目錄第一章 緒論11.1 系統(tǒng)背景11.1.1 綠色節(jié)能型開關(guān)電源11.1.2 智能化數(shù)字電源11.1.3 可編程開關(guān)電源21.2 電源技術(shù)的發(fā)展與方向21.2.1 線性電源和開關(guān)電源21.2.2 電源技術(shù)的發(fā)展方向31.2.3 開關(guān)電源的市場(chǎng)前景和研究現(xiàn)狀4第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)52.1 方案論證52.1.1 DC-DC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)52.1.2 控制方法及實(shí)現(xiàn)方案62.2 主體思路62.3 軟件設(shè)計(jì)思路82.3.1軟件系統(tǒng)的邏輯控制92.3.2軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)92.4軟件設(shè)計(jì)部分概述92.4.1 程序設(shè)計(jì)方法102.4.2 軟件設(shè)計(jì)步驟10第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)113.1 隔離式高頻開關(guān)電源113.2 輸入電路設(shè)計(jì)123.2.1 電壓整流技術(shù)123.2.2 輸入濾波電容123.2.3 輸入浪涌保護(hù)器件133.2.4 輸入尖峰電壓保護(hù)143.3 功率變換電路設(shè)計(jì)143.3.1 隔離全橋推挽變換電路143.3.2 推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)的計(jì)算163.3.3磁芯的選擇193.3.4計(jì)算脈沖信號(hào)的最大占空比D193.3.5計(jì)算一次繞組的電感量L203.3.6確定一次繞組的匝數(shù)N203.3.7確定自饋繞組N和二次繞組的匝數(shù)203.3.8計(jì)算空氣隙213.3.9設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)213.4 功率管MOSFET及其驅(qū)動(dòng)213.4.1 功率管MOSFET213.4.2 驅(qū)動(dòng)電路233.4.3 死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)273.5 輸出電路設(shè)計(jì)283.5.1 PWM濾波電路設(shè)計(jì)283.5.2 檢測(cè)保護(hù)電路設(shè)計(jì)303.6 PWM控制電路313.6.1 TL494的結(jié)構(gòu)和性能313.6.2 輸出電壓直接分壓作為誤差放大器的輸入343.7 單片機(jī)控制模塊353.7.1 C8051F350系列單片機(jī)特點(diǎn)353.7.3 STC12C5616AD特點(diǎn)373.7.4 STC12C5616AD應(yīng)用373.7.6 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431393.7.7 單片機(jī)雙機(jī)串行通信403.8 人機(jī)交換模塊413.8.1編碼電位器輸入模塊413.8.2 LED顯示器的顯示方式423.8.3 數(shù)碼管顯示電路原理423.8.3 74HC595芯片性能42第五章 系統(tǒng)調(diào)試434.1 系統(tǒng)調(diào)試434.1.1 系統(tǒng)調(diào)試的一般步驟44第六章 總結(jié)與建議46結(jié)束語(yǔ)47致謝49附錄1部分程序代碼50附錄2硬件附圖57第一章 緒論1.1 系統(tǒng)背景開關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。1955年發(fā)明的自激推挽式晶體管單變壓器直流變換器，率先實(shí)現(xiàn)了高頻轉(zhuǎn)換控制功能；1957年發(fā)明的自激推挽式雙變壓器，1964提出的無工頻變壓器式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，有力地推動(dòng)了開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)步。1977年脈寬調(diào)制（PWM）控制器集成電路的問世，1994年單片開關(guān)電源的問世，為開關(guān)電源的推廣和普及創(chuàng)造了條件。與此同時(shí)，開關(guān)電源的頻率也從最初的20KHz提高到幾千赫茲至幾兆赫茲。目前，開關(guān)電源正朝高效節(jié)能，安全環(huán)保、短、小、輕、薄的方向發(fā)展。各種新技術(shù)、新工藝和新器件如雨后春筍，不斷問世，開關(guān)電源的應(yīng)用也日益普及。1.1.1 綠色節(jié)能型開關(guān)電源 目前，國(guó)外許多著名的IC廠家都在大力開發(fā)低功耗，節(jié)能型開關(guān)電源集成電路。例如，美國(guó)PI公司采用EcoSmart節(jié)能技術(shù)，開發(fā)的TOPSwitch-GX等系列的單片開關(guān)電源。PI公司最近宣布，由于使用該公司EcoSmar技術(shù)的單片開關(guān)電源IC，可為全球消費(fèi)者節(jié)約大約20億美元大的電費(fèi)。荷蘭Philips公司推出的TEA1520等系列的綠色芯片，都將高效節(jié)能放在重要位置。與此同時(shí)，綠色節(jié)能電源的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也被普遍采用。例如，美國(guó)早在1992年就制定了“能源之星”計(jì)劃，以降低開關(guān)電源的空載功耗。美國(guó)加州能源委員會(huì)（CEC）制定的強(qiáng)制性節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)已從2006年7月1日開始執(zhí)行，它要求電子產(chǎn)品必須大幅降低待機(jī)功耗和空載功耗。1.1.2 智能化數(shù)字電源21世紀(jì)初問世的智能數(shù)字電源系統(tǒng)以其優(yōu)良特性和完備的監(jiān)控功能，越來越引起人們的關(guān)注。數(shù)字電源提供了智能化的適應(yīng)性與靈活性，具備直接監(jiān)控，處理并適應(yīng)系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復(fù)雜的電源要求。此外，數(shù)字電源還可以通過遠(yuǎn)程診斷來確保系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性，包括故障管理，過電流保護(hù)以及避免停機(jī)等。數(shù)字電源的推廣，為實(shí)現(xiàn)智能化電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有力條件。數(shù)字電源的特點(diǎn)有下面幾點(diǎn)。它是以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器（MCU）為核心，采用“整合數(shù)字電源”技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源中模擬組件與數(shù)字組件的優(yōu)化組合。能充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢(shì)，使所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù)指標(biāo)。