單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

精選資料可修改編輯單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)摘要高壓電源在日常的生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用，尤其在軍事、醫(yī)療、射線類探測(cè)器和靜電噴涂等技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的高壓電源多采用線性技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)形式造成電源變換效率低，體積大，重量沉，操作維修不方便。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)高壓電源的智能化程度、轉(zhuǎn)換效率和帶負(fù)載能力提出了更高的要求。智能化開(kāi)關(guān)電源以線性電源無(wú)法比擬的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)己經(jīng)成為電源行業(yè)的主流形式。該技術(shù)的應(yīng)用使高壓電源變得體積小、重量輕、效率高、智能化更強(qiáng)。本論文研究工作針對(duì)X射線熒光分析裝置對(duì)供電高壓電源在效率、體積和智能控制等方面的要求，研制了一種以單片機(jī)和脈寬調(diào)制（PMW）技術(shù)為基礎(chǔ)的高壓電源。該電源由STC89C51單片機(jī)控制脈寬調(diào)制芯片TL494，采用單端式推動(dòng)，經(jīng)變壓器和倍壓整流升壓，輸出0~50kV連續(xù)可調(diào)電壓。該電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)、閉環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控、模數(shù)電路相互配合，具有通用性強(qiáng)、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，開(kāi)關(guān)電源，TL494，高壓電源IDesignofthehigh-voltageswitchingmode-powersupplybasedonSCMAbstractHigh-voltagepowersupplyisappliedbroadlyindailylifeandproduction,especiallyusedinmilitary,medical,class-raydetectorandelectrostaticspraying.Tradltionalhigh-voltagepowersupplymainlyadaoptstechnologyoflinearpowerspuplysuchtypeofstructuremakesthewholeeffieieneyofpowersupplybelow,large,heavyandoperationandmaintenancewhichisnotconvenient.withthedevelopomentandadvancementofpowersupplytechnology,theintelligentlevel,conversionefficiencyandloadcapacityishigherrequirementsforthehigh-voltagepowersupply.Intelligentswitchingpowersupplyhasbecomethemainstreamform.ofthepowerindustrywiththeunmatchedfeaturesandadvantages.Applicationofthetechnologyhasmadethehghvoltagepowertobecomethesmallsize,lightweight,highefficiencyandmoreintelligent.Withtherequirementsoftheefficiency,volumesizeandintelligentcontrolofthepowersupplyforthex-rayfluorescenceanalysis,ahigh-voltagepowersupplybasedonthetechniqueofSCMandPWMhasbeendeveloped.ItusesSTC89C51SCMtocontrolTL494,adoptssingleendedtypepromote,andputsoutchangeablevoltageafteritboostedbyatransformerandvoltagemultiplyingrectifier.Thepoweradoptsdigitalregulationandclosedloopreal-timemonitoringtocooperatedwithaanalogcircuit,andthepowerhasadvantagesofstronggenerality,wideoutputrange,highstablevoltageaccuracy,excellentcontrolproperty,etc.Keywords:SCM,Switchingmode-powersupply,TL494,High-voltagepowersupplyII單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)第一章引言單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源具有通用性強(qiáng)、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良等特點(diǎn)。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)高壓電源體積大，效率低等缺點(diǎn)，受到人們的極大關(guān)注。一、高壓直流電源基本原理和應(yīng)用高壓直流電源是將工頻電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)變成特種形式高壓的一種電子儀器設(shè)備，高壓直流電源按輸出電壓極性可分為正極性和負(fù)極性兩種。高壓直流電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的軍事、工業(yè)、日常生活等領(lǐng)域?；仡櫢邏褐绷麟娫窗l(fā)展歷史，高壓直流電源最初是將工頻電壓直接經(jīng)高壓變壓器升壓后整流濾波[1]，或升壓后再倍壓整流后得到高壓的，其基本原理如圖1.1所示。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高壓直流電源采用了線性技術(shù)。圖1.1高壓直流電源基本原理圖二、開(kāi)關(guān)電源發(fā)展歷史隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來(lái)越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展從來(lái)都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展相關(guān)[2]，高頻化的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁器件。因此開(kāi)關(guān)電源可以按照作為開(kāi)關(guān)元件的半導(dǎo)體功率器件分成幾個(gè)階段：最早的半導(dǎo)體功率器件，起始于1958年的晶閘管，又稱SCR可控硅整流器，是第一個(gè)階段；60年1單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)代出現(xiàn)了快速晶閘管，到70年代又研制成功了高壓大電流的門級(jí)可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力巨型晶體管(GTR)，它們都是雙極型電力半導(dǎo)體器件，逐漸取代了傳統(tǒng)的SCR。這些大功率器件與微處理機(jī)相互結(jié)合，開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入了“自關(guān)斷器件”的第二個(gè)階段；由于微電子學(xué)科的快速發(fā)展，70年代中后期又出現(xiàn)了MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特別是80年代問(wèn)世的功率場(chǎng)效應(yīng)管VDMOS(又稱“功率MOSFET”)，以及派生的MOS型絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，其特性和功能更新發(fā)展使功率變換和穩(wěn)壓電源技術(shù)發(fā)生了新的飛躍，使開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展到高頻化、智能化的第三個(gè)階段。三、高壓開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代世界電源史上發(fā)生了一場(chǎng)革命，即脈寬調(diào)制技術(shù)在電源領(lǐng)域的應(yīng)用。到目前為止，電源的頻率已經(jīng)達(dá)到數(shù)千Hz，應(yīng)用先進(jìn)的準(zhǔn)諧振技術(shù)甚至可以達(dá)到兆Hz水平。高頻化使高壓電源體積大幅度的減小，輕巧便攜，實(shí)用性和使用方便性明顯得到改善。近幾年，隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)的逐步成熟，出現(xiàn)了高壓開(kāi)關(guān)直流電源，同線性電源相比較高頻開(kāi)關(guān)電源的突出特點(diǎn)是：效率高、體積小、重量輕、反應(yīng)快、儲(chǔ)能少、設(shè)計(jì)和制造周期短。由于它的優(yōu)越特性，現(xiàn)在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。圖1.2高壓開(kāi)關(guān)電源基本原理圖圖1.2是高壓開(kāi)關(guān)電源示意圖。同圖1.1相比較，它采用了脈寬調(diào)制技術(shù)，PMW2單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)和逆變器技術(shù)結(jié)合[3]，實(shí)現(xiàn)了高壓開(kāi)關(guān)直流電源輸出電壓穩(wěn)壓、調(diào)壓和保護(hù)功能。它的工作原理是：交流電經(jīng)整流單元整流、濾波后，變成直流，逆變單元由控制單元控制，使直流電壓逆變成高頻方波電壓，經(jīng)高頻變壓器形成方波電壓，然后經(jīng)高壓整流輸出變成直流高壓，電壓反饋單元將輸出的電壓和電流信號(hào)反饋到控制單元，只要調(diào)整控制單元的設(shè)定電壓，就可調(diào)節(jié)直流高壓的輸出電壓。目前，世界各國(guó)正在大力研制開(kāi)發(fā)新型高壓高頻電源，包含新的電源理論、新型模塊化電路、新型電子器件等，以滿足電子設(shè)備小型化、高效化和高性能化的時(shí)代發(fā)展要求。四、國(guó)內(nèi)外高壓開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的簡(jiǎn)單現(xiàn)狀目前，國(guó)外高壓開(kāi)關(guān)直流電源比較成熟，像Spellman、Classman等高壓電源公司已生產(chǎn)出小型化、高效化、智能化的高壓直流電源，然而價(jià)格比較昂貴，國(guó)內(nèi)直流高壓開(kāi)關(guān)電源研究起步較晚，與先進(jìn)國(guó)家相比有較大差距。尤其在高頻、高性能直流高壓開(kāi)關(guān)電源方面，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成批量生產(chǎn)能力。五、高壓開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的中的問(wèn)題隨著新的電子元器件、新的電磁材料、新的電源變換技術(shù)、新的控制理論及新的專業(yè)軟件的不斷涌現(xiàn)，并不斷地被應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源，使得開(kāi)關(guān)電源的性能不斷提高，特點(diǎn)不斷更新，出現(xiàn)了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性?，F(xiàn)代的高壓開(kāi)關(guān)電源有以下幾個(gè)難點(diǎn)：1、高頻高壓變壓器體積減小，頻率升高，分布容抗變小，絕緣問(wèn)題和效率問(wèn)題需要解決。2、由于高壓電源的頻率很高，導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻繁，能耗增大，這就對(duì)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)有所選擇。3、在控制檢測(cè)部分，高頻高壓開(kāi)關(guān)電源采用采用了脈寬調(diào)制技術(shù)和逆變器等技術(shù)，出現(xiàn)了強(qiáng)電弱電間的相互影響加強(qiáng)。檢測(cè)部位的高壓電壓（近10kV），對(duì)后續(xù)的電子元器件（精密電阻等）提出了更高的性能要求。六、論文的主要工作本論文設(shè)計(jì)了一種作為X射線熒光分析裝置供電電源的高壓開(kāi)關(guān)電源，該電源采用脈寬調(diào)制（PWM）、單端式推動(dòng)、數(shù)字調(diào)節(jié)、閉環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控、模數(shù)電路相互配合，具有體積小、逆變效率高、通用性強(qiáng)、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、3單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)控制性能優(yōu)良等特點(diǎn)。電源整機(jī)性能指標(biāo)為：1、輸入AC220V，輸出電壓0~50kV（連續(xù)可調(diào)），輸出電流0~3mA2、具有輸出過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)3、穩(wěn)定性0.1%，波紋系數(shù)<0.1%，效率>65%4單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)第二章高壓開(kāi)關(guān)電路選擇與設(shè)計(jì)本章主要介紹開(kāi)關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)器件、變壓器以及倍壓電路的各種形式，選擇和設(shè)計(jì)了我們實(shí)驗(yàn)上采用的高壓開(kāi)關(guān)電源電路。一、功率轉(zhuǎn)換與倍壓整流電路在高壓開(kāi)關(guān)電源電路中，最關(guān)鍵的部分是功率轉(zhuǎn)換電路和倍壓整流電路。在開(kāi)關(guān)電源中，功率轉(zhuǎn)換電路的基本形式有5種，正激式、反激式、半橋式、推挽式和全橋式[4]。倍壓整流電路分為二倍壓和多倍壓整流電路。下面分別介紹、分析這些功率轉(zhuǎn)換電路和倍壓整流的結(jié)構(gòu)和工作原理。（一）正激式變換電路正激式變換電路的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。由于其儲(chǔ)能元件與負(fù)載電阻RL串聯(lián)又稱串聯(lián)型變換電路。該電路直流電壓U是由工頻交流電源通過(guò)電源濾波器、整流濾波器后轉(zhuǎn)換獲得；開(kāi)關(guān)管S為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或MOSFET；T為高頻變壓器；L和C組成LC濾波器；二極管D1為半波整流元件，D2為續(xù)流二極管；RL為負(fù)載電阻；U0為輸出穩(wěn)定的直流電壓。S的驅(qū)動(dòng)信號(hào)XH為PWM控制電路輸出的方波。圖2.1正激變換電路當(dāng)XH為高電平使S導(dǎo)通時(shí)，變壓器獲得輸入電壓為UT=U1，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，此時(shí)電源經(jīng)變壓器耦合向負(fù)載傳輸能量，負(fù)載上獲得電壓，濾波電感L儲(chǔ)能。當(dāng)控制電路使S截止時(shí)，開(kāi)關(guān)管S所承受的電壓與輸入電壓相等，即US=U1，變壓器原、副邊輸出電壓為零。此時(shí)，變壓器原邊在S導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量經(jīng)過(guò)線圈N3和二極管D3反送回電源。而變壓器的副邊由于輸出電壓為5單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)零，所以二極管D1截止，電感L通過(guò)二極管D2續(xù)流并向負(fù)載釋放能量，因?yàn)殡娙軨1的濾波作用，此時(shí)負(fù)載上所獲得的電壓保持不變，輸出電壓為：Uo=N?U

