基于DCDC电压变换器(增亮器)的电源管理系统.doc

目 录引言11绪 论21.1课题背景21.2开关电源的发展和趋势31.3DC/DC转换器41.4DC/DC转换器的发展趋势41.5课题研究的目的及意义51.6课题结构安排52方案设计62.1设计要求62.2方案确定63系统设计原理介绍83.1DC/DC转换器升压原理83.1.1 连续工作模式93.1.2 非连续工作模式113.2PWM调制方式123.3软启动的实现方法154硬件电路174.1硬件电路所使用芯片简介174.1.1 DC/DC转换芯片MC34063174.1.2 单片机AT89S52204.1.3 ADC0809224.2硬件电路设计254.2.1 DC/DC升压稳压电路模块254.2.2 数据采集模块264.2.3 数据处理模块274.2.4 供电选择模块274.2.5 电压显示模块285系统软件设计306硬件制作及调试326.1系统PCB板的设计326.1.1 确定PCB的大小326.1.2 布局326.1.3 布线326.2硬件调试336.2.1 检测元器件336.2.2 检测各个引脚信号347结论35谢 辞36参考文献37附 录38引言近年来随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，越来越多的汽车走进了千家万户，汽车已经成为人们日常生活中的一部分。但是由于汽车本身的特点所限，国家有关汽车前照灯配光性能标准中，对灯光亮度指标允许在一个非常大的范围内变化，不同类型、不同功率的大灯亮度指标相差很大，再加上供电电压有一定的允许变化范围，造成标准内不同大灯实际亮度差异很大。随着汽车电子行业的兴起，对汽车大灯增亮方案的研究也逐渐增多，主要包含以下几种：(1)增加大灯功率，这种办法花费较低，但是效果有限，反而引起线路的电压损耗相应增加，埋下事故隐患；(2)使用增光线，增光线是指在大灯与电瓶之间引入两条可由继电器控制通断的较粗的电线，通过降低线路的电压损失，这种方法只对线路老化的汽车较为明显，但同时会使大灯亮度随发动机的波动而变化，缩短大灯寿命；(3)改装H I D气体放电灯，HID气体放电灯亮度高色温高，寿命长，能耗低，但是价格太高，安装不易。本文设计的增亮器基于开关电源技术，通过内置的高效 高性能电源组件对汽车发电组件的不稳定电源(10V-15V)升压、稳定处理，为汽车前照灯单独提供恒定的最佳工作电压14.5 V，这个电压符合国际标准(ISO 3559-1976道路车辆一机动车辆及其挂车装用灯具的工作电压)，汽车大灯工作在此电压时发光效率最高，色温接近日光，同时大灯的寿命损失不到15。增亮系统包含冷态启动、过热、故障等智能保护措施，是一种低成本、高性能的汽车大灯增亮器。1 绪 论1.1 课题背景改革开放以来，人们生活水平越来越高，汽车逐渐走百姓的生活之中，成为代步的工具。汽车大灯作为汽车的一部分，是保障行车安全运行的重要部件之一，前照灯的配光特性、光照度是保证汽车行驶安全的重要指标。资料显示：车辆总行驶里程的25是在晚上和自然光线不足的情况下行驶的，而在此之间发生的交通事故占到33，并且50的前照灯的照明死亡事故发生在夜间。质量不合格的前照灯不能为驾驶员提供良好的照明，有些还使对面驾驶员和道路行人产生强烈的炫目，直接关系到人身安全。前照灯的照明距离越远，配光性越好，汽车行驶的安全性能就越高。因此前照灯的设计中必须做到以下两点：(1)光源技术上达到高光通量，高效率，长寿命。(2)灯具技术配光性能要好，不致使对方来车驾驶员感到炫目，且设计严密，可靠性好。汽车前照灯的发展大致经历了白炽灯、卤素灯和氙气灯三个阶段。20世纪六十年代以前，白炽灯是汽车照明的首选。但是昏黄的灯光只能供给速度较慢的汽车，而且由于白炽灯质量不稳定，常有事故发生。1960年以后，卤素灯成为汽车照明的新宠儿。卤紊灯，就是在灯泡内掺入少量的的惰性气碘，从灯丝蒸发出来的钨原子与碘原子相遇反应。生成碘化钨化合物，当碘化钨化合物一接触白热化的灯丝(温度超过1450)，又会分解还原为钨和碘，钨又重新归队回到灯丝中去，碘则重新进入气体中。如此循环不已，灯丝几乎不会烧断。灯泡也不会发黑，所以它要比传统的白炽前照灯寿命更长，亮度更大。随着时代的进步和科学技术的进一步发展，性能更加优良的氤气灯(HighIntensity Discharge Lamp高压气体放电灯，简称HID)的诞生，将汽车照明灯具提升到更高的层次。氙气灯的原理是在UVcut抗紫外线水晶石英玻璃管内，以多种化学气体充填，其中大部份为氙气(Xenon)与碘化物等惰性气体，然后再透过增压器(Ballast)将车上12V的直流电压瞬间增压至23000V的电流。经过高压振幅激发石英管内的氙气电子游离，在两电极之间产生光源，这就是所谓的气体放电。而由氙气所产生的白色超强电弧光，可提高光线色温值，类似自昼的太阳光芒，HID工作时所需的电流量仅为3.5A，亮度是传统卤素灯泡的3倍，使用寿命比传统卤素灯泡长10倍。