便于構(gòu)成分布式數(shù)字電源系統(tǒng)。1.1.3 可編程開關(guān)電源可調(diào)式開關(guān)電源都是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻值來改變穩(wěn)壓器輸出電壓的，不僅調(diào)節(jié)精度低，而且使用不夠方便，數(shù)字電位器（Digital Potentiometer）亦稱數(shù)控電阻器（Digitally Controlled Potentiometer），可簡(jiǎn)稱為DCP。利用數(shù)字電位器代替可調(diào)電阻，可構(gòu)成由計(jì)算機(jī)控制的可編程開關(guān)電源。1.2 電源技術(shù)的發(fā)展與方向1.2.1 線性電源和開關(guān)電源線性穩(wěn)定電源，其特點(diǎn)是:它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來穩(wěn)定輸出，穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。線性電源的主要問題在于：輸出精度低、效率低、散熱問題大以及很難在一個(gè)通用的輸入電壓范圍內(nèi)工作，但最主要的缺陷還是在體積和重量上。通過輸入調(diào)整器可以使輸出精度增加，但這更增加功率消耗，并使效率更低。線性電源要達(dá)到50%的效率就不容易了，這些白白消耗掉的功率還帶來散熱問題。如果要使線性電源在一個(gè)通用輸入電壓范圍(85V265VAC)工作，會(huì)導(dǎo)致線性電源的效率更低。開關(guān)電源就是開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，它的電路形式要有單端反激式、單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它的變壓器不工作在工頻上，而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲頻率上。功率開關(guān)管工作在飽和區(qū)截止區(qū)，即工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)電源因此而得名。開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠。多年來，由于技術(shù)上的障礙(高壓，大功率)，開關(guān)電源集成電路在集成化上一直因一種電流模式PWM開關(guān)電源控制器的設(shè)計(jì)得不到很大的進(jìn)步。但是最近這幾年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，能將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的問世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。因此目前可以通過集成復(fù)雜的功能電路來進(jìn)一步提高開關(guān)電源的性能和安全性，這包括熱保護(hù)電路、限流電路、過/欠壓保護(hù)電路等。通過上面的分析我們可以看到，與線性電源相比，開關(guān)電源輸出精度高，轉(zhuǎn)換效率高，性能可靠。除此之外，開關(guān)電源最大的優(yōu)勢(shì)還在于能夠大幅縮小變壓器的體積和重量，這是因?yàn)殚_關(guān)電源的變壓器工作于50KHz到1MHz的高頻條件下，而不是像線性電源中的那樣工作于50Hz的低頻狀態(tài)，因此縮小了變壓器的體積和重量，而這也就縮小了整個(gè)電子系統(tǒng)的體積和重量。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。如果把工作頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍，用電設(shè)備的體積重量可以下降至工頻設(shè)計(jì)的5-10%，其主要材料可節(jié)約90%或更高。一般說來，開關(guān)電源的重量是線性電源的1/4，相應(yīng)的體積大概是線性電源的1/3。因此，開關(guān)電源代替線性電源是大勢(shì)所趨1。1.2.2 電源技術(shù)的發(fā)展方向開關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化、小型、薄型、輕運(yùn)化。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國(guó)外目前都在致力于同步開發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時(shí)采用SMT技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。 （1）高效電源管理從以前的線性設(shè)計(jì)到當(dāng)今的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，是高效電源發(fā)展的一種集中體現(xiàn)。各國(guó)積極倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保而紛紛制定的高效電源規(guī)范，也是推動(dòng)高效節(jié)能電源、低待機(jī)能耗產(chǎn)品應(yīng)用的主要?jiǎng)恿ΑＳ绕涫俏磥碓絹碓蕉嗟闹袊?guó)產(chǎn)品將出口到國(guó)外，需要滿足歐美等國(guó)的電源標(biāo)準(zhǔn)，這將促進(jìn)中國(guó)企業(yè)對(duì)高效電源的需求。對(duì)于便攜式電源管理，效率尤為重要。 （2）低功耗隨著各種整機(jī)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)和社會(huì)對(duì)環(huán)保問題的日益重視，功耗問題逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)，電源管理和電源控制市場(chǎng)成為整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最為活躍的領(lǐng)域之一，降低電子產(chǎn)品功耗這一需求，將推動(dòng)電源管理器件市場(chǎng)的穩(wěn)步發(fā)展。 （3）智能化運(yùn)用電源管理程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)電控制也是非常有效而可行的方法，目前大多數(shù)筆記本，普遍采用這種智能節(jié)電管理技術(shù)，它是利用軟件的方法對(duì)各主要耗電部件的用電狀態(tài)控制，對(duì)暫不工作的部件減少甚至停止供電。 （4）高集成便攜式應(yīng)用的空間十分有限，這就迫使電源供應(yīng)商把更多功能集成到更小的封裝內(nèi)，或者把多路電壓轉(zhuǎn)換集成到單芯片封裝內(nèi)。在日益競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，提供高效整合體積的解決方案勢(shì)在必行，且應(yīng)以整體電源方案為用戶降低成本，提升效能與可靠度。 （5）多功能2005年，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)宣布推出一款可為先進(jìn)應(yīng)用及通信處理器提供供電的電源管理產(chǎn)品。它具有可編程的靈活性，可為采用ARM技術(shù)的應(yīng)用及通信處提供穩(wěn)定的供電。