（2.1）式中

N——變壓器次、初級(jí)的匝數(shù)比，N=N2:N1δ——占空比，?=

TonToff+Ton

（2.2）由式（2.1）可看出，輸出電壓U0僅由電源電壓U和方波的占空比D決定。正激變換電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可適用于中小功率的開(kāi)關(guān)電源。（二）反激式變換電路圖2.2所示為反激式變換電路，其高頻變壓器T既起隔離作用又起電感L軛流的作用，因?yàn)樗膬?chǔ)能元件與負(fù)載RL并聯(lián)，所以又稱為并聯(lián)型變換電路。同時(shí)也可以判斷出，同正激式變換電路不同，變壓器的磁芯工作在磁滯回線的另一側(cè)，故稱為反激式變換電路。圖2.2反激式變換電路當(dāng)控制電路使功率開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，由于同名端的關(guān)系，二極管D1不導(dǎo)通。當(dāng)S截止時(shí)，變壓器的副邊繞組產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)反向，使D1導(dǎo)通，給電容器充電，同時(shí)負(fù)載RL上產(chǎn)生電壓。在此電路中，基極的控制、副邊繞組的設(shè)計(jì)，都要遵循反激的原則。6單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)同樣地，開(kāi)關(guān)管S的耐壓和變壓器的輸入電壓與電源輸入電壓相等，因此反激變換電路同正激變換電路一樣，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可適用于中、小功率的開(kāi)關(guān)電源。（三）推挽式變換電路圖2.3所示為推挽式變換電路，它實(shí)際上是兩個(gè)單端正激式變換電路組合成推挽方式工作，兩只功率開(kāi)關(guān)管S1、S2交替導(dǎo)通。其工作過(guò)程為：當(dāng)S1導(dǎo)通，S2截止時(shí)，根據(jù)同名端可以判斷出，只有D2導(dǎo)通，電感L的電流逐漸上升；當(dāng)S1截止、S2導(dǎo)通時(shí)，可以判斷出，只有D1導(dǎo)通，電感L的電流也逐漸上升。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，二極管D1與D2都導(dǎo)通，各分擔(dān)一半的電流。圖2.3推挽式變換電路同樣可以看出，開(kāi)關(guān)管的耐壓和變壓器的輸入電壓與電源輸入電壓相等，變壓器磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。推挽式變換電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求較高，但輸出功率較大，適用于中、大功率的開(kāi)關(guān)電源。所以，這種變換電路得到了廣泛的應(yīng)用。（四）半橋式變換電路圖2.4為半橋變換電路原理圖，半橋變換電路與正激變換電路不同的是：由兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管S1、S2構(gòu)成，二極管D3、D4組成全波整流元件。電感L、電容C3組成LC濾波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流輸出電壓的濾波。7單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)圖2.4半橋變換電路輸入電壓U通過(guò)兩個(gè)同容量的輸入電容把U轉(zhuǎn)換成為雙電源，U1=U2=U/2，即A點(diǎn)的電壓UA是輸入電壓U的一半。開(kāi)關(guān)管S1和S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)XH1和XH2由控制電路產(chǎn)生，是互為反相的PWM信號(hào)。為了防止開(kāi)關(guān)管S1、S2同時(shí)導(dǎo)通造成電源短路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)XH1、XH2之間必須具有一定的死區(qū)時(shí)間，即二者同時(shí)為零的時(shí)間。當(dāng)XH1為高電平時(shí)，XH2為低電平，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷。電容C1兩端的電壓通過(guò)S1施加在高頻變壓器的原邊，此時(shí)UT1=U/2，變壓器副邊所接二極管D3導(dǎo)通，D4截止，整流輸出電壓與圖示Uo方向相同，再經(jīng)L、C3濾波得到輸出電壓Uo。當(dāng)XH2為高電平，XH1為低電平時(shí)S2導(dǎo)通，S1關(guān)斷，電容C2兩端的電壓施加在高頻變壓器的原邊，此時(shí)UT2=U/2。二極管D4導(dǎo)通，D3截止，整流輸出電壓的方向也與圖示Uo方向相同,在S1和S2共同關(guān)斷期間原副邊繞組上的電壓為零,即UT1=0，UT2=0。在二極管D3、D4導(dǎo)通期間，電感L開(kāi)始儲(chǔ)能。在開(kāi)關(guān)管S1、S2同時(shí)截止期間，雖然變壓器副邊電壓為零，但此時(shí)電感L釋放能量，又由于電容C3的作用將使輸出電壓維持恒定不變。半橋變換電路同正激、反激式電路不同，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，前半個(gè)周期流過(guò)高頻變壓器的電流與后半個(gè)周期流過(guò)的電流大小相等，方向相反。因此，與前兩種電路相比，變壓器的磁芯工作在磁滯回線B-H的兩端，磁芯得到充分利用又防止了磁飽和，因此高頻變壓器可以設(shè)計(jì)得更小而功率更大。在一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)的另一個(gè)開(kāi)關(guān)管所承受的電壓與輸入電壓相等。開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的瞬間，漏感將會(huì)引起尖峰電壓對(duì)S1、S2造成影響。為此開(kāi)關(guān)管S1、S2兩端各并聯(lián)一個(gè)二極管D1、D2，可以把漏感引起的尖峰電壓箝位，因此開(kāi)關(guān)8單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)管所承受的電壓絕對(duì)不會(huì)超過(guò)輸入電壓，同時(shí)二極管D1、D2還作為續(xù)流二極管具有續(xù)流作用，而施加在高頻變壓器上的電壓只是輸入電壓的一半。半橋變換電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求較高，但輸出功率較大，適用于中、大功率的開(kāi)關(guān)電源。（五）全橋式變換電路圖2.5所示為全橋式變換電路，它用另外兩只開(kāi)關(guān)管S3、S4將半橋電路中的兩個(gè)電解電容C1和C2取代，并配上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路即可組成全橋變換電路。變壓器副邊所接整流二極管D5、D6實(shí)現(xiàn)全波整流。