单片机控制的智能升压电源硬件设计.doc

石家庄铁道大学四方学院毕业设计单片机控制的智能升压电源硬件设计The Hardware Design of Signle Chip Microcomputer Controlling Intelligent Boost Power 2012 届 电气工程 系专 业 学 号 学生姓名 指导教师 陈东阳 完成日期 2012年5月15日毕业设计成绩单学生姓名 学号 班级 专业 毕业设计题目单片机控制的智能升压电源硬件设计指导教师姓名陈东阳指导教师职称副教授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任) 签字： 年 月 日毕业设计任务书题 目单片机控制的智能升压电源硬件设计学生姓名 学号 班级 专业 承担指导任务单位 石家庄铁道大学导师姓名陈东阳导师职称副教授一、主要内容恒压源就是输出电压恒定，即所谓的稳压源。除恒流源供电设备外其他电子设备要求恒压供电，因为电压变化都会对设备工作造成影响。本项目就是设计一个可以数控的升压恒压源。通过按键调节输出电压值，一旦设定，输出电压就会一直保持恒定，不会因负载变化而发生改变。系统工作时，由单片机对输出情况进行处理，时刻显示状态，实现了智能管理。本项目广泛应用到电子设备供电以及教学设备中。二、技术参数和要求1输入电压 12（10.5-14）V。2最大输出30V，限流1.0A。3通过单片机可以设置恒压值（20-30V），连续调整或步长0.5V的阶梯调整）。4其他要求：系统工作时，两位数码管循环显示输出电流，电压；当输出电流达到限流值1.0A时，有声光报警（指示灯和蜂鸣器）；有设定电流值状态与正常输出状态指示；5、电路原理图设计，protel印刷电路图设计。6、提出系统设计框图，提出相应的解决方案。7、论文正文不少于1.5万字，查阅文献资料不少于15篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。三、结构框图整体可分为四部分，电源部分，单片机部分，控制部分，功率部分。1.电源部分，一是降压稳压给单片机及其元件供电 ，二是给功率电路供电进行升压。2.单片机部分，处理，显示电压，电流值，送给控制电路部分设定电压值。3.控制部分，采集输出电压，电流一是送给单片机，二是与单片机设定电压值比较，调节功率电路部分工作。根据采集电压值和单片机设定电压值来控制调节UC3843（占空比控制芯片）输出的占空比，去调节boost升压电路工作，使最后输出电压达到单片机设定值。 4.功率部分(boost升压），此部分是boost升压电路，将输入电压12V升高，达到单片机设定输出值。由控制芯片UC3843输出的占空比控制调节升高电压值（输出电压值）。四、参考及查阅资料1.单片机采用宏晶STC12C5204AD（AD转换，PWM)或具备同样功能的其它单片机，相关资料下载网址。 2.开关电源工作原理，电源主回路，控制回路。3.boost升压电路。4.占空比控制芯片UC3843 PDF以及其典型应用电路。5.运放相关知识资料：跟随器，放大器，积分比例放大（推荐使用运放LM358)。五、进度计划第1周第2周 开题报告第3周第4周 资料收集，方案设计第5周第7周 系统设计第8周 中期检查第9周第12周 系统调试和论文撰写第13周第14周 论文审核第15周第16周 答辩教研室主任签字时间毕业设计开题报告题目单片机控制的智能升压电源硬件设计学生姓名 学号 班级 专业 一、课题研究意义21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得开关电源成为了应用最广泛的电源。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和开关器件（MOSFET、BJT等）构成。随着开关电源技术的成熟，在有些应用场合要求开关电源具有一定的智能，能实现精确的程序控制，以便于实时了解设备的参数（如电压、电流）、工作状态（正常、故障）等信息。其存在着广泛地发展空间，同时开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。二、国内外研究现状目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。 而智能开关电源则也随着各种电子设备的层出不穷相应的不断发展创新，其中以单片机作为微控制器，嵌入到开关电源中的应用比较普遍，可以使得开关电源体积相对较小，成本较低但却很好地实现了智能化。UC3843是一种高性能固定频率（频率可高达500KHZ）电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案，因而也被广泛地应用于智能电源的开发应用中。智能开关电源也正朝着高频化、模块化的方向发展。进一步提高脉冲宽度调制（PWM）控制器如UC3843的频率或者发展新型更加高频率的脉冲宽度调制（PWM）控制器，可以使得开关电源的精度更高，误差更小，也使得开关电源更加轻、小、薄。而发展集成度更高的元器件，可以使得开关电源的外围电路更加简单，实现模块化。三、研究内容和预期结果3.1研究内容包括：(1)研究开关电源的工作原理。(2)掌握BOOST升压电路的工作原理，设计升压电路硬件部分并计算出主要器件参数。