它的電源管理單元Flex PMU是一個(gè)單芯片的解決方案，設(shè)有一個(gè)在一起的供電區(qū)。1.2.3 開關(guān)電源的市場(chǎng)前景和研究現(xiàn)狀電源管理始終是模擬IC市場(chǎng)最亮的看點(diǎn)，占到整個(gè)模擬IC市場(chǎng)31.2%的份額。據(jù)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2008年全球電源管理芯片銷售額將上升至295億美元，2003年到2008年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為12.7%，功率模擬器件將持續(xù)強(qiáng)勁地增長(zhǎng)，PC、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3以及數(shù)字電視成為最主要的增長(zhǎng)市場(chǎng)。從應(yīng)用領(lǐng)域看，電源管理芯片市場(chǎng)的焦點(diǎn)集中在便攜式產(chǎn)品、消費(fèi)類電子、計(jì)算機(jī)、通訊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)工業(yè)設(shè)備、汽車電子對(duì)電源管理芯片的需求也呈上升趨勢(shì)，這些需求讓電源管理芯片市場(chǎng)倍添活力。由于人們?cè)谏詈凸ぷ髦械囊苿?dòng)性越來越強(qiáng)，對(duì)手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、MP3播放器等便攜式產(chǎn)品的需求將越來越大，預(yù)計(jì)2010年全球所有便攜式產(chǎn)品的出貨量將達(dá)到45億個(gè)，這些產(chǎn)品構(gòu)成了電源管理芯片巨大的需求市場(chǎng)。另外，由于便攜式產(chǎn)品中彩屏、音視頻、GPS等功能的日益多樣化，對(duì)電源管理芯片的要求也日益提高，如便攜式產(chǎn)品的空間十分有限，這就要求電源管理芯片廠商把更多的功能集成在更小封裝內(nèi)。我國(guó)于1974年研制成功了工作頻率10KHz，輸出電壓為5V的無工頻降壓型開關(guān)電源。近20多年來，我國(guó)的許多研究所、工廠及高等院校已研制出多種型號(hào)的工作頻率在20kHz左右，輸出功率在1000W以下的無工頻降壓型開關(guān)電源，并應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、電視等方面，取得了較好的效果。工作頻率為100KHz-200KHz的高頻開關(guān)于上世紀(jì)80年代初期己開始研制，90年代初就已研制成功，并逐漸走向?qū)嵱秒A段進(jìn)一步提高工作頻率。許多年來，雖然我國(guó)在開關(guān)電源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我國(guó)的開關(guān)電源技術(shù)與一些先進(jìn)的國(guó)家相比仍有較大的差距。第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 方案論證開關(guān)電源具有較快的發(fā)展，從而產(chǎn)生了不同的設(shè)計(jì)思路。開關(guān)電源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示，本設(shè)計(jì)通過對(duì)不同的方案的對(duì)比得出了最佳方案的設(shè)計(jì)。圖2.1 開關(guān)電源的一般框圖2.1.1 DC-DC主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案一：主回路采用非隔離推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖2.2所示），只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，且輸出電壓與輸入電壓不隔離，容易引起觸電事故。圖2.2 非隔離式DC-DC結(jié)構(gòu)方案二：主回路采用隔離推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖2.3所示），輸入與輸出電氣不相連，通過開關(guān)變壓器的磁偶合方式傳遞能量，適合實(shí)驗(yàn)室使用。本設(shè)計(jì)采用方案二。圖2.3 隔離式DC-DC結(jié)構(gòu)2.1.2 控制方法及實(shí)現(xiàn)方案方案一:采用脈沖頻率調(diào)制FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脈沖寬度，利用改變開關(guān)頻率的方法來調(diào)節(jié)占空比。輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍大，但要求濾波電路必須在寬頻帶下工作。方案二：采用脈沖寬度調(diào)制PWM（Pulse Wildth Modulation）的控制方式，其特征是固定開關(guān)的頻率，通過改變脈沖寬度改變占空比控制型效率高并具有良好的輸出電壓和噪聲。基于上述考濾及題目的具體要求，本設(shè)計(jì)選用PWM調(diào)制方式2。2.1.3 提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案針對(duì)提高效率的問題，使用了如下兩種方案。方案一：降低開關(guān)變壓器次級(jí)的輸出整流管VD2的損耗，進(jìn)而提高變換效率。可以選擇肖特基二極管，其正向傳輸損耗低，而且不存在反向恢復(fù)損耗。方案二：使斬波器斬波頻率與開關(guān)變壓器的頻率相匹配。改變控制器的開關(guān)頻率使得開關(guān)變壓器的磁損耗達(dá)到最小，以提高電源的轉(zhuǎn)換效率。2.2 主體思路采用C8051F350單片機(jī)和STC12C5616AD單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)基于控制PWM的不對(duì)稱半橋式功率變換器的數(shù)字控制， 實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓的設(shè)定和步進(jìn)的連續(xù)調(diào)整，最大輸出電流為5A。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓和輸出電流的顯示等功能。系統(tǒng)主要包括控制開關(guān)電源模擬電路部分和單片機(jī)組成的數(shù)控部分。系統(tǒng)框圖如圖2.4所示電網(wǎng)整流濾波變壓整流驅(qū)動(dòng)放大MOSFET斬波UARTPWM調(diào)制主機(jī)反饋檢測(cè)輸出保護(hù)輸出顯示從機(jī)A/D給定圖2.4系統(tǒng)總框圖輸入電路部分：首先由一個(gè)壓敏電阻對(duì)輸入的市電進(jìn)行尖峰電壓限幅，然后由一個(gè)扼流線圈對(duì)輸入浪涌電流進(jìn)行限流，再由全橋整流濾波電路將輸入電壓轉(zhuǎn)化成300V直流電壓。功率變換部分：本設(shè)計(jì)選用隔離式開關(guān)變壓器，隔離式開關(guān)電源都是用高頻變壓器作為主要隔離器件，并通過MOSFET功率管對(duì)300V直流電壓進(jìn)行PWM斬波，送入到高頻開關(guān)變壓器進(jìn)行功率的變換及傳送。驅(qū)動(dòng)電路部分：高壓側(cè)MOSFET選用IRFPF50，低壓側(cè)選用IRF540和IRF5305。