S1驅(qū)動(dòng)信號(hào)XH1與S4的XH1相同，S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)XH2與S3的XH3相同，而且XH1、XH4與XH2、XH3互為反相。其輸出的電壓波形類似半橋電路。圖2.5全橋變換電路當(dāng)XH1與XH4為低電平，XH2與XH3為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管S2和S3導(dǎo)通，S1和S4關(guān)斷，電源電壓通過(guò)S2和S3施加在高頻變壓器的原邊，此時(shí)變壓器原邊電壓為UT1=U。當(dāng)XH1和XH4為高電平，XH2與XH3為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1和S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)斷，變壓器原邊電壓為UT1=-U。與半橋電路相比，原邊繞組上的電壓增加了一倍，而每個(gè)開(kāi)關(guān)管的耐壓仍為輸入電壓。開(kāi)關(guān)管S1、S2、S3和S4的集電極與發(fā)射極之間分別反接有箝位二極管D1、D2、D3和D4，由于這些箝位二極管的作用是當(dāng)開(kāi)關(guān)管從導(dǎo)通到截止時(shí)使變壓器初級(jí)磁化電流的能量以及漏感儲(chǔ)能引起的尖峰電壓的最高值不會(huì)超過(guò)電源電壓U，同時(shí)還可將磁化電流的能量反饋給電源，從而提高整機(jī)的效率。9單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)全橋變換電路采用了4只開(kāi)關(guān)管，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求很高，但綜合性能最好。在輸入電壓U相等的情形下，較之半橋式變換電路可以輸出更大的功率，因此適用于較大功率的開(kāi)關(guān)電源。（六）功率轉(zhuǎn)換電路選擇單端電路：它包括正激電路和反激電路，與雙端電路的根本區(qū)別是高頻變壓器僅工作在磁滯回線的一側(cè)。單端電路只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管，只要一組脈沖激勵(lì)，不需要分頻，因而控制電路簡(jiǎn)單，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)管儲(chǔ)存時(shí)間的一致性要求不高。沒(méi)有共同通導(dǎo)問(wèn)題以及電路的不對(duì)稱引起高頻變壓器單向偏磁。但是高頻變壓器磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)，效率和利用率低。雙端電路：包括全橋、半橋和推挽電路。它的優(yōu)點(diǎn)是高頻變壓器磁芯僅工作在磁滯回線的兩側(cè)，效率和利用率高，可獲得大功率輸出。缺點(diǎn)是控制電路復(fù)雜。推挽電路：優(yōu)點(diǎn)是變壓器上直接加輸入電源電壓，因而只用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管便能獲得較大的功率輸出，而且，一對(duì)晶體管的發(fā)射極相連，兩組基極電路無(wú)需絕緣，這樣驅(qū)動(dòng)電路就可以簡(jiǎn)化。缺點(diǎn)是原邊繞組只有一半時(shí)間工作，高頻變壓器的利用率差。全橋電路：優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管子上施加的最高電壓比起推挽式電路要低一半還多，這就為開(kāi)關(guān)管的選擇帶來(lái)了方便。而且二極管還能將漏感儲(chǔ)能歸還給輸入電源，也有益于提高效率。缺點(diǎn)是電路使用了四個(gè)開(kāi)關(guān)管，需要四組絕緣的基極驅(qū)動(dòng)電路，不僅電路復(fù)雜、元器件多，而且驅(qū)動(dòng)功率成倍增加。半橋電路：優(yōu)點(diǎn)是晶體管數(shù)量少，驅(qū)動(dòng)功率小。具有抗不平衡能力。缺點(diǎn)是變壓器上加的電壓只有輸入電源電壓的一半。欲得到和全橋推挽電路相同的功率，開(kāi)關(guān)管子必須流過(guò)兩倍的電流。綜合以上電路的特點(diǎn)，我們實(shí)驗(yàn)上選擇簡(jiǎn)單高效單端電路作為高壓開(kāi)關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換電路。（七）倍壓整流電路雙倍壓整流電路：雙倍壓整流用一個(gè)周期內(nèi)的正負(fù)半周分別對(duì)電容器C1和C2充電[5]，使兩個(gè)電容器都充電到接近整流輸入電壓的峰值，然后將C1和C2串聯(lián)輸出，從而在負(fù)載上得到兩倍的整流輸入電壓峰值的直流電壓。見(jiàn)圖2.6。10單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)圖2.6

二倍壓整流電路其工作原理是：當(dāng)U2為正半周時(shí)，變壓器的1端為正，2端為負(fù)，二級(jí)管D1導(dǎo)通，于是對(duì)C1充電，C1被充電到接近于U2的峰值2E2，并基本保持不變。在此期間，二極管D2處于截止?fàn)顟B(tài)，因此，C2不被充電，其兩端無(wú)電壓。在U2負(fù)半周時(shí)，變壓器2端為正，1端為負(fù)，二級(jí)管D2導(dǎo)通，C2也被充電到接近U2的峰值2E2。至此，輸出電壓應(yīng)為兩電容器C1和C2上的電壓之和，即變壓器次級(jí)電壓峰值的兩倍。在這種電路中，每個(gè)二級(jí)管承受的最大反向電壓22E2，而電容上的電壓為2E2。圖2.7

多倍壓整流電路三倍壓整流電路及多倍壓整流電路原理如圖2.7所示，它用三個(gè)二極管和三個(gè)電容器可以做成三倍壓整流電路，其工作原理與雙倍壓整流電路類似。在第一個(gè)周期內(nèi)，二級(jí)管D1、D2及電容器C1、C2的工作原理與雙倍壓整流相同，二極管D3和電容器C3在此其間不起作用。在第二個(gè)周期的正半周到來(lái)時(shí)，變壓器次級(jí)又是1端正，2端負(fù)，這時(shí)D1已重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)由于C2已充有22E2的電壓，此電壓與變壓器次級(jí)電壓E2相加，使D3導(dǎo)通，C3充電至接近22E2，于是在負(fù)載上得到的電壓為C1和C3上的電壓之和，即接近于32E2。需要指出的是C1、C2和C3的充電電壓并不是在第二周期的正半周分別充到2E2、22E2和32E2的，而是在經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后，C3上的電壓才逐漸穩(wěn)定在其左右。11單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)電路中每個(gè)整流二極管承受的最大反向電壓均為22E2，C1上承受的電壓為2E2，C2和C3上承受的電壓為22E2。依此類推，用n個(gè)整流二極管和n個(gè)電容器就可以組成n倍壓整流電路。但是由于高階倍壓整流電路帶負(fù)載能力很差，輸出很小的功率就會(huì)導(dǎo)致電壓的大幅度跌落。假設(shè)輸出電流為I，每個(gè)電容的容量為C，頻率為f，則電壓跌落為[6]：?U=

16fC

(2n3?3n2+4n)

(2.3)輸出電壓紋波為：S=

n(n+1)4

?