(3)设计PID控制电路，并计算主要器件参数(4)熟悉了解UC3843的原理及其功能，主要用来输出一定的占空比信号，控制BOOST升压电路中MOS管的开通以及关断，来实现升压。(5)单片机电路，UC3843，BOOST升压电路构成恒压源的硬件电路。(6)和单片机程序结合，可实现按键输入设定电压值，数码管显示电压电流值等功能。 3.2预期达到的结果：采用12V电压，最大输出30V，限流1A。设置恒压值（20-30V），连续调整或步长0.5V的阶梯调整。系统工作时，两位数码管循环显示输出电流，电压；当输出电流达到限流值1.0A时，有声光报警（指示灯和蜂鸣器）； 有设定电流值状态与正常输出状态指示。指导教师签字时 间 年 月 日摘要由于当前世界的快速发展和进步，对能源的需求日益增大，因此能源问题已经成为了一个世界问题，新能源的使用已受到很大受到重视，作为绿色能源的太阳能源得到了广泛的认可，太阳能产业也逐步发展，目前已有很多太阳能产品投入了生产，并广泛运用在了现实生活中。本设计针对恒压控制器进行设计，主要涉及电源模块、Boost升压斩波电路、PID电路和单片机及其接口电路等主要部分。此功能将通过配合相应的C语言控制程序和算法来实现STC12C5204AD单片机的PCA和PWM输出功能，最终实现对电压的设定和调整，将软件和硬件有机的结合起来。设计最终实现该控制器由12V直流供电经过Boost升压电路的升压作用后输出，通过PID电路来保持输出电压的恒定，即由UC3843芯片对MOS管的开通和关断时间占空比进行控制，同时对电路中的最大电流进行限制（最大电流不大于1A）。并在最后通过PROTEL软件，依照设计的原理图制作了PCB板，进行了实物的焊接，并综合对硬件和软件功能进行了调试。关键词：控制器单片机Boost升压电路AbstractBecause of the rapid development of the current world and progress, increasing demand for energy, so the energy problem has already become a world problem, new energy using has been great attention, as green energy solar-energy has been widely recognized, the solar-energy industry also gradually development, now there are a lot of solar products had been used into the production, and widely used in real life. This design for constant pressure controller design, mainly involves the power modules,Boost pressurization chopper, PID circuit and single-chip microcomputer and its interface circuit, and in the light of main part written required functions the corresponding control procedures. Controller working process can also the working voltage for the corresponding setting, this will through the design corresponding C control procedures and algorithm to realize this function, use the PCA and PWM STC12C5204AD chip, and finally achieve the function of output of working Design ultimately realize the street controller by 12V DC power supply after Boost after presser effects of resonant circuit output, through the PID circuit to keep output voltage, namely the constant UC3843 chip to the opening of MOS tube with cut-off time occupies empties compared to control, meanwhile the maximum current in the circuit no greater than the maximum current restrictions (1A).voltage lamps set and adjustment, will the software and hardware organic combine. And in the last through the study of