和可靠性有相當大的影響。為了減少漏感值到可以接受的程度，推薦使用三面夾中的結構。為了使分離式開關電源變壓器達到國際安全要求，必須使變壓器初次級有足夠的絕緣。這可以通過使用結構或在次級使用3倍的絕緣導線來達到。對于一般的輸入電壓范圍內(nèi)的典型漏電距離為8mm。這樣導致了一個4mm極限邊緣寬度（漏電距離的一半）。此外初次級之間必要的絕緣最好使用3層基本的絕緣磁。變換器的繞組結構的示例。 次級繞組的3倍絕緣線結構示例 的值可以從數(shù)據(jù)手冊查到 推薦的設計圖案 為了避免電源和信號源之間在板子上產(chǎn)生的干擾，我們在設計PCB時必須使用計算機輔助可靠性估價來規(guī)劃導線布局。信號路徑必須盡可能足夠短，并且需要從VCC路徑和反饋路徑分開。所有的地端要連接在一起接到的8腳。 晶體管列表 對于數(shù)字控制電子電力產(chǎn)品的投資 摘要：本文討論了制作數(shù)字控制電子電力產(chǎn)品在商業(yè)上成功存在的機遇和挑戰(zhàn)。 1 背景 冒著做陳腐的觀察報告的風險，最近20年微控制器，處理器和可編程器件的高速發(fā)展開拓了提高電子電力產(chǎn)品應用的性能、實用性、經(jīng)濟性的非常令人興奮的可能。自適應控制器、參數(shù)估算以及成熟的控制算法，都已不是些新的概念，它們都越來越能夠合理經(jīng)濟地實現(xiàn)。電源供應和驅(qū)動不需要再簡單的服務于電源變換器。一個電力供應控制器可以從一個完整系統(tǒng)的全面的和動態(tài)的性能獲益，包括伺服系統(tǒng)負載、放電照明、高端中央處理單元以及其他商業(yè)和工業(yè)有適當意義的負載。經(jīng)常閱讀可編程數(shù)字邏輯的益處包括：在設計領域和該領域的可重復編程，在復雜的用戶界面合并增值函數(shù)的可能性，實現(xiàn)自適應的能力，多輸入多輸出，以及非線性控制策略；易于與光隔離；還要具有診斷發(fā)現(xiàn)錯誤和通過后臺處理重新編碼的能力。這些好處能給實際中電子電力產(chǎn)品提供真實的商業(yè)價值還是只是學術上的研究而已呢？數(shù)字控制的毛病對于設計者和制造者來說是一個很大的負擔。和實用的模擬控制技術和提供許多服務的電子電力學會相比較，數(shù)字控制引入了許多新的問題：算法中量化和近似的影響；挑戰(zhàn)和包括代碼發(fā)展，修訂，改正作為額外設計步驟的支出；硬件支出或走數(shù)字化與使用相似的帶寬的類似成分感受到付出的代價，數(shù)字方法發(fā)展中的挑戰(zhàn)和使用正確的電路模型以及控制方案，當我們的社會確定成功的構建連續(xù)時間模型。公開的市場將毫無疑問的繼續(xù)給電子電力的數(shù)字控制應用是否有現(xiàn)實意義提供達爾文式的回答。那些能感知技術合適的應用時間的預見者或者智者或者幸運兒更可能逐步開發(fā)出占據(jù)未來市場的產(chǎn)品。作為一種技術，數(shù)字控制也不例外。本文的目的在于在歷史和目前趨勢的基礎上，對電子電力的數(shù)字控制的商業(yè)價值提供一個投機的看法。第二部分將具體地評論一些控制與數(shù)字控制的一些問題。這些評論有意的做了個提醒關于連續(xù)和離散時間系統(tǒng)之間的不同及這些不同對設計者的影響。下面的這些觀點，保留的部分調(diào)查了應用的特殊性，時機，以及關于電子電力系統(tǒng)數(shù)字控制的思考。近來電氣和電子工程師協(xié)會關于數(shù)字控制的一些特別的看法，認為電力電子學對于這個討論提供了基礎。 二 離散時間系統(tǒng)的回顧 讓我們從些基礎開始并比較連續(xù)和離散時間系統(tǒng)及控制。對于特殊的對象，連續(xù)和離散時間的控制的選擇意味著硬件和建摸技術的選擇。一個詳盡的指南會占據(jù)一個或更多完整的頁面。這部分選了些在當企圖放棄熟悉的經(jīng)典模擬控制去使用數(shù)字控制出現(xiàn)的新的技術問題。對象的本性和消費規(guī)范最終決定選擇那一種設計方案證明在經(jīng)濟上和技術上都是切實可行的。這些回顧提供了一個數(shù)字控制證明在未來電子電力系統(tǒng)應用在經(jīng)濟上是有益的在紙上思考的舞臺。有至少兩個理由關于設計者為什么會面臨數(shù)字控制設計的問題。首先就是對象天生的是離散時間的最好描述。這種情形的一個平常的例子就是月刊要每月一次的付費。在這個例子中很自然的定義一個離散時間變量。未付的本金在第N個月后P美元歸出借方。假設每月的利率等于每年的百分比除12，一個離散微分方程可以說明本金的動態(tài)描述。這個方程是微分動態(tài)分析的一個數(shù)的出發(fā)點。對于一個定期的抵押，比如一個30年的期限，需求可以用做一個約束，對于研究不同時間常量在驅(qū)動P在需要的時間達到需要最終值。一個控制系統(tǒng)出現(xiàn)當伺服每月付費P作為退休前早期抵押。