MOSFET的工作需要有專用的驅(qū)動(dòng)電路，由MOSFET的各個(gè)參數(shù)算出選擇IR2110作為MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。IR2110是多通道，輸出電流為2A的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，其各個(gè)指標(biāo)都滿足本設(shè)計(jì)的要求。輸出電路部分：高頻開關(guān)變壓器變送過來的高頻脈動(dòng)電動(dòng)勢(shì)不能直接用于輸出，需要對(duì)功率PWM波進(jìn)行高頻整流濾波。由PWM控制器的輸出PWM的頻率可知，整流管的開關(guān)頻率必須大于500KHz。又由于輸出電流較大，整流管的壓降損耗嚴(yán)重，因此要選擇低導(dǎo)通壓降的快恢復(fù)二極管。經(jīng)過元器件的選型與比較，本設(shè)計(jì)選用MUR3060PT肖特基二極管。MUR3060PT肖特基二極管正向傳輸損耗低，而且不存在反向恢復(fù)損耗。PWM控制部分：由開關(guān)電源專用控制芯片TL494控制PWM的輸出，TL494的振蕩頻率由其5、6引腳的RC值決定，約為f=1.1/（RC）。振蕩器產(chǎn)生的鋸齒形振蕩波送到PWM 比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓送到PWM比較器的同相輸入端，通過PWM 比較器進(jìn)行比較，輸出一定寬度的脈沖波。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時(shí)，TL494 輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Ton ，達(dá)到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定輸出電壓的目的反饋檢測(cè)部分：輸出電壓經(jīng)過電壓采樣、電流采樣后送到TL494的反饋輸入端，從而達(dá)到控制脈沖寬度的調(diào)制。脈沖調(diào)寬電壓可由3 腳直接送入的電壓來控制，也可分別從兩個(gè)誤差放大器的輸入端送入，通過比較、放大，經(jīng)隔離二極管輸出到PWM 比較器的正相輸入端。兩個(gè)放大器可獨(dú)立使用，如分別用于反饋穩(wěn)壓和過流保護(hù)。信號(hào)給定部分：本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)單片機(jī)同時(shí)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作。其中C8051F350單片機(jī)主要是對(duì)功率電路的控制和對(duì)輸出電壓、電流的采樣反饋；STC12C5616AD單片機(jī)則對(duì)編碼電位器的輸入進(jìn)行解碼和數(shù)碼管的顯示。信號(hào)的給定則用PWM的方式進(jìn)行D/A輸出，對(duì)PWM進(jìn)行二階濾波后，信號(hào)的輸出電壓Uo=DU，其中U為PWM波形的高電平值。PWM選用16位計(jì)數(shù)方式，則D/A的分辨率為1/65535，此分辨率完全滿足了本設(shè)計(jì)的要求。兩個(gè)單片機(jī)之間的通信則選用單片自帶的UART，UART具有布線簡(jiǎn)單，編程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)自定義了一些通信協(xié)議。人機(jī)交換部分：電壓值的輸入由編碼電位器編碼輸入。編碼電位器與STC12C5616AD單片機(jī)相連，編碼電位器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的編碼，STC12C5616AD單片機(jī)對(duì)I/O口電平進(jìn)行定時(shí)采樣，以識(shí)別出編碼電位器的編碼，再由單片機(jī)按編碼電位器的編碼方法進(jìn)行解碼，從而獲得輸入的電壓值。顯示部分則由STC12C5616AD單片機(jī)將數(shù)據(jù)由I/O口按74HC595的讀寫時(shí)序串行輸出，74HC595將輸出的數(shù)據(jù)串-并譯碼后直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示3。2.3 軟件設(shè)計(jì)思路軟件設(shè)計(jì)完成的主要功能有三部分：設(shè)置輸出電壓；檢測(cè)輸出電壓；顯示輸出電壓。軟件流程說明：當(dāng)電源打開的時(shí)候，MCU進(jìn)行復(fù)位，寄存器清零。接著電源應(yīng)該顯示和輸出上次關(guān)機(jī)前的電壓大小，這時(shí)候MCU先讀取EEPROM中保存的電壓編號(hào)，根據(jù)電壓編號(hào)讀出對(duì)應(yīng)電壓，把該數(shù)據(jù)送到STC12C5616AD單片機(jī)，再轉(zhuǎn)換成BCD碼送到顯示部分。這時(shí)候程序循環(huán)檢測(cè)是否有旋鈕的旋轉(zhuǎn)，如果高位旋鈕被旋轉(zhuǎn)，電壓大小步進(jìn)變化，電壓數(shù)據(jù)加（減）1，相對(duì)應(yīng)輸出電壓（POWER-OUT引腳）以1V或者0.1V為單位改變大小，如果低位旋鈕被旋轉(zhuǎn)按下，當(dāng)前電壓數(shù)據(jù)加1，相對(duì)應(yīng)輸出電壓（POWER-OUT引腳）以0.001V或者0.01V為單位改變大小，保存設(shè)置電壓數(shù)據(jù)。保存該電壓編號(hào)，讀對(duì)應(yīng)電壓，并將電壓值送到STC12C5616AD單片機(jī)并且用數(shù)碼管顯示。2.3.1軟件系統(tǒng)的邏輯控制從本系統(tǒng)的硬件原理圖（見附錄）中可以分析出軟件系統(tǒng)的邏輯控制方式，其邏輯控制圖如圖2-5所示。軟件的設(shè)計(jì)就是對(duì)串口、顯示、編碼器、PWM、ADC這五個(gè)模塊的控制。STC12C5616ADC8051F350雙機(jī)通信輸入模塊顯示模塊A/D模塊PWM給定圖2.5系統(tǒng)軟件邏輯控制圖2.3.2軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)軟件系統(tǒng)的邏輯控制方式可以分析出軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，在主模塊的控制下，內(nèi)部處理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和用戶交互模塊共同完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示。主控模塊內(nèi)部處理模塊用戶交換界面數(shù)據(jù)采集模塊ADC轉(zhuǎn)換PWM給定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)顯示模塊串口通信模塊圖2.6 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.4軟件設(shè)計(jì)部分概述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選擇考慮到所要實(shí)現(xiàn)的功能較多，雖然匯編語(yǔ)言產(chǎn)生的目標(biāo)程序簡(jiǎn)短，占用存儲(chǔ)空間較小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，C語(yǔ)言編程會(huì)占用較大的存儲(chǔ)空間，而且C語(yǔ)言的實(shí)時(shí)性較差，但是C語(yǔ)言編程比較簡(jiǎn)單。