PROTEL software, according to the principle diagram made PCB, the forms of welding and comprehensive to hardware and software functions are debugging.Keywords: ControllerMCUBoost目录第1章绪论11.1选题背景与意义11.2国内外研究现状21.3主要研究内容3第2章单片机控制的智能升压电源设计方案的确定4第3章硬件电路设计63.1开关电源原理简介63.1.1开关电源主要拓扑结构63.1.2BOOST升压原理73.2系统电路设计93.2.1BOOST升压斩波电路93.3PID电路123.3.1UC3843芯片133.4单片机接口电路153.4.1STC12C5204AD芯片163.4.2数模转换电路173.4.3按键模块173.4.4显示模块183.5电源电路183.5.178系列稳压电路193.5.2对自恢复二极管的选择和介绍193.6对硬件电路中0欧电阻的说明20第4章软件设计224.1系统总流程图224.2主程序模块介绍234.3修改设定值模块介绍24第5章结论与展望255.1结论255.2展望25参考文献26致谢27附录28附录A外文资料28附录B系统电路图37附录C系统PCB图39附录D系统实物图40附录E元器件清单41第1章绪论1.1选题背景与意义开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。早在20世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机电源换代，进入90年代开关电源已广泛应用在各种电子、电器设备，程控交换机、通讯、电力检测设备电源和控制设备电源之中。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，两者的成本都随着输出功率的增加而增长，但两者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使的开关电源技术也不断的创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，从而为开关电源提供了广阔的发展空间。恒压源就是我们常说的稳压电源，能保证负载变动的情况下，保持电压不变。我们见到的开关电源，基本全部都是恒压源。直流稳压电源是应用比较广泛的电源电路，该电路具有输出电压调节范围宽、元器件选择合适、性能指标高等优点。随着电子技术向各个领域的渗透，许多场合，尤其是高精度测控系统需要高精度的电压源。在许多工程中，为了抗干扰，提高测量精度或者满足特定要求，往往需要恒定的直流稳压电源。直流稳压电源在仪器仪表、电子设备以及高新科学技术中属于一个重要的部件，是各种电子设备的核心，电源系统质量的优劣和可靠性决定着整个电子设备的质量。获得直流电压的方法较多，如使用干电池、蓄电池、直流发电机等。在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的，在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的。输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变。对各种精密仪器，电子设备电源电压的不稳定,将会引起很多问题，比如：测量仪器的准确度降低，交流放大器的噪声增大，直流放大器的零点漂移等等。电源电压变化也会导致测量和计算误差，引起自动控制系统工作不稳定，甚至根本不能工作。恒压源是能够向负载提供恒定电压的电源，因而提高直流电源的稳定性就显得十分必要，并且设计一个稳定性好、精确度高的恒压源是十分关键的。各种恒压源的出现，使恒压源成为人们生活中不可缺少的一部分。随着电力技术和电子技术的发展，恒压源的许多新的控制技术也随之发展和完善，由单片机控制的智能型恒压源已然成为一个重要的研究课题，智能恒压源这种高效的产品就成为广大厂商追求的目标。1.2国内外研究现状自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。 而智能开关电源则也随着各种电子设备的层出不穷相应的不断发展创新，其中以单片机作为微控制器，嵌入到开关电源中的应用比较普遍，可以使得开关电源体积相对较小，成本较低但却很好地实现了智能化。UC3843是一种高性能固定频率（频率可高达500KHZ）电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案，因而也被广泛地应用于智能电源的开发应用中。智能开关电源也正朝着高频化、模块化的方向发展。进一步提高脉冲宽度调制（PWM）控制器如UC3843的频率或者发展新型更加高频率的脉冲宽度调制（PWM）控制器，可以使得开关电源的精度更高，误差更小，也使得开关电源更加轻、小、薄。而发展集成度更高的元器件，可以使得开关电源的外围电路更加简单，实现模块化。与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对联高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。