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浙江工贸职业技术学院毕业设计（论文）谐振式开关电容升压式变换器的设计与制作黄京玉浙江工贸职业技术学院电子工程系，班级：电信0801摘要：分析了一种谐振升压式开关电容直流变换器存在的问题，提出了改进方法：输出采用电感恒流方式，输入和输出增加了EMI滤波。降低了输出纹波，提高了变换效率，改善了负载特性。文中分析了电路工作波形图，用RLC电路响应规律、等能量和等电荷方法，解出输出电压、变换效率和充电平均电流，这种改进的谐振型变换器在较大范围内可通过调频方式线性调压。通过单片机A/D功能来自动调整输出波形的频率来达到调压的作用最后用一个具体的实验电路验证了电路及其理论分析的正确性。关键词：开关电容变换器；谐振；变频；波形输出；A/D转换；液晶显示一、引言传统的开关电容变换器在电容周期性的充放电过程中会产生很大的电流应力1，并且随着输出电流的增加，变换器的效率将急剧下降。因此，传统的开关电容变换器只能使用在输出电流很小的场合。而本文介绍这种升压式开关电容变换器，输出改用电感恒流方式，能提高电路变换效率和降低纹波，输出电压越低，变换效率越高，调压为调频（调占空比）方式，能达到线性调压，负载特性比常规电路好。通过实验证明了理论的分析正确性，为设计开关电容直流变换器多了一个思路。开关电容是以电容为储能元件的功率变换器，比起以电感为储能元件，具有体积小、重量轻和易于集成等优点。硬开关控制方式的开关电容变换器存在开关电流大、EMI问题严重、输出电压不易调节等缺点。而谐振型开关电容变换器，对开关损耗、EMI和电流应力等性能方面有了改善2。文献3为其中的拓扑结构之一。但通过分析文献3发现：调压仍是非线性调压；输出电压与负载关系较大；电容充放电时电流峰值大、通态损耗较高；谐振电容放电时有以谐振方式向输出电容“倾倒”的现象，引起输出电压纹波大的问题。针对以上存在的一些问题，主要针对是单片机的选用、程序方案的选择、液晶显示的方式、主电路和驱动电路的介绍。二、电路总框图图1 开关电容DC-DC变换器的整体框图图1为电路整体框图，其主电路是升压开关电容变换器，该电路由四个MOS管加辅助元件组成，通过MOS管两两导通，使电压从+12V升为+12V +28V可调。其控制电路是电压显示、电压设置、A/D转换、方波产生。利用STC5410单片机产生方波，同时利用单片机改变方波的频率来调节其输出电压，当输出电压通过A/D转换送回到单片机，单片机接收到输出电压不满足设定电压时，自动控制其方波频率来调节输出电压，这里重要介绍单片机控制。三、主电路和驱动电路（一）主电路图2 升压开关电容DC-DC变换器的主电路图图2为谐振升压式开关电容DC-DC变换器的改进的实图，它是由四个开关器件和两个电容C组成的主电路，RS2为谐振回路总电阻之和，包括电源内阻、开关器件通态电阻、谐振电容等效串联电阻、谐振电感内阻等。工作波形如图3所示，工作模式只有两个：模态一：V1和V3得到驱动电压开通，而V2和V4关闭，电容C2和C3开始充电。模态二：半周谐振结束，V1和V3关闭，经死区时间后V2和V4开通，谐振电容开始恒流放电。V2和V4实际上工作于类似斩波方式且两种波形一样，如图3最下的A点波形uA。当V2和V4开通放电时间结束时，C2和C3电容已放电一部分，使得V2和V4漏源极电位差变小，V2和V4关断不是全电压关断的。图3 电路工作波形图（二）MOS管驱动电路LO1COM2VCC3NC4Vs5VB6HO7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14U1IR2110D3C60.47uF+12R110R310+5+12LO1COM2VCC3NC4Vs5VB6HO7NC8VDD9HIN10SD11LIN12VSS13NC14U2IR2110D4C70.47uF+12+5+12R210R4101234STC图4 MOS管驱动电路图如图4为MOS官驱动电路，MOS管驱动电路采用STC5410AD单片机生成两个相反的方波，再把两个相反方波送给IR2110驱动芯片，通过IR2110驱动芯片处理再把输出信号分别给MOS管V1、V3和V2、V4。IR2110的输入和输出波形如图5所示。它可同时输出两个驱动信号，为MOS管上管和下管的控制信号，开关时间不到1 s，查得其手册，ton=850ns。toff=150ns，死区时间（Deadtime ）Tdt为700ns。死区时间是为了防止两个MOS管同时导通，导致短路，当一个MOS管截止时，经过死区电压第二个MOS管才能导通。图 5 输入和输出波形图四、软件控制（一）STC12C5410AD单片机1. STC12C5410AD简介STC12C5410AD系列单片机是单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，4路的PWM，8路高速A/D转换，针对强干扰场合。