本次設(shè)計(jì)利用C語(yǔ)言作為主程序，分別調(diào)用了AD轉(zhuǎn)換子程序，PWM子程序，編碼器中斷子程序，串口中斷子程序，數(shù)碼管LED顯示子程序。2.4.1 程序設(shè)計(jì)方法（1）結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)：是給程序施加一定的約束，它限定采用規(guī)定的結(jié)構(gòu)類型和操作順序。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)規(guī)定任何程序序列必須由直線順序結(jié)構(gòu)，條件結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)基本形式組成。但它只考慮操作的順序而不考慮數(shù)據(jù)因此不適合數(shù)據(jù)處理。（2）自頂向下的程序設(shè)計(jì)：這種設(shè)計(jì)方法是先從系統(tǒng)一級(jí)的管理程序開始設(shè)計(jì)，從屬的程序或子程序用一些程序符號(hào)來代替。當(dāng)系統(tǒng)一級(jí)的程序編寫后，在將各個(gè)標(biāo)志擴(kuò)展成從屬程序或子程序，最后完成整個(gè)系統(tǒng)程序。（3）模塊化程序設(shè)計(jì)：模塊實(shí)質(zhì)就是具有一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段。模塊能夠獨(dú)立地完成一定功能，能獨(dú)立設(shè)計(jì)、查錯(cuò)、調(diào)試、修改與維護(hù)。模塊化程序設(shè)計(jì)是把整個(gè)系統(tǒng)按照一定規(guī)則劃分成若干個(gè)模塊，并且對(duì)劃分的模塊可進(jìn)一步詳細(xì)劃分，直到最下層的每個(gè)模塊能相對(duì)獨(dú)立且容易編程為止。本次設(shè)計(jì)就是采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，基于這種思想，縮短了程序開發(fā)的周期。2.4.2 軟件設(shè)計(jì)步驟（1）系統(tǒng)定義：就是清楚地列出系統(tǒng)的各個(gè)部分與軟件設(shè)計(jì)有關(guān)的特點(diǎn)，并進(jìn)行定義，以作為軟件設(shè)計(jì)的依據(jù)，系統(tǒng)定義是對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的描述。（2）程序設(shè)計(jì)：程序設(shè)計(jì)是制定程序的綱要，也就是將系統(tǒng)定義的問題用程序的方式進(jìn)行描述、繪制流程圖，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)、模塊化程序設(shè)計(jì)和自頂向下設(shè)計(jì)等，都是此步驟的有效方法。（3）文件編制：文件編制是用流程圖、注釋、存儲(chǔ)器分配說明等方法來描述程序來形成文件，以便用戶和操作人員了解。文件編制的好壞，直接影響到程序的使用、維護(hù)和擴(kuò)充。（4）維護(hù)和再設(shè)計(jì)：當(dāng)軟件投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，一方面可能會(huì)發(fā)生各種現(xiàn)場(chǎng)問題，因而需要進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行改造和完善；另一方面，用戶往往會(huì)由于環(huán)境或技術(shù)條件的變化，提出比原計(jì)劃更多的要求，因而需要對(duì)原系統(tǒng)軟件進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)充，然后再重新固化，以適應(yīng)情況變化的要求。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 隔離式高頻開關(guān)電源隔離式開關(guān)電源的變換器具有多種形式。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等。在設(shè)計(jì)電源時(shí)，設(shè)計(jì)者采取哪種變換器電路形式，主要根據(jù)成本、要達(dá)到的性能指標(biāo)等因素來決定。各種形式的電源電路的基本功能塊是相同的，只是完成這些功能的技術(shù)手段有所不同。隔離式高頻開關(guān)電源電路的共同特點(diǎn)就是具有高頻變壓器，直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞組的脈沖電壓整流濾波而來。開關(guān)電源的基本功能框圖如圖3.1所示。圖3.1 開關(guān)電源的基本功能框圖圖3.1中，交流線路電壓無論是來自電網(wǎng)的，還是經(jīng)過變壓器降壓的，首先要經(jīng)過整流、濾波電路變成含有一定脈動(dòng)電壓成分的直流電壓，然后進(jìn)入高頻變換部分。高頻變換部分的核心是有一個(gè)高頻功率開關(guān)元件，比如開關(guān)晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)等元件，高頻變換部分產(chǎn)生高頻(20kHz以上)高壓方波，所得到的高壓方波送給高頻隔離降壓變壓器的初級(jí)，在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出的電壓被整流、濾波后就產(chǎn)生了低壓直流電壓。為了調(diào)節(jié)輸出電壓，使得在輸入交流和輸出負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓能保持穩(wěn)定，在這里采用一個(gè)叫做脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的電路，通過對(duì)輸出電壓采樣，并把采樣的結(jié)果反饋給控制電路，控制電路把它與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制高頻功率開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例(占空比)，達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的4。在方波的上升沿和下降沿，有很多高次諧波，如果這些高次諧波反饋到輸入交流線，就會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，在交流輸入端，必須要設(shè)置無線頻率干擾(RFl)濾波器，把高頻干擾減少到可接收的范圍。此外，為了使整個(gè)電路安全可靠地工作，還要設(shè)計(jì)輔助電路，主要包括過壓、過流保護(hù)電路等。3.2 輸入電路設(shè)計(jì)前面已經(jīng)提到，隔離式開關(guān)電源是直接對(duì)輸入的交流電壓進(jìn)行整流，而不需要低頻線性隔離變壓器?，F(xiàn)代的電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國(guó)際市場(chǎng)的需求，所以他們所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源必須要適應(yīng)世界范圍的交流輸入電壓，通常是180-260v的范圍。220V市電經(jīng)整流橋整流以后，變?yōu)榧s300V的。如圖3.2所示。圖3.2 輸入電路原理圖3.2.1 電壓整流技術(shù)在前面已經(jīng)提到，隔離式開關(guān)電源是直接對(duì)輸入的交流電壓進(jìn)行整流，而不需要低頻線性隔離變壓器。