1.3主要研究内容(1)掌握开关电源的工作原理。(2)掌握 boost 升压电路的工作原理，设计升压电路硬件部分并计算出主要部分器件参数。(3)设计PID控制电路，并计算主要器件参数。(4)熟悉了解UC3843的原理及其功能，其主要用来输出一定的占空比信号，控制 boost 升压电路中MOS管的开通以及关断，来实现升压。(5)单片机电路、UC3843、boost升压电路构成恒压源的硬件电路。(6)和单片机程序结合，可实现按键输入设定电压值，数码管显示电压电流值等功能。第2章单片机控制的智能升压电源设计方案的确定首先我对该设计的总体要求进行了分析研究，该电路由直流电压进行供电，但提供的12V电压是不能满足30V电压输出的需求，所以必须对该电压水平进行合理的升高，以满足设计的这一核心要求，达到理想效果。因此针对升压电路我们提出了两种设计方案：一种是我们熟知的线性变压电路，即利用变压器原副线圈的比值来实现电压的改变，但这样一来必须以交流电路为前提，即我们需要在电路中加上逆变电路，以此来先将直流电逆变成交流电然后通过变压器进行升压，但显然这种设计思路无形中增加了电路的复杂程度，必然增加了电能的损耗，所以我们采用的是另一种方案，即利用目前应用很广泛的DC-DC升压电路，即Boost升压斩波电路来完成升压这一项工作，这样直接对直流进行升压自然避免了很多前一种方案引发的问题，不仅简化了整体电路的结构而且也降低了成本，所以说选用该设计方案处理升压问题是一个较为理想的选择。在确定了升压电路这一核心部分后，针对本设计题目，我最初拟定了设计方案：单片机控制的智能升压电源主要是由电源，BOOST升压电路，PID电路，UC3843控制芯片，单片机和MOS场效应管和软件定时功能组成，首先，电源利用7805芯片和7812芯片将电压升到5V和12V；12V电源电压供BOOST升压电路，并利用BOOST升压原理来实现升压功能；12V电源电压来驱动UC3843控制芯片使其工作。然后UC3843控制芯片将比较器比较的结果反馈到MOS场效应管，利用波形的占空比来控制BOOST升压电路使其维持在一个给定值的范围内，最后，通过单片机来实现对电压给定值的限制和定时功能。系统原理框图如图2-1。图2-1系统原理框图本系统在设计中，最大程度地简化电路，并且使用单片机为核心控制器，硬件和软件相结合，增强了控制器的可调性和功能性。该设计是基于开关电源的工作原理，整个系统通过单片机控制，可以灵活的调整输出电压值以及输出限流值，并能比较直观的显示该单片开关电源工作过程中实时的输出电压和输出电流值，显得更加智能化，也加大了该单片开关电源的在实际中的应用范围。第3章硬件电路设计3.1开关电源原理简介开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。3.1.1开关电源主要拓扑结构一按照占空比控制方式，可以分为定频控制和变频控制定频控制即开关周期恒定不变，通过调整一个周期内开关开通的宽度来调节输出电压，即通常所说的脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术；变频控制有定开通时间、定关断时间、迟滞比较等几种控制方式。定开通时间控制即开关额导通时间不变，通过改变开关的关断时间按来调节占空比；定关断时间控制则相反，开关的关断时间不变，通过改变开关的开通时间来调节占空比；迟滞比较的控制方式是对受控量(输出电压或电流)设定一个上限和一个下限，当受控量低于下限时开通开关，而当受控量超过上限时关断开关，因此在这种控制方式下开通时间和关断时间都是变化的。二按照输出波形控制，开关电源可分为电压控制型和电流控制型电压控制型：利用输出电压采样作为控制环的输入信号，该信号与基准电压Vref进行比较，并将比较生成的结果放大生成误差电压Ve，Ve与振荡器生成的锯齿波Vsaw进行比较生成脉宽与Ve大小成比例的方波。电压控制型电路如图3-1所示。图3-1电压控制型电路电流控制型：电流控制又可称为峰值电流控制，引入电容电压和电感电流2个状态变量作为控制变量，有利于提高开关电源PWM的控制能力。电流控制型电路如图3-2所示。图3-2电流控制型电路通过分析可知，电流型控制方法易于实现并联运行，有利于实现变换器的模块设计，引入电流反馈，对输出电压有前馈调节作用，提高了系统的动态响应。3.1.2BOOST升压原理充电过程：在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图二，开关（三极管）处用导线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。充电过程见图3-3。图3-3充电过程放电过程：如图，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。放电过程见图3-4图3-4放电过程ton时，开关管S为导通状态，二极管D处于截止状态，流经电感L和开关管的电流逐渐增大，电感L两端的电压为Vi，考虑到开关管S漏极对公共端的导通压降Vs，即为Vi-Vs。ton时通过L的电流增加部分ILon满足 (式3-1)。 （式3-1）式中：Vs为开关管导通时的压降和电流取样电阻Rs上的压降之和，约0.60.9V。3.2系统电路设计3.2.1BOOST升压斩波电路BOOST升压斩波电路原理图见图3-5。