IfCRL

(2.4)二、開(kāi)關(guān)元件介紹(a)

圖2.8

MOSFET等效電路

(b)作為起開(kāi)關(guān)作用的主功率管通常是采用圖2.8所示的MOSFET，其周圍電路的元件均為其寄生元件，會(huì)嚴(yán)重影響MOS管作為開(kāi)關(guān)元件的性能[7]。作為一個(gè)開(kāi)關(guān)元件，主要考慮的是開(kāi)和關(guān)的時(shí)間要足夠短，以便使其工作于最小電阻和最大電阻之間，以減小功率消耗。實(shí)際的開(kāi)關(guān)時(shí)間一般為10-100ns，而電源的開(kāi)關(guān)周期為20-200ps。開(kāi)關(guān)時(shí)間也主要決定于其寄生電容的充放電時(shí)間。另一個(gè)重要的寄生參數(shù)是柵極電阻，直接影響開(kāi)關(guān)的開(kāi)通時(shí)間，而這個(gè)參數(shù)0值，實(shí)際上柵極的域值電壓是以-7mV/0C的負(fù)溫度系數(shù)在變化。還有兩個(gè)重要的寄生參量是源級(jí)電感和漏級(jí)電感，其值的大小主要依賴于MOS管的封裝形式，在規(guī)格書中，都給出了典型值和MOS管開(kāi)通時(shí)的工作狀態(tài)。12一般的規(guī)格書都沒(méi)有提供。柵極的驅(qū)動(dòng)電壓域值一般在規(guī)格書中提供的是25C的一般的規(guī)格書都沒(méi)有提供。柵極的驅(qū)動(dòng)電壓域值一般在規(guī)格書中提供的是25C的單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)第一階段輸入電容充電，此過(guò)程大部分柵極電流給CGS（柵源電容）充電，極少部分電流流過(guò)CGD（柵漏電容），當(dāng)CGS電壓達(dá)到開(kāi)通電壓時(shí)，CGD上的電壓開(kāi)始逐漸減小。此過(guò)程漏級(jí)電流和漏級(jí)電壓均沒(méi)有改變，稱之為開(kāi)通延遲。從第二個(gè)階段開(kāi)始，漏級(jí)電流開(kāi)始出現(xiàn)，柵極電壓從開(kāi)通電壓上升到平臺(tái)區(qū)。次過(guò)程，MOS處于線性工作區(qū)，其漏級(jí)電流正比于柵極電壓。柵極的電流流進(jìn)CGS和CGD，漏源電壓仍然保持不變。第三階段，CGS充電完畢，漏級(jí)電壓開(kāi)始下降，柵級(jí)電壓保持不變。所有的柵極電流都從CGD流過(guò)(CGD通過(guò)逐漸導(dǎo)通的溝道放電)。最后，更高的柵極電壓加在CGS和CGD上，促使MOS管完全導(dǎo)通.此階段的CGS電壓（VDRV）決定了MOS的通態(tài)電阻，此過(guò)程?hào)艠O電流分別從CGS和CGD流過(guò)，漏源電流不變，漏源電壓隨著開(kāi)態(tài)電阻的減小而減小。MOS的關(guān)斷過(guò)程正好和上述過(guò)程相反。MOS本身的功耗主要由三部分組成:開(kāi)、關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。源級(jí)寄生電感對(duì)開(kāi)關(guān)的性能影響極大，構(gòu)成源級(jí)寄生電感的主要是封裝時(shí)的壓焊線和出腳的引線電感，此外，電路外邊串聯(lián)的取樣電阻也增加了寄生電感。MOS開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，給充電的電流要通過(guò)這個(gè)寄生電感，這會(huì)對(duì)MOS的開(kāi)通和關(guān)斷造成延時(shí)(CGS充、放電的過(guò)程將變長(zhǎng))，另外源級(jí)寄生電感和輸入電容可能會(huì)形成振蕩。由此需要在柵極串聯(lián)一個(gè)電阻，依經(jīng)驗(yàn)該電阻值的選取一般為5-10歐姆。阻值太小，驅(qū)動(dòng)電壓的波形會(huì)有一個(gè)過(guò)沖，但仍能獲得較快的開(kāi)關(guān)速度。阻值太大雖然沒(méi)有過(guò)沖，但對(duì)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)沒(méi)有任何好處。源級(jí)寄生電感還存在另一個(gè)影響，當(dāng)源級(jí)電流迅速變化的時(shí)候，源級(jí)寄生電感給柵極電流的變化提供了不利的負(fù)反饋。這個(gè)過(guò)程發(fā)生在開(kāi)通的第二個(gè)時(shí)間段和關(guān)斷的第三個(gè)時(shí)間段。為了迅速增加漏級(jí)電流，必須在源級(jí)寄生電感上增大電壓降，這個(gè)電壓升高，那么變壓器上的有用電壓就降低，否則會(huì)導(dǎo)致源級(jí)電流的變化減慢。此時(shí)，柵極電流就通過(guò)源級(jí)電流在源級(jí)寄生電感上的壓降，產(chǎn)生了負(fù)反饋，從而使柵極電流的變化也減慢了。漏級(jí)寄生電感也是由封裝內(nèi)的引線電感和與它相連的外部引腳電感產(chǎn)生的。它的作用相當(dāng)于給MOS加了一個(gè)緩沖器，減少了漏級(jí)電流的變化率。雖然可以減少開(kāi)通損耗，但大大增加了關(guān)斷損耗。造成這個(gè)的原因主要是自感電動(dòng)勢(shì)疊加在MOS的漏級(jí)電壓上，影響MOS的導(dǎo)通。13單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)三、開(kāi)關(guān)管尖峰吸收電路開(kāi)關(guān)管在高頻狀態(tài)下工作，會(huì)產(chǎn)生振蕩。為了消除這種寄生振蕩[8]，應(yīng)盡量減少開(kāi)關(guān)管與各管腳的連線長(zhǎng)度，特別是柵極引線的長(zhǎng)度。若無(wú)法減少其長(zhǎng)度，可以串聯(lián)小電阻，且盡量靠近管子?xùn)艠O。同時(shí)，由于開(kāi)關(guān)變壓器T是感性元件，所以在開(kāi)關(guān)管截止瞬間，其漏極將產(chǎn)生極高的反峰值電壓，容易導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管過(guò)壓損壞，為此必須設(shè)置尖峰吸收回路。圖2.9所示為典型的單端變換電路的吸收回路設(shè)計(jì)。接在開(kāi)關(guān)管漏極的R3、C1、VD1為吸收網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，高頻變壓器初級(jí)線圈上產(chǎn)生的尖峰電壓改為向電容充電，因此，可限制尖峰電壓的峰值以及上升速率，對(duì)開(kāi)關(guān)管起保護(hù)作用。圖中R1既是MOS功率管的柵極限流電阻，又與R2一起消除功率管工作時(shí)產(chǎn)生的寄生振蕩。TR3