現(xiàn)代的電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國(guó)際市場(chǎng)的需求，所以他們所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源必須要適應(yīng)世界范圍的交流輸入電壓，通常是180-260v的范圍。220V市電經(jīng)整流橋整流以后，變?yōu)榧s300V的脈動(dòng)電壓，再由濾波電容平滑濾波后，得到較為平直的300V直流電壓，以給開關(guān)變壓器供電。3.2.2 輸入濾波電容在交流輸入電壓最低時(shí)，整流濾波后的直流電壓的脈動(dòng)值Vpp是最低輸入交流電壓峰值的20%-25%。設(shè)輸入交流電壓的變化范圍為Vline(min) Vline(max)，頻率f=40khz。相電壓有效值：Vline(min) Vline(max)：220V*（15%20%）=176253V相電壓峰值：Vline(min) Vline(max)：249358V 整流濾波后直流電壓的最大脈動(dòng)值：Vpp=Vline(min)*（20%25%）=50V（單相） 整流濾波后的直流電壓Vin:（Vline(min)-Vpp）Vline(max)為了保證整流濾波后的直流電壓最小值Vin(min)符合要求，每個(gè)周期中Cin所提供的能量約為：Win=15.7(焦耳)每個(gè)半周期輸入濾波電容所提供的能量為： =Cin(Vline(min)2-Vin(min)2 （3-1）因此輸入濾波電容容量為：Cin=Win/(Vline(min)2-Vin(min)2)=713F （3-2）上式中，變壓器轉(zhuǎn)換率=70%，由于我們提供的是單相輸入則：A=1，頻率f=40KHZ。3.2.3 輸入浪涌保護(hù)器件隔離式開關(guān)電源在加電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極高的浪涌電流。所以必須在電源的輸入端采取一些限流措施，才能有效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的，在開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間，電容對(duì)交流呈現(xiàn)出很低的阻抗，一般情況下，只是電容的E5R值。如果不采取任何保護(hù)措施，浪涌電流可接近幾百安培。通常廣泛采用的措施有兩種，一種方法是利用電阻一雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；另一種方法是采用負(fù)溫度系數(shù)(NTc)的熱敏電阻。用以增加對(duì)交流線路的阻抗，把浪捅電流減小到安全值。本設(shè)計(jì)采用負(fù)溫度系數(shù)(NTc)的熱敏電阻5。熱敏電阻技術(shù)：這種方法是把NTc(負(fù)溫度系數(shù))的熱敏電阻串聯(lián)在交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過橋式整流后的直流線上。RTl和RTz與NTc熱敏電阻的電阻溫度特性和溫度系數(shù)的關(guān)系如圖3.3所示圖3.3 熱敏電阻的溫度系數(shù)圖3.3中，是熱敏電阻的溫度系數(shù)，用每度百分比(c)表示。當(dāng)開關(guān)電源接通時(shí)，熱敏電阻的阻值基本上是電阻的標(biāo)稱值。這樣，由于阻值較大，它就限制了浪涌電流。當(dāng)電容開始充電時(shí)，充電電流流過熱敏電阻，開始對(duì)其加熱。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著電阻的加熱，其電阻值開始下降，如果熱敏電阻選擇得合適，在負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其阻值應(yīng)該是最小。這樣，就不會(huì)影響整個(gè)開關(guān)電源的效率。3.2.4 輸入尖峰電壓保護(hù)在一般情況下，交流電網(wǎng)上的電壓為220v左右，但有時(shí)也會(huì)有高壓的尖峰出現(xiàn)。比如電網(wǎng)附近有電感性開關(guān)，暴風(fēng)雨天氣時(shí)的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高尖峰的因素。受嚴(yán)重的雷電影響，電網(wǎng)上的高壓尖峰可達(dá)5kv。另一方面，電感性開關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰的能量滿足下面的公式： （3-3）式3-3中L是電感器的漏感，I是通過線圈的電流。由此可見，雖然電壓尖峰持續(xù)的時(shí)間很短，但是它確有足夠的能量使開關(guān)電源的輸入濾波器、開關(guān)晶體管等造成致命的損壞，所以必須要采取措施加以避免 6。用在這種環(huán)境中最通用的抑制干擾器件是金局氧化物壓敏電阻(MOV)瞬態(tài)電壓抑制器。當(dāng)高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時(shí)，它的阻抗急劇減小到一個(gè)低值，消除了尖峰電壓使輸入電壓達(dá)到安全值。瞬間的能量消耗在壓敏電阻上，在選擇壓敏電阻時(shí)應(yīng)按下述步驟進(jìn)行。（1）選擇壓敏電阻的電壓額定值，應(yīng)該比最大的電路電壓穩(wěn)定值大10-20；（2）計(jì)算或估計(jì)出電路所要承受的最大瞬間能量的焦?fàn)枖?shù)；（3）查明器件所需要承受的最大尖峰電流。上述幾步完成后，就可以根據(jù)壓敏電阻參數(shù)資料選擇合適的壓敏電阻器件。3.3 功率變換電路設(shè)計(jì)3.3.1 隔離全橋推挽變換電路一般情況下，隔離式開關(guān)電源都是用高頻變壓器作為主要隔離器件。在電路中，它是以變壓器的形式出現(xiàn)的，但實(shí)際上它起的作用是扼流圈。典型的全橋推挽式隔離變換器電路結(jié)構(gòu)如圖3.4所示圖3.4 典型的全橋推挽式隔離變換器電路結(jié)構(gòu)圖3.4是輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源電路。在全波整流輸出的LC儲(chǔ)能濾波電路中可以省去一個(gè)續(xù)流二極管，因?yàn)橛糜谌ㄕ鞯膬蓚€(gè)二極管可以輪流充當(dāng)續(xù)流二極管的作用。雙激式開關(guān)電源比單激式開關(guān)電源，具有輸出功率大、電壓紋波小、電壓輸出特性好等優(yōu)點(diǎn)，如圖3.5所示：圖3.5 推挽式開關(guān)變壓器電源各主要工作點(diǎn)的電壓、電流波形圖3.5a）表示控制開關(guān)K1接通時(shí)，變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓波形。圖3.5b）表示控制開關(guān)K2接通時(shí)，變壓器初級(jí)線圈N2繞組兩端的電壓波形。圖3.5c）表示控制開關(guān)K1和K2輪流接通時(shí)，變壓器N3繞組兩端電壓Uo的波形。圖3.5d）表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)全波整流后的電壓波形。圖3.5c）中，Up、Up -分別表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓Uo的正最大值（半波平均值）和負(fù)最大值（半波平均值），Up、Up -分別表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端反激輸出電壓的正最大值（半波平均值）和負(fù)最大值（半波平均值）。