BOOST升压电路,开关直流升压电路（即所谓的boost或者step-up电路）the boost converter,或者叫step-up converter，是一种开关直流升压电路，它可以使输出电压比输入电压高。假定那个开关（三极管或者MOS管）已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态，电容电压等于输入电压。图3-5BOOST升压斩波电路在充电过程中，开关闭合（MOS导通），开关（MOS管）处用导线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。放电过程：当开关断开（MOS管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。输出电压有式：U=(Toff+Ton)/ToffE注意C20和C21是储能元件，并联是为了储存足够的能量便于充放电调节。电容C18、C19的作用是滤波，电源经过C18和C19滤波可以使得电压更稳定从而使供电电压更稳定。电感L2也是对电路进行滤波，C22、C23、C24用于滤波从而使得直流波免受其它波的干扰。电阻R33为采样电阻，通过SLI+、SLI-反馈给比例积分控制电路部分，然后由UC3843芯片输出给定控制信号来控制BOOST电路中的场效应管的开通和关断的时间，从而实现对电压的调整。MOS管的选择本设计中选用了IRF3710型的MOS管做为BOOST升压电路中的开关控制元件，相比三极管MOS管有如下优势：MOS的导通压降下，导通电阻小，栅极驱动不需要电流，损耗小，驱动电路简单，自带保护二极管，热阻特性好，适合大功率并联，缺点是其开关速度不高，而且价格比较昂贵。(1)场效应管是电压控制元件，而三级管是电流控制元件； (2)场效应管是利用多数载流子导电，所以称为单极性器件，而三级管既有多子，也有少子导电，称之为双极性器件； (3)场效应管灵活性比三级管好； (4)场效应管的制造工艺更适合于集成电路。 场效应管（FET）是利用电场效应控制电流大小的单极型半导体器件。在其输入端基本不取电流或电流极小，具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单等特点，在大规模和超大规模集成电路中被广泛应用。 FET和双极型三极管相类似，电极对应关系是b（G）、e（S）、c（D）；由FET组成的放大电路也和三极管放大电路相类似，三极管放大电路基极回路需要一个偏置电流（偏流），而FET放大电路的场效应管栅极没有电流，所以FET放大电路的栅极回路需要一个合适的偏置电压（偏压）。 FET组成的放大电路和三极管放大电路的主要区别在于：场效应管是电压控制型器件，靠栅源之间的电压变化来控制漏极电流的变化，放大作用以跨导 来体现；三极管是电流控制型器件，靠基极电流的变化来控制集电极电流的变化，放大作用由电流放大倍数来体现。 场效应管放大电路分为共源、共漏、共栅极三种组态。在分析三种组态时，可与双极型三极管的共射、共集、共基对照。MOS管噪声小、功耗小、散热效果好，因此大规模集成电路多用它，但是缺点在于其放大倍数小，因此放大能力不如三极管。选取场效应管IRF3710的理由：IR系列的HEXFET功率场效应管IRF3710采用先进的工艺技术制造，具有极低的导通阻抗。IRF3710这种特性，加上快速的转换速率，和以坚固耐用著称的HEXFET设计，使得IRF3710成为极其高效可靠、应用范围超广的器件。TO-220封装的IRF3710普遍适用于功耗在50W左右的工商业应用，低热阻和低成本的TO-220封装，使IRF3710得到业内的普遍认可。肖特基二极管本设计的BOOST电路中采用了MBR20100肖特基二极管(如图3-6) 。肖特基二极管SBD是肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode,缩写成SBD）的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。 肖特基二极管优点：图3-6肖特基二极管SBD具有开关频率高和正向压降低等优点，但其反向击穿电压比较低，大多不高于60V，最高仅约100V，以致于限制了其应用范围。像在开关电源（SMPS）和功率因数校正（PFC）电路中功率开关器件的续流二极管、变压器次级用100V以上的高频整流二极管、RCD缓冲器电路中用600V1.2kV的高速二极管以及PFC升压用600V二极管等，只能使用快速恢复外延二极管（FRED）和超快速恢复二极管（UFRD）。目前UFRD的反向恢复时间Trr也在20ns以上，根本不能满足像空间站等领域用1MHz3MHz的SMPS需要。即使是硬开关为100kHz的SMPS，由于UFRD的导通损耗和开关损耗均较大，壳温很高，需用较大的散热器，从而使SMPS体积和重量增加，不符合小型化和轻薄化的发展趋势。因此，发展100V以上的高压SBD，一直是人们研究的课题和关注的热点。主要器件参数计算ton时，开关管S为导通状态，二极管D处于截止状态，流经电感L和开关管的电流逐渐增大，电感L两端的电压为Vi，考虑到开关管S漏极对公共端的导通压降Vs，即为Vi-Vs。ton时通过L的电流增加部分ILon满足(式3-2)。 (式3-2)式中：Vs为开关管导通时的压降和电流取样电阻Rs上的压降之和，约0.60.9V。toff时，开关管S截止，二极管D处于导通状态，储存在电感L中的能量提供给输出，流经电感L和二极管D的电流处于减少状态，设二极管D的正向电压为Vf，toff时，电感L两端的电压为Vo+Vf-Vi，电流的减少部分ILoff满足式(式3-3)。 (式3-3)式中：Vf为整流二极管正向压降，快恢复二极管约0.8V，肖特基二极管约0.5V。 (式3-4)储能电感L：根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式得当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下，即必须满足式L2(Vi-Vs)D(1-D)/Iof=2*(12-0.9) *0.4*(1-0.4)/2*49000=3.0uH同时考虑在10额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假设电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的2030，因增加IL可以减小电感L，但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容C2，取30为平衡点，即L=(Vi-Vs)D/If=(12-0.9) *0.4/2.5*49000=3.3uH流过电感L的峰值电流由式(10)得I=1.15*2/1-0.4=3.83A3.3PID电路图3-7PID电路图PID电路中主要是利用UC3843控制PWM波的产生和可调占空比，从而调节BOOST电路中的电压时刻保持恒定值。来自单片机电路单片机STC12C5204AD的控制信号Vrei控制，和BOOST反馈回来的信号，两个信号经过电路中的PID调节器作为电压反馈信号输入到UC3843中。UC3843在做出反应其最终使BOOST电路中输出了一个恒压限流电源。通过对BOOST电路中采样电阻的电压水平进行采样，将采样信号通过放大电路进行放大，然后对其电流的最大值进行限制，将最大电流限制在不大于1A，因为本课题所设计的是恒压限流源，所以两路积分电路在工作时，先由电压控制部分工作，其功能可以实现对电压步幅为0.5V的调整，因为在电压调整升高过程中电流会逐渐增大，所以要对电路进行限流处理，当电流达到1A时，控制电压部分停止工作，转而由电流控制部分的积分电路开始工作，保证将电路中的电流限制在不大于1A，从而有效保证了电路的效率和安全性。对BOOST升压电路的控制通过比例积分控制电路将信号传递给UC3843芯片，并由UC3843控制对升压电路的给定，实现最终对电压的控制。BOOST电路中经过升压后5V的稳压管会使得SLV输出电压控制在5V，另外会有一个电压比较器对此进行比较检测，如果SLV比5V大，则比较器会将相应的信号输入到3842芯片的引脚2中，使得引脚2上的电压增大，3843内误差放大器反相输入端电压超过2.5V，因而该放大器将提前输出一低电平，该低电平加到电流传感比较器的反相输入端，并使产生一高电平加到RS触发器的R端，使其复位，这时Q4开关会提前关断，因此降低了开关电源的占空比。这时的MOS管会提前关断，保持电路一个稳定的电压下会有一个稳定的电压。其次，如果BOOST内的电压维持在一个稳定的值，还要通过电流采样监测在稳定的电压范围内是不是也有稳定的电流，当BOOST电路取样电流因为某些原因升高时，此取样电流SLI+和SLI-就会经放大器放大，然后经过和设定值进行比较，这时3843的引脚2上的电压会增大，3843内误差放大器反相输入端电压将会超过2.5V，因而该放大器将提前输出一低电平，该低电平加到电流比较器的反相输入端，并使产生一高电平加到RS触发器的R端，使其复位，这时Q4开关会提前关断，因此降低了开关电源的占空比。这时的MOS管会提前关断，保持电路一个稳定的电压下会有一个稳定的电流。3.3.1UC3843芯片本次设计所用芯片是UC3843芯片，UC3843芯片主要是输出控制信号来控制BOOST升压电路中的MOS管的开通与关断，从而实现电压的调整，下面主要对其原理与功能进行详细说明。图3-8UC38438管脚功能1补偿该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。2电压反馈该管脚是误差放大器的反相输入，通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出。3电流取样一个正比于电感器电流的电压接至此输入，脉宽调制器使用 此信息中止输出开关的导通。4RT CT通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调。工作频率可达500KHZ。5地该管脚是控制电路和电源的公共地（仅对8管脚封装如此）。6输出该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1.0A的峰值电流经此管脚拉和灌。7Vcc该管脚是控制集成电路的正电源。8Vref该管脚为参考输出，它通过电阻R向电容CT提供充电电流。下面将UC3843的内部原理做如下介绍，UC3843的管脚7，VDD供给12V电压供给管脚7，管脚7的驱动电压是8V，此时集成电路UC3843内部施密特触发器输出高电平，使得UC3843开始启动。