C1

輸出VD1

端TL494

R1R2圖2.9

尖峰脈沖吸收回路四、高頻變壓器高頻變壓器是高壓開(kāi)關(guān)電源的核心部件之一，由于高壓電源的變壓器工作時(shí)的頻率較高，它要求磁芯材料在頻率下功率損耗盡可能小[10]；此外，還要求飽和磁通密度高；隨著工作溫度的升高，飽和磁通密度的降低盡量小等等。（一）磁芯材料和結(jié)構(gòu)根據(jù)電源對(duì)變壓器的要求，大部分高壓電源主要采用鐵氧體磁芯材料。用鐵氧體磁芯材料結(jié)構(gòu)選擇的因素有下列幾個(gè)方面：1、漏磁要小，以便能獲得小的繞阻漏感。2、便于繞制，引出線及整個(gè)變壓器的安裝方便，這樣有利于生產(chǎn)維護(hù)，有利于散熱。14單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)3、鐵氧體磁芯材料的結(jié)構(gòu)形式如環(huán)形、U形、E形、EI形、EE形以及E形帶有圓柱形中心柱和外腿帶有螺釘固定位置等大功率鐵氧體磁芯。環(huán)形磁芯的漏磁小，但繞阻的繞制，尤其是副邊大電流繞阻的繞制以及引出線和整個(gè)變壓器的固定均較麻煩，磁芯的散熱也不好，而U形磁芯的漏磁較大，E形磁芯具有圓柱形中心柱的結(jié)構(gòu)，繞阻的繞制更普通電力變壓器的繞阻繞制一樣方便，而且，在整個(gè)繞阻高度耦合良好從而減小了漏感。（二）繞阻計(jì)算高頻變壓器原副邊繞阻計(jì)算包括按輸入輸出電壓確定匝數(shù)，根據(jù)功率確定導(dǎo)線截面以及校核空載勵(lì)磁電流等。1、繞組匝數(shù)計(jì)算對(duì)于進(jìn)行方波轉(zhuǎn)換的高頻變壓器，其基本設(shè)計(jì)公式為式（2.5）：N1=

V1?1084BSef

（2.5）式中N1為變壓器原邊繞組匝數(shù)（T）；V1為施加在該繞組上的電壓幅值，這里即為輸入整流濾波電壓（V）；B為工作磁通密度（GS）；Se為磁芯有效面積（cm2）；f為高頻變壓器工作頻率（Hz）?；蛘哂脤?dǎo)通脈沖寬度來(lái)計(jì)算，如式（2.6）所示：N1=

V1tON2BSe

?102

（2.6）其中tON為半周期內(nèi)導(dǎo)通脈沖寬度（us）。2、校核勵(lì)磁電流原邊繞組電感量L1可按式（2.7）求得：L1=

?0?rN12Sele

（H）

（2.7）其中?0為真空導(dǎo)磁率，?0=4??10-9H/cm；?r為磁芯材料的相對(duì)導(dǎo)磁率，它不是常數(shù)，鐵氧體的?r約為800-5000，一般可取1500；Se為磁芯有效截面積（cm2）；le為平均磁路長(zhǎng)度（cm）。15單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)勵(lì)磁電流的計(jì)算公式為式（2.8）：I?=

V1tONl1

（A）

（2.8）其中V1單位為伏（V），tON為秒，l1用亨（H）。式中求出的勵(lì)磁電流I?是時(shí)間t=tON時(shí)、即半個(gè)周期內(nèi)脈沖終了時(shí)勵(lì)磁電流的幅值，不宜太大，一般在額定工作電流的10%以下。（三）繞阻的繞制高頻變壓器繞制時(shí)需要特別注意分布參數(shù)給予的影響，由于它的繞組匝數(shù)不多，同時(shí)對(duì)波形的要求也不嚴(yán)格，因而，由繞組本身的的分布電容引起問(wèn)題相應(yīng)之下不是主要的。如前所述，漏感將會(huì)引起關(guān)斷電壓尖峰，雖然可以用RC吸收網(wǎng)絡(luò)加以抑制，但最根本的辦法還是在選擇磁芯和繞阻繞制時(shí)盡可能的減小漏感。圖2.10

繞組形式和磁芯結(jié)構(gòu)示意圖圖2.10所示的高頻變壓器原邊繞阻的漏感可用式（2.9）表示：Ls1=

1.256KPl1N18

2

h+h23

)

（2.9）其中l(wèi)1為原副邊繞組的平均匝長(zhǎng)（cm）；h1為原邊繞阻厚度（cm）；h2為副邊繞阻厚度（cm）；h?為原邊繞阻間的間距（cm）；b?為原副邊繞組的高度（cm）；1610bw?(h?10bw?(h?+1單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)Kp是與繞組的繞法以及磁芯參數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。顯而易見(jiàn)，為了得到低漏感，磁芯和繞組的形狀應(yīng)選擇設(shè)計(jì)成徑向厚度較小的長(zhǎng)繞組，采用高導(dǎo)磁率、雜散場(chǎng)小的磁芯。但是磁芯形狀的選擇還需在易于繞制繞組、減小漏感、便于散熱以及體積等方面折衷考慮。無(wú)論何種磁芯形狀都應(yīng)使原副邊繞組盡可能的緊密耦合，這樣才能減小漏感。五、高壓開(kāi)關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)TUinN1

N2TL494Uout圖2.11

開(kāi)關(guān)和倍壓整流電路實(shí)驗(yàn)上，我們采用的高壓電源電路如圖2.11所示。采用簡(jiǎn)單高效的單端電路[9]Uout=

(2n?1)N?Uin(1??)

（2.10）式中

N——變壓器次、初級(jí)的匝數(shù)比，N=N2:N1n——倍壓級(jí)數(shù)Uin——變壓器的初級(jí)供電電壓δ——占空比，?=

TonToff+Ton

（2.11）因此，在n、N、Uin一定時(shí)，調(diào)節(jié)δ就可得到連續(xù)可調(diào)的電壓。六、本章小結(jié)本章介紹了各種開(kāi)關(guān)電源功率電路的優(yōu)缺點(diǎn)、倍壓整流電路和功率開(kāi)關(guān)管的工作方式和原理，以及變壓器的參數(shù)選擇和線圈繞制的基本方法。17，倍壓電路為半臂逆對(duì)稱式（6倍壓），在理想的情況下，輸出端電壓為：，倍壓電路為半臂逆對(duì)稱式（6倍壓），在理想的情況下，輸出端電壓為：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)第三章電路硬件設(shè)計(jì)電路的硬件部分主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)高壓電源的電壓輸出和保護(hù)，以及輸出電壓的設(shè)定和顯示?？刂齐娐芬許TC89C51單片機(jī)為核心，通過(guò)對(duì)電壓的采樣和反饋控制震蕩模塊TL494輸出的占空比，達(dá)到控制電壓輸出和保護(hù)的目的。一、電源的整體結(jié)構(gòu)和工作原理電源的整體電路結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：圖3.1

高壓開(kāi)關(guān)電源的整體結(jié)構(gòu)和工作原理市電經(jīng)過(guò)輔助電源得到連續(xù)可調(diào)的直流電作為供電電源。由TL494組成的脈沖振蕩器產(chǎn)生20kHz的觸發(fā)脈沖[11]，經(jīng)限流電阻R1加至場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，當(dāng)脈沖為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通，電流從初級(jí)線圈的正級(jí)經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管流向地，電能轉(zhuǎn)化為磁能被儲(chǔ)存在變壓器中，在變壓器的初級(jí)線圈產(chǎn)生上正下負(fù)的電壓，由于整流電路的二極管反向截止，則流經(jīng)次級(jí)線圈的電流為零。當(dāng)觸發(fā)脈沖為低電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，流經(jīng)初級(jí)線圈的電流為零，電壓為上負(fù)下正。次級(jí)線圈的電壓變?yōu)樯险仑?fù)。整流二極管被導(dǎo)通，電流通過(guò)二極管對(duì)電容充電，變壓器的磁能被轉(zhuǎn)化為電能，這樣就完成一個(gè)周期的變壓器的能量轉(zhuǎn)換。電壓經(jīng)變壓器并由倍壓整流后輸出，R3、C1、VD1組成尖峰吸收回路對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行保護(hù)。電容采用高壓聚苯乙烯電容器（CBY-30kV、2000PF），二極管采用高反壓硅2CGL-25kV。綜合考慮其工作頻率、倍壓電容容量及耐壓，取n=7，18單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)變壓器的升壓比為N2:N1=140:1，磁芯為U型中頻磁芯。電源的控制是采用單片機(jī)控制TL494的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)由鍵盤輸入電壓值之后，單片機(jī)系統(tǒng)將用戶的輸入值轉(zhuǎn)換與實(shí)際電壓值一一對(duì)應(yīng)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算通過(guò)DA輸出電壓控制TL494的3腳，得到一定占空比的方波，該方波作為驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖，通過(guò)高頻變壓器和倍壓整流輸出高壓。對(duì)輸出電壓信號(hào)的取樣，采用在輸出端將高壓經(jīng)電阻串聯(lián)衰減的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)電流信號(hào)，采用在主回路中串聯(lián)取樣電阻，將負(fù)載電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。取樣電壓、電流信號(hào)經(jīng)光耦隔離后反饋入單片機(jī)。由AD經(jīng)光耦返回的電壓值與輸入值進(jìn)行比較，利用誤差進(jìn)行輸出校正。輸出電壓按照預(yù)置步長(zhǎng)逐步增加，當(dāng)AD檢測(cè)電壓或電流返回值大于保護(hù)值時(shí)，由單片機(jī)DA輸出高于2.58V的電壓給TL494的4腳，使其停止震蕩，達(dá)到保護(hù)的目的。二、TL494簡(jiǎn)介TL494是美國(guó)德州儀器公司最先生產(chǎn)的一種脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電源集成控制器[12]