圖3.5d）中，實(shí)線波形對(duì)應(yīng)控制開關(guān)K1接通時(shí)，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)橋式或全波整流后的波形；虛線波形對(duì)應(yīng)控制開關(guān)K2接通時(shí)，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組兩端輸出電壓經(jīng)橋式或全波整流后的波形。Ua表示整流輸出電壓的平均值。圖3.5d）中，僅用儲(chǔ)能電容對(duì)整流輸出電壓進(jìn)行濾波，是很難從脈動(dòng)直流中取出輸出電壓的平均值的，必須同時(shí)使用儲(chǔ)能濾波電感才能取出輸出電壓的平均值。根據(jù)圖3.4和圖3.5，把整流輸出電壓Uo和LC濾波電路的電壓Uc、電流iL整定，以便用來計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容的參數(shù)。 （3-4）或 （3-5）同時(shí)可以求得輸出電壓Uo為： （3-6）3.3.2 推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)的計(jì)算在圖3.4中，當(dāng)控制開關(guān)K1接通時(shí)，輸入電壓Ui通過控制開關(guān)K1加到開關(guān)變壓器線圈N1繞組的兩端，在控制開關(guān)K1接通Ton期間，開關(guān)變壓器線圈N3繞組輸出一個(gè)幅度為Up（半波平均值）的正激電壓uo，然后加到儲(chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容C組成的濾波電路上，在此期間儲(chǔ)能濾波電感L兩端的電壓eL為： （3-7）式3-4中：Ui為輸入電壓，Uo為直流輸出電壓，即：Uo為濾波電容兩端電壓uc的平均值。在此說明：由于電容兩端的電壓變化增量U相對(duì)于輸出電壓Uo來說非常小，為了簡(jiǎn)單，我們這里把Uo當(dāng)成常量來處理。 對(duì)式進(jìn)行積分得： （3-8）式中i（0）為初始電流（t = 0時(shí)刻流過電感L的電流），即：控制開關(guān)K1剛接通瞬間，流過電感L的電流，或稱流過電感L的初始電流。從圖3.5中可以看出i（0）= Ix。當(dāng)控制開關(guān)K由接通期間Ton突然轉(zhuǎn)換到關(guān)斷期間Toff的瞬間，流過電感L的電流iL達(dá)到最大值： （3-9）從圖3.5可以看出，即： （3-10）根據(jù)3-9式，3-10式還可進(jìn)一步求得： （3-11）該式就是計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的表達(dá)式。式中，Uo為推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓，Ui為推挽式變壓器開關(guān)電源輸入電壓，Up為推挽式變壓器開關(guān)電源開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組的正激輸出電壓，Up-為推挽式變壓器開關(guān)電源開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3繞組的反激輸出電壓，n為開關(guān)電源次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。根據(jù)上面分析結(jié)果，式3-9可以寫為： （3-12）或 （3-13）由式3-9可知，當(dāng)控制開關(guān)K1、K2的占空比均為0.5時(shí)，Upa與Upa-基本相等，由此我們也可以認(rèn)為Up與Up-基本相等。由于，當(dāng)控制開關(guān)K1、K2的占空比均為0.5時(shí)，式3-12和式3-13的計(jì)算結(jié)果為0。因此，當(dāng)控制開關(guān)K1、K2的占空比均為0.5時(shí)，推挽式變壓器開關(guān)電源經(jīng)整流后輸出的電壓波形基本上是純直流，沒有交流成分，輸出電壓Uo等于最大值Up，因此，可以不需要儲(chǔ)能電感濾波。但是，如果要求輸出電壓可調(diào)，推挽式變壓器開關(guān)電源的兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2的占空比必須要小于0.5；因?yàn)橥仆焓阶儔浩鏖_關(guān)電源正反激兩種狀態(tài)都有電壓輸出，所以在同樣輸出電壓（平均值）的情況下，兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2的占空比相當(dāng)于要小一倍。由此可知，當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時(shí)，占空比最好取值為0.25。當(dāng)兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2的占空比取值均為0.25時(shí)，Upa = 3Upa-，由此也可以認(rèn)為Up等于3Up-。把上面已知條件代入3-13式，可求得： （3-14）或 （3-15）同時(shí)可以求得輸出電壓Uo為： （3-16）(3-14）、（3-15）、（3-16）式就是計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)式（D為0.25時(shí)）。式中Uo為推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓，Ui為推挽式變壓器開關(guān)電源輸入電壓，T為控制開關(guān)的工作周期，F(xiàn)為控制開關(guān)的工作頻率，n為開關(guān)電源次級(jí)線圈N3繞組與初級(jí)線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。同理，（3-14）、（3-15）、（3-16）式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感L的中間值，或平均值，對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。交流電源經(jīng)過整流橋D1和電容C4整流和濾波后，產(chǎn)生直流高壓U1 給高頻變壓器一次繞組供電。D4和D7能將漏感產(chǎn)生的尖峰電壓鉗位到安全值，并能衰減振鈴電壓。D4采用反向擊穿電壓為200V的瞬態(tài)電壓抑制器P6KE200，D7選用1A/1000V的超快恢復(fù)二極管IN4007。二次繞組電壓能過D6、C13、L1低通扼流圈、C14、C15整流濾波，獲得5V輸出電壓。5V電壓值是由TL431提供穩(wěn)定電壓，R6和R7能設(shè)定輸出電壓值，并能為輸出提供一個(gè)假負(fù)載，用以提高輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率。3.3V電壓是經(jīng)5V穩(wěn)壓后得到的。由R4和IC1來調(diào)節(jié)控制端電流，通過改變輸出占空比達(dá)到穩(wěn)壓目的。共模扼流圈T2能減小由一次繞組接D端的高壓開關(guān)波形所產(chǎn)生的共模泄漏電流。C12為保護(hù)電容，用于濾掉由一次、二次繞組耦合電容引起的干攏。C16不僅能濾除加在控制端上的尖峰電流，而且決定了自啟動(dòng)頻率。由于隔離變壓器T除了具有初、次級(jí)間安全隔離的作用外，它還有變壓器和扼流圈的作用，所以在全橋推挽式變換器的輸出部分一般不需要加電感，但在實(shí)際應(yīng)用中，往往在整流器和濾波電容之間加一個(gè)小的電感線圈，用以降低高頻開關(guān)噪聲的峰值7。