STC12C5410AD系列单片机的基本特点：工作电压：5.5V-3.5V；工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）； 工作频率范围：035MHz；相当于普通8051的0420MHz；片上集成512字节RAM；内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，可省外部复位电路）；时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器；用户在下载用户程序是，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟；常温下内部R/C振荡器频率为：5.2MHz6.8MHz；共有6个16位定时器；其中两个与传统8051兼容的定时器/记数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，PCA模块可再实现4个16位定时器；2个时钟输出口，可由T0的溢出在P1.O输出时钟，可由T1的溢出在P1.1输出时钟；外部中断9路，下降沿中断或低电平触发中断，PCA模式可分别或同时支持上升沿中断/下降沿中断，Power Down模式可由外部中断唤醒；PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列，4路）；也可用来当4路D/A使用；也可用来再实现4个定时器；也可用来再实现4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持开启）；A/D转换，10位精度ADC，共8路；2. 引脚介绍STC12C5410AD系列单片机的通用I/O口27/23/15个，本项目采用23个I/O口类型的单片机端口分布如图6所示。通用I/O口复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传图6 STC12C5410AD引脚图统I/O口），其中14脚接GND；28脚接VCC；6脚7脚为外部晶振；3脚位复位端；其他端口在未设定是为普通I/O口，其中4脚5脚可直接进行串口传输接受与发送，从PC上面下载程序基本通过USB转RS232口再通过这2端口进行程序下载。2机通信也可以选择这样的方式传输数据。STC12C5410AD系列单片机所有I/O口均可软件配置成4种工作类型之一。4种类型分别为：准双向口/弱上拉（标准8051输出模式）、强推挽输出/强上拉、仅为输入（高阻）或开漏输出功能。每个口由2个控制寄存器中的相应位控制每个引脚的工作类型。有些引脚根据选择的类型不能可以实现不同的功能。3. 程序流程图图7 主单片机流程图本项目采用2块STC单片机运行，图7为主单片机流程图，主单片机主用实现控制A/D转换、液晶显示、按键控制还有空载与过载2种状态的判断与选择等功能。图8为副单片机的程序运行流程图，其主要功能为控制波形输出、频率的变化等。图8 副单片机流程框图（二）输出矩形波第2个STC12C5410AD单片机的主要功能是实现2个相反的变频矩形波输出。原本打算使用一块STC12C5410AD单片机来实现全部功能，经过测试发现由于有按键和液晶显示屏的存在与使用，使得频率跟不上。因此采用2个单片机来分工合作。第2块单片机的波形输出如下：sbit bo_zheng=P21;sbit bi_fan=P22;void main()uchar i;time=0x00; bo_zheng=1;bo_fan=0；while(1)bo_zheng=1;bo_fan=0；di=P1;for(i=0;i14;i+);bo_zheng=0;bo_fan=1；for(i=0;itime;i+);此段程序生成2个正弦波，程序的运行过程可参考文献5，由2个端口（端口1和端口2）输出2个矩形波。最高频率为初始状态频率为67KHz，最低频率为12KHz。调试时候使用拨码开关来调整频率，调试结束以后使用第一块单片机来控制。端口1：高电平的时间为固定的14.5微秒，低电平的时间有time控制，低电平最低时间为1微秒，波形如图9所示，最大为72微秒，波形如图10所示。 图9 最高频率的矩形波图 图10 最低频率的矩形波图端口2：低电平的时间为固定的14.5微秒，高电平的时间有time控制，高电平最低时间为1微秒，最大为72微秒。图11 单片机电路原理图第2块单片机采用的是最小系统板，在上面用插针引出如图11所示。主要使用到其中的P1端来读取频率的变化值，用P2.1、P2.0端口来输出2个矩形波。采用这样的方式这种2机通讯的方式可以更加有效的来更改频率，第2块单片机只用负责读取延时的时间，然后返还回来进行延迟的变动，以达到变频的目的。