，它包含了控制開(kāi)關(guān)電源所需的主要功能，可作為單端式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)為：1、內(nèi)置有5V±5%的基準(zhǔn)電源2、末級(jí)輸出的最大電流可達(dá)250mA3、有死區(qū)時(shí)間可調(diào)控制端4、可對(duì)它的鋸齒波振蕩器的工作狀態(tài)執(zhí)行外同步控制其主要性能為：1、TL494在供電范圍7—40V之間能夠正常工作，占空比最大可達(dá)到二分之一，周期T變化范圍在25—100us之間，即頻率變范圍在10—40kHz之間。且占空比和頻率可獨(dú)立調(diào)節(jié)，互不影響。2、TL494的周期與調(diào)頻電阻和電容成正比關(guān)系，T=RC/1.1。占空比可由直流電壓來(lái)調(diào)整。3、可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路震蕩的控制。TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路[13]，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：f=1.1/RC。輸出脈沖的寬度是通過(guò)電容C上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制19單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見(jiàn)圖3.2。圖3.2

TL494內(nèi)部等效電路控制信號(hào)由集成電路外部輸入[14]，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在0—3.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5V時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3V到2V的共模輸入范圍，這可以從電源的輸出電壓和電流察覺(jué)得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當(dāng)比較器CT放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時(shí)，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。20單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)三、TL494應(yīng)用電路利用TL494的各個(gè)管腳外接不同電路，它可以實(shí)現(xiàn)以下功能：調(diào)壓、軟啟動(dòng)、穩(wěn)壓和過(guò)流保護(hù)。1、調(diào)壓電路TL494的外圍電路如圖3.3所示，1腳、16腳、2腳、15腳分別為兩個(gè)誤差放大器的同相輸入端和反相輸入端[15]，如圖接法兩個(gè)誤差放大器的輸出將始終為負(fù)值，這樣做的目的是為了封閉兩個(gè)誤差放大器，單片機(jī)的控制信號(hào)直接由3腳給入。3腳脈寬的改變和3腳輸入的電壓成正比。這種方式調(diào)節(jié)的輸入信號(hào)范圍寬，約為1—3.6V，穩(wěn)態(tài)誤差小，輸出精度高。圖3.3

TL494外圍電路圖2、軟啟動(dòng)電路原理如圖3.4所示，輸出電壓軟啟動(dòng)的基本原理是脈寬調(diào)制器的輸出脈寬應(yīng)能從零開(kāi)始緩慢地增大到額定輸出寬度，同時(shí)，從接通交流電網(wǎng)起，到脈寬從零開(kāi)始上升時(shí)為止，這段所謂“等待時(shí)間”應(yīng)能大于軟啟動(dòng)的要求，亦即t=t1+t2，其中t1是充電時(shí)間常數(shù)，t2即為輸出電壓從零上升到額定值所需的時(shí)間。我們利用4腳的死區(qū)控制和電容的充電特性來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出軟啟動(dòng)，由于4腳所加的電壓高于3V時(shí)，TL494輸出方波占空比為零，而電容充電過(guò)程的中間段接近線性，在上電瞬間R1上的電壓約為5V，之后隨著電容的充電R1上的電壓逐漸降低，直至設(shè)定的死區(qū)控制電壓為止。21單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)圖3.4

軟啟動(dòng)電路原理圖3、穩(wěn)壓和過(guò)流保護(hù)電路穩(wěn)壓和過(guò)流電路原理如圖3.5所示，單片機(jī)A/D電壓采樣是高壓端反饋的經(jīng)過(guò)電阻R4、R5串聯(lián)后經(jīng)電阻R5分壓的電壓[16]，將其與單片機(jī)鍵入的電壓進(jìn)行比較放大后通過(guò)TL494反饋腳(3腳)輸出進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓。為了能夠達(dá)到最大在50kV穩(wěn)壓，必須設(shè)定通過(guò)前級(jí)高壓反饋在A/D端的電壓必須小于或等于5V才能滿足條件。高壓反饋的分壓是通過(guò)電阻R4和R5串聯(lián)，加上電壓表表頭的內(nèi)阻實(shí)現(xiàn)的。電流采樣是通過(guò)R6來(lái)實(shí)現(xiàn)的。反饋信號(hào)通過(guò)光耦反饋到單片機(jī)，已到達(dá)對(duì)低壓端的保護(hù)。當(dāng)反饋信號(hào)大于保護(hù)的設(shè)定值時(shí)[17]，單片機(jī)給3腳一個(gè)信號(hào)，使TL494的占空比輸出為零，達(dá)到保護(hù)的目的。圖3.5

穩(wěn)壓和過(guò)流電路原理圖四、單片機(jī)系統(tǒng)介紹控制系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心[18]，采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX525芯片完成數(shù)模轉(zhuǎn)換；通過(guò)P0口控制LED顯示，P1口用于與4x4鍵盤接口完成按鍵22單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)識(shí)別功能；利用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1247芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換；通過(guò)MAX7219實(shí)現(xiàn)對(duì)八個(gè)數(shù)碼管的控制。儀器操作面板上的鍵盤與顯示部分，由8位數(shù)碼管，2個(gè)LED指示燈以及16個(gè)鍵構(gòu)成，其中數(shù)碼管顯示鍵入電壓以及實(shí)際輸出電壓，LED指示燈作為過(guò)壓和過(guò)流報(bào)警顯示，鍵盤用于輸入電壓值、步長(zhǎng)值，系統(tǒng)硬件原理如圖3.6所示。圖3.6

硬件原理圖1、STC89C51的特性如下[19]：（1）MCS-51微控制器產(chǎn)品系列兼容。（2）片內(nèi)有4KB可在線重復(fù)編程的快閃擦除存儲(chǔ)器。（3）儲(chǔ)存器可循環(huán)寫入/擦除10000次。（4）儲(chǔ)存數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年。（5）寬工作電壓為：VCC可以為2.7-6V。（6）全靜態(tài)工作：可以從0Hz-16Hz。（7）程序儲(chǔ)存器具有3級(jí)加密保護(hù)。（8）128位內(nèi)部ROM。（9）32條可編程ROM。（10）兩位16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。（11）中斷結(jié)構(gòu)。23單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（12）可編程全雙工串行通道。（13）空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。2、STC89C51的單片機(jī)的基本組成：一個(gè)8位的微處理器CPU，片內(nèi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器RAM，片內(nèi)程序儲(chǔ)存器ROM，四個(gè)8位并行的I/O接口P0-P3，兩個(gè)或三個(gè)T/C，5個(gè)中斷源的中斷系統(tǒng)，一個(gè)全雙工的UART的串行I/O口，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。3、STC89C51單片機(jī)引腳圖及說(shuō)明：STC89C51單片機(jī)引腳如圖3.7所示，其功能說(shuō)明如下：圖3.7

STC89C51單片機(jī)引腳圖（1）電源引腳VCC和GND。VCC（40腳）：電源：接+5V；GND（20腳）：接地端。（2）時(shí)鐘電路引腳XTAL1（19腳）和XTAL2(18腳)。（3）控制信號(hào)引腳RST（復(fù)位信號(hào)輸入端），PSENE(程序儲(chǔ)存允許輸出信號(hào)端)和EA（外部程序儲(chǔ)存器地址允許輸入端）。（4）輸入/輸出端口P0,P1,P2和P3。4、D/A轉(zhuǎn)換電路MAX525介紹：24單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)MAX525是4通道模擬電壓輸出12位串行輸入的D/A轉(zhuǎn)換器，含有4個(gè)精密輸出放大器，芯片為20個(gè)引腳，具有特殊的增益結(jié)構(gòu)、感應(yīng)靈敏度和高輸出驅(qū)動(dòng)性能。其他的性能包括：軟件關(guān)閉、硬件關(guān)閉鎖，定、低活性重啟（所有寄存器和DAC清零）、一個(gè)人工應(yīng)用可編程邏輯輸出和一串行數(shù)據(jù)輸出。圖3.8