3.3.3磁芯的選擇高頻變壓器的最大承受功率P與磁芯截面積S（單位是cm）之間存在下述經(jīng)驗(yàn)公式。S=0.11 （3-17）其中，P的單位是W?，F(xiàn)實(shí)際輸出功率P=420W。設(shè)開關(guān)電源的效率=70%，則高頻變壓器的額定輸入功率P= P/=600W。設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)應(yīng)留出余量，可取P=700W，代入式（3-17）中求出S=2.91 cm。查表3-8-2可知，PQ50/50型磁芯的S=3.28 cm，與之最為接近。E-43的飽和磁通密度B=400mT，使用時(shí)為防止出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象而損壞開關(guān)功率管，可取磁通密度B=150mT。表3.1 PQ型磁芯規(guī)格及參數(shù)型號(hào) A B C D E F I Ae(c) Le(cm)Ve(cm3) AL(nH/N2) ePQ 20/16 20.5 8.2 14 18 8.7 12.5 5.4 0.62 3.74 2.31 3880 1868 PQ 20/20 20.5 10.2 14 18 8.7 12.5 7.4 0.62 4.54 2.79 3310 1944 PQ 26/20 26.5 10.2 19 23 12 12.6 5.9 1.19 4.63 5.49 6170 1920 PQ 26/25 26.5 12.5 19 22.5 12.2 15.5 7.9 1.18 5.55 6.53 5250 1972 PQ 32/20 32 10.4 22 27.5 13.7 19 5.6 1.70 5.55 9.42 7310 1896 PQ 32/30 32 15.3 22 27.5 13.7 19 10.5 1.61 7.46 11.97 5140 1898 PQ 35/35 35 17.5 26 32 14.6 23.5 12.35 1.96 8.79 17.26 4860 1733 PQ 40/40 41 20.0 28 37 15.2 27.5 14.6 2.01 10.19 20.45 4300 1738 PQ 50/50 50 25.1 32 44 20.35 31.5 17.9 3.28 11.3 37.24 6720 1850 3.3.4計(jì)算脈沖信號(hào)的最大占空比D當(dāng)電網(wǎng)電壓在220V20%范圍內(nèi)變化時(shí)，就對(duì)應(yīng)于176264V。經(jīng)全波整流和濾波后直流輸入電壓的最大值、最小值分別為U360V，U240V。由于采用的是全橋推挽式變換電路，故占空比D可達(dá)到100%，但考慮到要留一定的死區(qū)時(shí)間，以免燒壞MOSFET管，因此D取80%。3.3.5計(jì)算一次繞組的電感量L高頻變壓器一次繞組的電感量L由下式確定L= （3-18）將=70%，U=240V，U=80%，f=100kHz一并代入式（3-8-4）中得到L=0.31mH設(shè)滿載時(shí)的峰值電流為I，在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)的過載電流為I，有公式I= （3-19） I=1.3 I （3-20）不難求出I=6.25A （3-21）I=8.125A （3-22）在上一次繞組上儲(chǔ)存的電能為W=10.2mJ （3-23）3.3.6確定一次繞組的匝數(shù)N一次繞組的安匝數(shù)N與所儲(chǔ)存的電能W之間存在下述關(guān)系式N= （3-24）將W=10.2mJ，B=130mT，S=3.28 cm一并代入（3-24）中，得到N=469.0安匝。因此N=58.5匝 （3-25）實(shí)取N=60匝，可采用的高強(qiáng)度漆包線繞制而成。3.3.7確定自饋繞組N和二次繞組的匝數(shù)一旦一次繞組匝數(shù)確定之后，利用下式即可計(jì)算N、的匝數(shù)N= （3-26）式中 繞組N（或）兩端的電壓；U輸出整流二極管的正向壓降。自饋繞組U回路中的整流管VD采用FR305型快恢復(fù)二極管，其中U1V。繞組兩端的有效值電壓為20V時(shí)，經(jīng)整流濾波后可獲得大約16V的直流電源，向TL494供電。不難算出N=12.1匝 （3-27）實(shí)取N=11匝，采用的高強(qiáng)度漆包線繞制。二次繞組回路中選用肖特基整流二極管MUR3060PT，U0.4V，=40V，故=12匝 （3-28）鑒于當(dāng)輸出電流I達(dá)到5A時(shí)，在繞組的銅阻及輸出引線電阻上均會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，會(huì)造成輸出電壓的跌落，因此應(yīng)適應(yīng)當(dāng)增加的匝數(shù)，以增加。實(shí)際去=13匝，用4股的高強(qiáng)度漆包線并聯(lián)后繞制而成，電流密度可用J=2.1A/mm。3.3.8計(jì)算空氣隙為防止高頻變壓器發(fā)生磁飽和現(xiàn)象而損壞開關(guān)功率管，需在E-43型磁芯的兩個(gè)側(cè)面各留出一定的空氣隙。假定磁場(chǎng)集中于氣隙處而未向外部泄露，則=0.06cm=0.6mm （3-29）每邊可留出0.3mm的氣隙，亦可取0.40.5mm的空氣隙。3.3.9設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)（1）由于所選磁芯材料、元器件參數(shù)以及高頻變壓器制作工藝的不同，必要時(shí)需對(duì)匝數(shù)做適當(dāng)調(diào)整。例如當(dāng)偏低時(shí)刻適當(dāng)增加、的匝數(shù)，可達(dá)6匝，應(yīng)以加額定負(fù)載后輸出電壓能達(dá)到40V為準(zhǔn)。（2）空載時(shí)會(huì)升高到4045V，這屬于正?，F(xiàn)象。必要時(shí)可在輸出端并聯(lián)一只阻值較小的假負(fù)載，或者接一只穩(wěn)壓管，把空載電壓降下來，使之接近于40V8。3.4 功率管MOSFET及其驅(qū)動(dòng)3.4.1 功率管MOSFET功率MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大的優(yōu)點(diǎn)，因而非常適合用作開關(guān)電源（switch-mode power supplies，SMPS）的整流組件。功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導(dǎo)通之前要先對(duì)該電容充電，當(dāng)電容電壓超過閾值電壓（VGS-TH）時(shí)MOSFET才開始導(dǎo)通。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)等效柵極電容（CEI）的充電。功率MOSFET以其導(dǎo)通電阻低和負(fù)載電流大的突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為SMPS控制器中開關(guān)組件的最佳選擇，專用MOSFET驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)又為優(yōu)化SMPS控制器帶來了契機(jī)。那些與SMPS控制器集成在一起的驅(qū)動(dòng)器只適用于電路簡(jiǎn)單、輸出電流小的產(chǎn)品；而那些用分立的有源或無源器件搭成的驅(qū)動(dòng)電路既不能滿足對(duì)高性能的要求，也無法獲得專用單片式驅(qū)動(dòng)器件的成本優(yōu)勢(shì)。專用驅(qū)動(dòng)器的脈沖上升延時(shí)、下降延時(shí)和傳播延遲都很短暫，電路種類也非常齊全，可以滿足