用以达到升压的功能。假如直接将控制程序放到第2块单片机上，那么根据一些必要的设定和延时。那么延时改变的频率将大于5微秒，选用这种方式的延时可以达到1微秒。相对而言这样的方式提升了很高的工作效率。（三）液晶显示1. 12864C-1的简介本课题采用的是12864C-1的液晶显示屏。12864C-1的基本特性:低电源电压（VDD:+3.0+5.5V）,整个液晶屏功耗为：约90MA；2MHZ 时钟频率；显示分辨率:12864 点；内置汉字字库，提供 8192 个 1616 点阵汉字(简繁体可选)；内置 128 个 168 点阵字符；显示方式：STN、半透、正显；驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS；视角方向：6 点；背光方式：侧部高亮白色 LED，功耗仅为普通 LED 的 1/51/10；通讯方式：串行、并口可选；内置 DC-DC 转换电路，无需外加负压；工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60；2. 液晶串口显示显示的方式选择的是串口的方式，只用使用12864C-1 20个引脚中10个引脚，每个引脚的功能如表1所示。此课程中一共有4个显示画面：开机画面、运行画面、过载警告、空载警告。开机画面：通电初始化以后，进入此界面。当任意按键以后退出此状态主要介绍产品名称和制作人。运行画面：开机画面以后按任意按键进入此界面。主要界面，在此界面可以通过按键来设定电压值。过载警告；当负载太重时，无法达到设定电压，单片机进入此界面，警告过载，请减少负载。空载警告：当没有负载时，电压过大，单片机则进入此界面，警告空载状态，提醒用户增加负载或关闭电源。表1 12864C-1串口接线表管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0(NC)-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示 DB7DB0 为显示数据RS=“L”,表示 DB7DB0 为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到 DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”，DB7DB0 的数据被写到 IR 或 DR6E(SCLK)H/L使能信号15PSBH/LH：8 位或 4 位并口方式，L：串口方式（见注释 1）17RESETH/L复位端，低电平有效（见注释 2）19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源负端串口传送形容一下就是一条车道，而并口就是有8个车道 同一时刻能传送8位（一个字节）数据。但是并不是并口快，由于8位通道之间的互相干扰。传输受速度就受到了限制。而且当传输出错时，要同时重新传8个位的数据。串口没有干扰，传输出错后重发一位就可以了。所以在液晶选择上面我选择串口通讯。（四）按键控制和波形变频主单片机的2个按键主要作用是来控制程序的开启、电压的调整，以及频率的变化。当进入工作界面以后可以通过按键来增加/减少电压的大小。根据A/D转换过来的值来判断与设定值的比较大小，当A/D的值比设定的值大的时候，减少P2端口的输出值。当A/D的值比设定的值小的时候，增大P2端口的输出值。当两值相等时候，P2端口则原来状态知道增加了更多的负载或者设定了新的电压值。通信时采用8个端口一对一并口传输虽然如上面没有串口那样的方便。但相对而言这样的方式可以便人为的外部操作限制。在这个8个端口上有1个8位的拨码开关这样不仅能方便程序的调试，也可以在必要的时候使最高的几位至0。这样可以保证波形输出的最低频率不大于自己设定的值。在必要的时候不需要更改程序就能达到人为限制频率的功能，算得上一举两得。（五）A/D转换本次使用的是STC12C5410AD自带的8位A/D转换功能。STC12C5410AD系列的单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0详细引脚分布图可以见图2），有8路10位高速A/D转换器，速度可达到100KHz(10万次/秒)。8位电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，可以通过软件设置将8路中的任何一路或多路设置为A/D转换，不需要作为A/D使用的口可以继续作为I/O口使用。STC12C5410AD系列单片机ADC（A/D转换）的结构图12所示。图12 STC12C5410AD系列ADC结构图图13 A/D转换结果寄存器A/D转换可通过特殊功能寄存器ADC_DATA和ADC_LOW2寄存器来保存转换结果。