MAX525引腳圖MAX525引腳如圖3.8所示，其功能說(shuō)明如下：（1）VDD：+5V電壓輸入斷。（2）AGND、DGND：模擬地和數(shù)字地。（3）FBA、FBB、FBC、FBD：DAC的A、B、C、D通道輸出放大的負(fù)反饋端。（4）OUTA、OUTB、OUTC、OUTD：DAC的A、B、C、D通道輸出放大器的電壓輸出端。（5）REFAB、REFCD：DAC的A、B和C、D通道參考電壓輸入端。（6）DOUT:串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出端。（7）UPO:用戶可編程邏輯輸出端。（8）CL：復(fù)位端（低電平有效）。（9）CS：片選輸入端。（10）DIN：串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端。（11）SCLK：串行時(shí)鐘輸入端。（12）PDL:掉電閉鎖端。25單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)5、A/D轉(zhuǎn)換電路MAX1247介紹：MAX1247是美國(guó)MAXIM公司推出的一種低功耗、4通道、12位串行模轉(zhuǎn)換芯片。該芯片是一種逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部自帶與微處理器的串行接口SPI。同時(shí)，它還可以在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下對(duì)外部4通道模擬輸入信號(hào)進(jìn)行順序轉(zhuǎn)換，且單一電源供電（2.7V～5.25V）。與其他APD轉(zhuǎn)換器相比，MAX1247具有較低的功耗和豐富的片上資源，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，工作性能好，非常適用于便攜式儀表儀器開(kāi)發(fā)。圖3.9

MAX1247引腳圖MAX1247引腳如圖3.9所示，其功能說(shuō)明如下：（1）VDD（1）：電源端。（2）CH0～CH3（2,3,4,5）：模擬信號(hào)輸入通道0～3。（3）COM（6）：模擬輸入的參考地。（4）SHDN（7）：關(guān)閉輸入控制端，為低時(shí)，將使器件掉電；為高時(shí)，將使參考緩沖區(qū)放大器處于內(nèi)部補(bǔ)償模式；將其浮動(dòng)，則使參考緩沖區(qū)放大器處于外部補(bǔ)償模式。（5）VREF（8）：參考緩沖區(qū)放大器的輸入，要使參考緩沖區(qū)放大器無(wú)效，需將其拉至VDD。（6）REFADJ（9）：參考緩沖放大器的輸入端。（7）AGND（10）：模擬地。（8）DGND（11）：數(shù)字地。（9）高阻態(tài)。26單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（10）SSTRB（13）：轉(zhuǎn)換結(jié)束腳，當(dāng)處于內(nèi)部時(shí)鐘模式，且芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)，該腳變低，若轉(zhuǎn)換結(jié)束，該腳變高；在外部時(shí)鐘模式下，在MSB開(kāi)始形成之前，該腳維持一個(gè)時(shí)鐘脈沖的高電平。（11）DIN（14）：串行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被鎖存。（12）CS（15）：片選端。（13）SCLK（16）：串行時(shí)鐘輸入，用來(lái)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。6、4*4鍵盤電路介紹：用STC89C51的并行口P0接4*4矩陣鍵盤，以P0.0-P0.3作輸入線，以P0.4-P0.7作輸出線：在數(shù)碼管上顯示每個(gè)按鍵的“0-F”序號(hào)。對(duì)應(yīng)的按鍵的序號(hào)排列如圖3.10所示：圖3.10

按鍵盤序號(hào)排列圖行列式的鍵盤即矩陣式鍵盤[20]，它由行和列組成，在每個(gè)行列的交叉點(diǎn)上放置一個(gè)按鍵，這樣4*4行列式鍵盤共需要16個(gè)鍵盤組成；AD0～AD7分別接排阻和單片機(jī)的P0.0～P0.7。當(dāng)按其中一個(gè)鍵時(shí)，單片機(jī)就將按下的鍵值讀入緩沖區(qū)，并且通過(guò)數(shù)碼管顯示出按下的那個(gè)鍵值。五、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題在設(shè)計(jì)電源的時(shí)候要充分考慮控制系統(tǒng)的抗干擾性，由于數(shù)字系統(tǒng)防干擾的能力較弱，所以在設(shè)計(jì)電源時(shí)要充分減少電源對(duì)控制端的影響。切斷干擾途徑要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：27單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)1、充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響，電源做得好整個(gè)電路的抗干擾就解決了一半，許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感，要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減少電源，噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。2、注意晶振布線，晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。3、電路板合理分區(qū)，盡可能把干擾源與單片機(jī)遠(yuǎn)離。4、地線把數(shù)字與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地，A/D，D/A芯片布線也以此為原則。5、單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減少相互干擾，大功率器件可能放在電路板的邊緣。六、本章小結(jié)本章主要介紹了高壓電源系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，闡述了電源的主要工作原理。并對(duì)脈寬調(diào)制芯片TL494和單片機(jī)的硬件系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能進(jìn)行了說(shuō)明。28單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)第四章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源的數(shù)字化控制是今后電源的發(fā)展趨勢(shì)，控制算法的軟件化為電源系統(tǒng)的控制策略的選擇與復(fù)用提供了方便?，F(xiàn)在比較常用的有很多種控制方案，如PID控制、重復(fù)控制、狀態(tài)反饋控制、無(wú)差拍控制和智能控制等等。我們采用的是PID控制技術(shù)。本系統(tǒng)采用的單片機(jī)芯片STC89C51支持兩種語(yǔ)言編程，一種是匯編語(yǔ)言，一種是C語(yǔ)言?？紤]到逆變系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。一、系統(tǒng)軟件的任務(wù)以STC89C51為核心組成了電源系統(tǒng)的控制電路[21]，它對(duì)控制電路各環(huán)節(jié)的工作進(jìn)行整合，而且需要對(duì)電壓、電流、脈寬等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算。這些任務(wù)包括：1、系統(tǒng)初始化：各個(gè)模塊的初始化，給重復(fù)控制器設(shè)定起始運(yùn)行參數(shù)，各誤差項(xiàng)的清零，設(shè)置軟件定時(shí)中斷。2、實(shí)時(shí)采樣輸出的電壓值，通過(guò)函數(shù)的運(yùn)算得到運(yùn)算量。3、根據(jù)實(shí)時(shí)的電流電壓等值，經(jīng)過(guò)運(yùn)算更新顯示值。4、PID控制算法得到的控制量，得到相應(yīng)的控制PWM脈寬輸出。5、如果有故障發(fā)生，立即啟動(dòng)軟件程序進(jìn)行保護(hù)。上面說(shuō)明了系統(tǒng)軟件需要完成的任務(wù)，這些任務(wù)對(duì)于單片機(jī)來(lái)數(shù)無(wú)疑是很大的，而電源的控制對(duì)控制速度要求是很高的，系統(tǒng)的控制量的變化是很快的，這就要求系統(tǒng)的采樣周期應(yīng)該盡可能短，以便對(duì)被控制量進(jìn)行及時(shí)的控制。因此在設(shè)計(jì)和編制系統(tǒng)軟件時(shí)，應(yīng)該對(duì)各個(gè)軟件的模塊結(jié)構(gòu)和相互間的時(shí)序進(jìn)行有效配合，以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的要求。二、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程圖軟件系統(tǒng)分為各個(gè)模塊的子程序[22]。LED顯示子程序：輸入和輸出電壓顯示；輸出控制子程序：檢測(cè)和調(diào)整輸出值；過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)子程序。先初始化89C51、MAX525、MAX7219芯片各端口[23]，開(kāi)中斷響應(yīng)鍵盤輸入，LED顯示和D/A和A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。若有過(guò)壓或過(guò)流情況發(fā)生，啟動(dòng)過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)子程序[24]，軟件流程如圖4.1所示。29單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)開(kāi)始輸出電壓及步長(zhǎng)值給定PID調(diào)節(jié)