一個實際本金和期望本金之間的誤差或者不同可能會使增加P來驅(qū)使系統(tǒng)更快的達到（改良的瞬態(tài)響應）。對于提高響應時間的熟悉的要求和一個更具驅(qū)動能力的同樣熟悉的要求一起到來，在這種情況下，有能力每月支付更多。不穩(wěn)定會出現(xiàn)當每月一次的支付P在利率r下不足以防止本金P的極大增值。有這樣的案例，電力轉(zhuǎn)換器可以極其便利的在離散時間里面直接模仿。一個功率因數(shù)有效的界面，舉個例子，將典型的執(zhí)行兩次電壓回路控制行為，在多數(shù)每個有效周期里面（一般都比這個值?。┮员苊飧蓴_輸入電流波形。這些轉(zhuǎn)換器被很好地用離散微分方程描述，而數(shù)字控制是個顯而易見的選擇。 圖1 離散時間反饋環(huán)路 第二個原因為什么一個設計者可能會面對一個離散控制問題，這個問題出現(xiàn)在當一個數(shù)字控制器的某些方面，比如說，適應性，需要達到消費者的要求。在這樣的情況下，控制硬件強加需求來處理離散時間模型。這樣的情況在圖1中已經(jīng)說明，圖中表明了一個連續(xù)時間模型對象的傳遞函數(shù)值入一個單輸入單輸出的反饋環(huán)路。在這個例子中使用了一個零階控制或者一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器和一個采樣器或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)模轉(zhuǎn)換器離散時間控制指令控制連續(xù)時間輸入給對象。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣對象的連續(xù)時間輸出來構造一個控制器的離散時間測量。一個串聯(lián)補償器包含在這個這個控制回路中，這樣，有一個比例增益K。單位反饋系統(tǒng)使我們想起調(diào)節(jié)器，對于許多典型的供電系統(tǒng)設計問題。作為一個團體，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對象H（S），以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器構成了一個帶控制輸入和采樣輸出的單離散時間框圖。這個宏框圖的動態(tài)特性可以通過Z變換進行建模P（Z）。就像拉絲變換可以看做是一個頻域變換或者操作微積分學，在那里頻率變量S作為時間的存放地點一樣，Z變換是一個頻率變量Z表示一個時間差的頻域變換。圖一中的系統(tǒng)可以使用了來理解出現(xiàn)在思索一個給定的一個連續(xù)時間系統(tǒng)設計后臺離散時間反饋回路的一些扭曲。為了使這個例子具體點，選一個簡單的對于一個RC驅(qū)動電路對象的系統(tǒng)， 圖2 連續(xù)時間反饋環(huán)路 其中t是時間常量。在電力電子學應用中，一個線性的，不便時間對象模型H(s)只可能在對次的建模努力之后，比如說，平衡和小信號的線性化。大框圖的離散時間傳遞函數(shù)和一個不變的階躍轉(zhuǎn)化書有關系的。一個離散時間單位階躍輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器結果產(chǎn)生一個連續(xù)時間輸入加到對象上H(s)。對于輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的階躍信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出必須是采樣的連續(xù)時間階躍響應。這個要求的關系是，P(z)離散時間階躍響應必須是H(s)連續(xù)時間階躍響應，是由組成反饋回路的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器硬件強加的。給定的通過使用這個數(shù)學函數(shù)，來決定。數(shù)字控制課本有代表性的提供了把普通的H(s)對象模型和它們的階躍不變傳遞模型聯(lián)系起來的表格。這樣對于一個RC對象，其中，，而T則是采樣周期。讓我們比較一下，離散時間反饋回路和連續(xù)時間反饋回路行為，如圖2所示。圖1和圖2都使用了減法器和一個增益框圖來實現(xiàn)反饋環(huán)路。在數(shù)字控制器中，這些將或者是由專門的數(shù)字邏輯或者是由微處理器代碼來實現(xiàn)。兩者都比較的昂貴和在圖2中所用的工作放大器相比較。設計師將怎么樣來分析這兩個系統(tǒng)的性能以便估計讓消費者滿意的三個方面：瞬態(tài)響應，穩(wěn)態(tài)跟蹤，以及穩(wěn)定性呢？系統(tǒng)的性能有代表性的通過使用對于單輸入單輸出的反饋回路的四個方法中的一個或者兩個：極點位置法如直接的解決或者根軌跡法；乃刻絲特圖；你刻絲特分析；或者波特圖。所有著四個方法檢查回路增益來決定閉環(huán)性能指標。