这时管脚8有5V基准电压，该5V基准电压的作用有(1)为内部线路供压。（2）经内部分压后，取出2.5V基准电压加到误差放大器的争端。（3）通过R45对C33充电，经一定的延误时间后，4触脚内部震荡器起振，C33是消噪电容，C29，R44用来改善误差放大器的频率响应。UC3843起振后，从6脚输出的脉冲信号加在开关Q4的栅极，在脉冲信号的高电平期间，开关管Q4导通，在脉冲信号的低电平期间，开关管Q4截止。图3-9自激振荡电路3.4单片机接口电路图3-10单片机电路本设计采用了STC12C5204AD作为主控制系统CPU，使用了P2.02.7口作为二位一体数码显示管的段码驱动口，当P10、P11、P12为高电平，数码管导通，从而按要求显示出所需的数值。因为用到了按键，按键可以用普通I/O口来实现，但考虑到如果使用I/O口对接线和电路都会造成不必要的麻烦，所以我们在设计中使用了单片机的A/D转换模块来实现按键控制的功能。使用P3.5口发出数字脉冲供给数模转换电路调整波形。3.4.1STC12C5204AD芯片STC12C5204AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)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，2路PWM,8路高速8位A/D 转换(300K/S)，针对电机控制，强干扰场合。关于STC12C5204AD芯片的主要功能特性介绍：(1)增强型 8051 CPU，1T，单时钟/ 机器周期，指令代码完全兼容传统8051(2)工作电压：5.5V-3.3V(3)工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0420MHz(4)用户应用程序空间 4K字节(5)片上集成 256 字节 RAM(6)通用I/O口（27/23/25/23/11个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）(7)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片(8)有EEPROM功能(9)看门狗(10)内部集成MAX810 专用复位电路（外部晶体20M以下时，复位脚可接1K电阻到地）(11)内置一个掉电检测电路，在P1.2口有一个低压门槛比较器(12)时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内）(13)共4个16位定时器(14)2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.0/T0输出时钟, 可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟(15)外部中断路I/O口6路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块(16)PWM(2 路）/PCA（可编程计数器阵列,2 路）(17)A/D转换, 8位精度ADC，共8 路，转换速度可达300K/S(每秒钟30 万次)(18)通用全双工异步串行口（UART），由于STC系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。(19)工作温度范围： -40 - +85(工业级) / 0 - 75(商业级)。3.4.2数模转换电路本设计中采用了74HC14施密特触发器，用来对输出电压波形进行整波，使输出的波形为矩形波，用来实现最终对电路的控制。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于Vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。图3-11数模转换电路数模转换电路如图3-11所示，施密特触发器（74F14）用来对输出电压波形进行整波。PWM输出的脉冲信号直接进入施密特触发器，经过施密特触发器的整波后变成了规则的矩形波，波形整定后再经过阻容滤波电路，使输出的波形近似一条直线，这就完成了数模之间的转换。3.4.3按键模块按键如图3-12所示：使用了单片机的A/D转换模块，通过软件选通将P1.7口作为模拟量输入通道。此外，如果要求按键检测更加稳定可靠，可以减少按键数量放宽各个按键检测电压允许误差量。图3-12按键电路3.4.4显示模块数码管是电路中常见的显示元件，按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）按照显示“8” 的个数，可分为1位、2位、4位等数码管，如图3-13所示的为一个8段数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极接到+5V 或+3.3V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共极COM 接到地线GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高