輸出顯示

輸入顯示NOD/A輸出TL494

報(bào)警YES顯示

過(guò)壓過(guò)流判斷高壓發(fā)生電路

圖4.1

軟件流程圖

A/D采樣三、PID算法比例，積分，微分的線性組合，構(gòu)成控制量u(t)，稱為：比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，簡(jiǎn)稱PID控制。PID控制算法是應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的一種控制技術(shù)，已經(jīng)在模擬控制逆變電源系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。然而，由于采樣和計(jì)算延遲等因素的影響，數(shù)字PID控制直接應(yīng)用到電源控制系統(tǒng)中，存在穩(wěn)定性差以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠快等缺點(diǎn)。PID控制器是一種線性控制器。算法蘊(yùn)含了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的主要信息。其中，比例（P）代表了當(dāng)前的信息[25]，起校正動(dòng)態(tài)偏差的作用，使過(guò)程反應(yīng)迅速。積分（I）代表了過(guò)去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。微分（D）在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表了將來(lái)的信息，反映了誤差變化率，在過(guò)程開(kāi)始時(shí)強(qiáng)迫過(guò)程加速進(jìn)行，過(guò)程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。（一）控制器公式在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，構(gòu)成比例(P)控制器：u(t)=Kpe(t)

30

（4.1）單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)比例+積分(PI)控制器：u(t)=Kp[e(t)+

1TI

t∫0e(?)d?]

（4.2）比例+積分+微分(PID)控制器：u(t)=Kp[e(t)+

1TI

t∫0

e(?)d?+Td

de(t)dt

]

（4.3）式中Kp-比例放大系數(shù)；KI-積分時(shí)間；Td-微分時(shí)間。或：

tu(t)=Kpe(t)+KI∫e(?)d?+Kd0

de(t)dt

（4.4）式中Kp-比例放大系數(shù)；KI-積分時(shí)間；Kd-微分系數(shù)。我們采用的是比例+積分+微分(PID)控制器。（二）參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小[26]。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：1、首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；31單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)2、僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；3、在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。（三）程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖4.2所示[27]：圖4.2

程序流程圖四、本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。文中給出了系統(tǒng)軟件總體思路、各軟件模塊流程圖，并分析了PID算法。32單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)第五章試驗(yàn)調(diào)試與分析對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以便驗(yàn)證電源設(shè)計(jì)的合理性。我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了程序測(cè)試和開(kāi)閉環(huán)的測(cè)試，并分析了電源的電流與電壓輸出關(guān)系。一、程序測(cè)試首先對(duì)系統(tǒng)的軟件程序進(jìn)行檢查，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試是指對(duì)程序的語(yǔ)法規(guī)則和邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，在確定其無(wú)誤后，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。假設(shè)幾個(gè)模擬數(shù)據(jù)去試運(yùn)行，經(jīng)過(guò)串口調(diào)試后把輸出結(jié)果與手工處理的正確結(jié)果相比較。如有差異，就表明計(jì)算機(jī)的程序存在有邏輯錯(cuò)誤，返回改正。如果無(wú)誤，通過(guò)Keil軟件將程序輸入單片機(jī)。二、開(kāi)環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)測(cè)試的方式是斷開(kāi)單片機(jī)的采樣線，直接由低壓直流電源向單片機(jī)的采樣端供電，通過(guò)改變對(duì)采樣端的供電來(lái)改變電源的電壓輸出，計(jì)算輸出值與低壓供電值的關(guān)系來(lái)觀察電源是否運(yùn)行良好。開(kāi)環(huán)測(cè)試的目的是為了檢查軟件的程序運(yùn)行是否良好以及電路的正確性。測(cè)試TL494的觸發(fā)脈沖和開(kāi)關(guān)管漏極電壓波形如圖5.1所示[28]：Ub

UC（a）

t

（b）

t圖5.1

TL494的觸發(fā)脈沖和開(kāi)關(guān)管漏極電壓波形(a)觸發(fā)脈沖

（b）漏極電壓波形由TL494的輸出波形知道它的振蕩頻率為20kHz，且占空比可調(diào)。在系統(tǒng)的供電瞬間我們觀察到TL494的脈寬是逐漸變化的，驗(yàn)證了軟啟動(dòng)的設(shè)計(jì)。二、閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的閉環(huán)測(cè)試主要是為了測(cè)試系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)部分。對(duì)系統(tǒng)的可調(diào)性、穩(wěn)壓性進(jìn)行檢查。檢測(cè)方法為：記錄下鍵盤的輸入值、顯示值，并用電壓表測(cè)量出采樣電阻兩端的實(shí)際電壓。表5.1是鍵盤輸入值、顯示值、電源實(shí)際輸出值的關(guān)33單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)系：表5.1

鍵盤輸入值、顯示值、電源實(shí)際輸出值的關(guān)系鍵盤輸入值(kV)

顯示值(kV)

輸出值(kV)12345

615203240

5.95~6.0414.89~15.0318.98~20.0631.89~32.0839.95~40.09

5.83~6.0114.86~14.9818.87~20.0231.87~31.9939.93~40.05由表5.1我們可以看出，鍵盤輸入值與電壓實(shí)際輸出值差別不大，電壓穩(wěn)定性為0.1%，證明電源的控制系統(tǒng)達(dá)到要求，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。三、性能測(cè)試測(cè)量電阻由12支100M?的高壓電阻串聯(lián)而成，負(fù)載電阻由6支100M?的高壓電阻串聯(lián)而成。對(duì)電流與電壓輸出關(guān)系進(jìn)行了測(cè)試和分析。測(cè)量電阻為120M?下的電壓和電流的輸出特性見(jiàn)表5.2和圖5.2：表5.2

測(cè)量結(jié)果輸入電壓（V）輸入電流(A)

輸出電壓(KV)

輸出電流(?A)

效率（%）123456

132128.53541.548

0.1330.2130.2990.3750.4510.528

243648607284

56.2587120150180210

78.17067.568.67069.634單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)圖5.2電壓紋波系數(shù)由式2.4得：

輸出特性S=

3

3?(3+1)

=0.03%

（5.1）由正常負(fù)載下的電壓和電流的關(guān)系可知，電源實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)；輸出電流0~3mA；穩(wěn)定性0.1%；波紋系數(shù)<0.1%；效率>65%等要求。四、本章小結(jié)本節(jié)給出的實(shí)驗(yàn)波形與數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了電源設(shè)計(jì)的正確性，單片機(jī)的控制、穩(wěn)壓和保護(hù)功能運(yùn)行良好穩(wěn)定。本文設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源具有通用性強(qiáng)、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良等特點(diǎn)，具有較好的實(shí)際開(kāi)發(fā)意義。354?204?20?10?2000?10?12?250?106單片機(jī)控制的高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)第六章輔助電源介紹高壓電源在工作時(shí)需要一種大范圍可調(diào)的低壓電源。我們采用可控硅調(diào)壓原理。由市網(wǎng)直接供電，經(jīng)整流輸出獲得了連續(xù)調(diào)節(jié)范圍近200V的低壓電源。一、電路原理圖6.1

輔助電源電路原理圖電路原理如圖6.1所示。該電路可分為兩部分，一部分為供電電路，另一部分為控制電路。供電電路由濾波、整流、過(guò)零取樣、浪涌保護(hù)及可控硅元件組成。控制部分主要是由NE555組成的單穩(wěn)電路[29]。它給可控硅提供一個(gè)相位可調(diào)的控制脈沖信號(hào)，通過(guò)改變可控硅控制極脈沖信號(hào)的相位，調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角從而調(diào)節(jié)了輸出電壓的大小。二、干擾脈沖抑制在電路調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)市網(wǎng)電壓中常有些浪涌干擾脈沖出現(xiàn)，為了使電源能安全可靠地工作，我們采用了瞬變電壓抑制器—TVP（TRANSIENTVOLTAGESUPPERSSOR）作為保護(hù)器件[30]。它的外形及電路符號(hào)和普通二極管無(wú)異，但卻能“吸收”高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。該器件的主要特點(diǎn)是：在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)大脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過(guò)，同時(shí)把電壓箝制在預(yù)定