A/D转换结果保存在寄存器格式如图13所示。可以直接选择8位或者10位，无需提前设定，只需要计算时候调整一下就行了。如是用户需要取10位结果，下面公式计算：如是用户只需8位结果，下面公式计算：公式中，Vin为模拟输入通道输入电压,Vcc为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。这次中采用的是8位的A/D转换。五、设计结果实验电路采用图12电路，图12的MOS管采用IRF3205，RON=8m，U2=12V；C8为聚合物固态电容4，容量470F ，等效串联电阻查其手册为8m；C2、C3为涤纶电容，两只并联，以减小等效串联电阻；负载为6.8定值功率电阻和可调功率电阻。本此设计结果基本符合预期原理的效果，能够实现升压并调节电压，当输入电压12V电流0.89A时，输出电压为25V，电流为0.4A，效率达到93.6%，达到预期效率。单片机生成方波设计中也能产生两种预定的方波，利用单片机系统也能设定电压，如果输出电压不满足其设定电压时，其自动调节频率来调节输出电压。谐振电容两端波形如图14所示，电容充电为谐振充电，放电为恒流放电，所以充放电的波形不同。电流波形如图15所示。图14 谐振电容两端波形图15 电流波形图六、结论 这种升压谐振式开关电容变换器，输出改用电感恒流方式，能提高电路变换效率和降低纹波，输出电压越低，变换效率越高，调压为调频（调占空比）方式，能基本达到线性调压，负载特性比常规电路好。当时，输出电压主要与工作电路相关内阻和负载的比值、开关波形占空比有关，与谐振元件L6、C2 、C3参数相关很小。通过实验证明了理论的分析正确性，提高了开关电容变换器的性能和实用性。参考文献1 王磊，张波，丘东元.DC/DC开关电容变换器的控制技术J .电力电子技术，2004，38(6)：103-105.2 周志敏，周纪海开关电源实用技术设计与应用M北京：人民邮电出版社，2003：55-66 3 丘东元，郑春芳，张波.一类零电流谐振开关电容变换器的特性分析.电子学报，2005，33(11)：1991-1994.4 林渭勋现代电力电子技术M 杭州:浙江大学出版社，20025 赵亮，候国锐.单片机C语言编程与实例M北京人民邮电出版社，2003年附录一主单片机程序#includeSTC12C5410AD.h #includeintrins.h#include #define uchar unsigned char uchar now,last,a,b,c,shu,she;long ping;sbit key1=P14;sbit key2=P13;sbit guanbi=P12;void delay(uchar dd) int x,y; for(x=dd;x0;x-) for(y=100;y0;y-); /*按键*/void key()if(key1=0)delay(10);while(key1=0);a=1;if(key2=0)delay(10);while(key2=0);a=1; void key_bo()if(key1=0)delay(20);if(she35)she=36;else she+;work();zhi(she);while(key1=0);if(key2=0)delay(20);if(she13)she=12;else she-;zhi(she);while(key2=0);unsigned char Read_ADC(unsigned char adcvcc) /将P1.0-P1.1设置成适合AD转换的模式 ADC_CONTR = ADC_CONTR|0x80; /1000,0000打开A/D转换电源 delay(20); /20ms ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xE0; /1110,0000 清ADC_FLAG,ADC_START位和低3位 ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xf8|adcvcc; /设置当前通道号 delay(10); /延时使输入电压达到稳定 ADC_DATA = 0; /清A/D转换结果寄存器 ADC_CONTR = ADC_CONTR|0x08; /0000，1000ADCS 1，启动转换 do ;while(ADC_CONTR & 0x10)=0); /0001,0000等待A/D转换结束 ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xE7; /1110,0111清ADC_FLAG和ADC_START位，停止A/D转换 return ADC_DATA; void panduan()uchar i;for(i=0;i3)kongzai();guanbi=0;while(a=0)