圖3展示了圖2中連續(xù)時間反饋回路的根軌跡。這個圖表明了閉環(huán)極點位置隨著K值從0變到正無窮遠變化。忽略實際的社會問題，比如說飽和度和未建模動力學。根軌跡圖支持有兩年經(jīng)驗的觀察資料里面所說的增益是有益的。隨著增益數(shù)量的增大，閉環(huán)極點位置縱深的向左半平面（那里是穩(wěn)定性的指示）。瞬態(tài)響應的改善，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，更大的增益K變使得整個周率內(nèi)環(huán)路增益變大，改進了穩(wěn)態(tài)跟蹤。任何可以用來產(chǎn)生一個連續(xù)時間根軌跡的方法，額外攜帶的沒有變化的離散時間根軌跡。所有的熟悉的方法，比如，根軌跡規(guī)則的應用，或者直接用Matlab解決或者通過其他的計算方法，將能夠做出圖1給定的離散時間回路增益正確的根軌跡圖，比如這個。這要求同樣的努力來確立用S或Z表示的多項式?；芈吩鲆媸且浑A的并且圖4中的根軌跡在質(zhì)量上和圖3相似的。 圖3 S平面上的根軌跡 圖4 Z平面上的根軌跡 兩個根軌跡圖，對于小于K的值，起于開環(huán)對象極點位置：，對于一個連續(xù)時間系統(tǒng)，而對于一個間斷離散時間系統(tǒng)，。時間常量嚴格取決于自然的參數(shù)，并且總是正的，對于真實的電阻器和電容器。極點的位置也將總是正的。它不僅取決與器件的參數(shù)，而且取決于采樣周期。在Z平面的穩(wěn)定性，意味著閉環(huán)極點，必須保持在這個單位圓周里面，如圖4陰影所示。在單位原盤右半平面時軸上的極點位置，對應于單調(diào)衰減瞬態(tài)響應，與連續(xù)時間控制環(huán)路閉環(huán)回路的行為相近，在一個單位圓左半實軸上的極點位置，對應于瞬態(tài)衰減時間域，同時也是振蕩的。單位圓外的極點位置，導致極大的瞬態(tài)增長，那就是不穩(wěn)定現(xiàn)象。所以，對于一階離散時間控制系統(tǒng)，根軌跡圖揭示了有趣的行為當K增長時，一個最初穩(wěn)定的一階系統(tǒng)，對于較大的K值，最終振蕩并變得不穩(wěn)定。這種行為是外來的，與連續(xù)時間系統(tǒng)和我們對連續(xù)時間控制環(huán)路的直覺是不相關的。離散時間控制環(huán)路，是彈道的在采樣速度之間。它施加一個控制行為在幾乎所有的周期時間里面。隨著T的增長，而T保持為常量，對象驅(qū)使增長回應給定的誤差。K值的越來越大，導致更大的驅(qū)動能力，允許系統(tǒng)在同一個點和系統(tǒng)采樣之間，響應立即增大，沒有得以修正，直到下一個采樣到來，導致一個振蕩不穩(wěn)定，隨著控制器的緊迫性，驅(qū)使系統(tǒng)在每個正和負極之間保持在采樣點。 注意設計家現(xiàn)在有柄，可以控制系統(tǒng)的性能，就是增益K和采樣周期T。一個更大的采樣周期，更加的節(jié)約，在認識到，它可以降低控制器的計算負擔，并且允許使用潛在的便宜的ADC和DAC硬件。盡管如此，增加T減少，導致過大的增益產(chǎn)生的不穩(wěn)定影響，出現(xiàn)在K值較低的時候。在電子電力應用中，對于采樣速度的額外的限制，可能需要考慮。采樣速度必須選擇以避免紋波混淆和高頻干擾。必須選擇以避免發(fā)生在速度比在平衡價格和線性化合理的建模估算構造快些的更快的控制行為。這些限制可以造成高或低的波動，在期望的采樣周期中。 需要更多的思考以擴大頻域方法，比如離散時間系統(tǒng)的乃刻絲特，你刻絲以及波特圖。對于所有的經(jīng)典頻域分析技術的基本原理是乃刻絲特法。對于一個連續(xù)時間系統(tǒng)，乃刻絲特法需要設計者畫出虛實軸平面的回路增益，隨著S在一個等高線附近改變。盡管沒有一個要求，S常常是選擇在一個D形輪廓附近改變的，這個D包括軸和擴展到超過整個右半S平面的部分。對于這個選擇，閉環(huán)系統(tǒng)的極點Z在右半平面的個數(shù)，可以由 來決定，其中N是回路增益圖中包圍-1這個點的次數(shù)，而P則是D中回路增益開環(huán)極點的個數(shù)。通常，設計目標，需要令來產(chǎn)生一個穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。對于我們連續(xù)時間系統(tǒng)，RC對象是開環(huán)穩(wěn)定的，而。要構造一個穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)，設計者通常嘗試構造一個回路增益，這樣N也等于0，例如，沒有包圍-1這個點，使則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 你刻絲特和波特圖是你刻絲特法的一個派系，再次提供穩(wěn)定性和性能信息，通過檢查回路增益的頻率響應。