虽然氙气灯与普通的卤素灯相比性能有很大的优势，但是氙气灯所有这些优点的实现必须建立在一套安全可靠的高性能电子镇流器的基础上，这就造成氙气灯的改造费用相比而言非常昂贵。目前国内除了奔驰、宝马等高档轿车是原装的氙气大灯外，其他一些车辆出厂是都是卤素前照灯。而且国内目前对氙气灯的改造还没有相关的具体规定，私自改装氙气灯属于违规行为。目前国内汽车主流的汽车大灯还是卤素前照灯。目前国内很多用卤素大灯用户都反映汽车大灯不够亮，造成这种问题的原因很多都是由于汽车供电系统供给大灯的电压不够稳定，所以设计一款稳定高效的汽车大灯增亮器是非常有意义的。1.2 开关电源的发展和趋势 1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛应用于航天及军事电子设备上。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压较高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。60年代末，由于微电子技术的快速发展高反压的晶体管出现了，从此直流交换器就可以直接有家点经整流、滤波后输入，不再需要有工频变压器降压了。从而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关稳压电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减少。开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。70年代以后，与这种技术有关的高频、高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器铁芯等器件也被研究出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速发展，并且被广泛地应用与电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源中的佼佼者。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。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。1.3 DC/DC转换器DC/DC转换器是一种应用最广泛的电源管理系统， 它通过控制开关管的导通和关断时间的比率，将固定的直流电压转换成具有一定幅值的输出电压。由于电路的调整管工作在开关状态，所以具有较高的工作效率，加上体积小、重量轻、稳压范围广等优点，广泛的应用于许多电子设备中。 从应用领域看，DC/DC转换器芯片市场的焦点集中在便携式产品、消费类电子、计算机、通讯和网络设备应用领域，同时工业设备和汽车电子对电源管理芯片，需求也呈上升趋势，这些需求让电源管理芯片市场倍添活力。由于人们在生活和工作中的移动性越来越强，对手机、数码相机、笔记本电脑、MP3 播放器等便携式产品的需求将越来越大，预计 2008 年全球所有便携式产品的出货量将增加到15 亿个，这些产品构成了电源管理芯片巨大的需求市场。随着科技的发展，在当今社会，便携式电子设备己经成为人们不可或缺的必需品。而在便携式电子设备中，低电压高效率 DC/DC转换器对于单电池供电的系统显得非常的重要。1.4 DC/DC转换器的发展趋势随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，模块 DC/DC 功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。DC/DC转换器在产品、电路拓扑以及生产工艺等方面呈现出以下发展趋势：(1)产品的发展趋势 向低电压大电流高功率方向发展； 向分布电源方向快速发展，但集中式供电系统仍将继续存在； 向标准化、系列化产品方向发展； 向智能化、数字控制方向发展； 向总线结构和非隔离负载点(niPOL，non-isolated point of load)电源发展。非隔离式 DC/DC变换器比隔离式增长速度更快。(2)电路拓扑技术发展趋势在拓扑结构方面，单元化、模块化，并以积木块(Building Block)的方式进行组合。零电压-零电流软开关技术及同步整流技术，已成为提高效率的重要途径。主要发展方向有： 高频化为缩小开关电源的体积，提高其功率密度，改善动态响应，DC/DC 电源的开关频率由现在的200500 kHz 提高到 1 MHz 以上。但高频化又会产生新的问题， 如开关损耗以及无源元件的损耗增大、高频寄生参数以及高频EMI 等问题。 软开关为提高效率，需采用各种软开关技术，包括无源无损(吸收网络)软开关技术、有源软开关技术，如 ZV-ZCS 谐振、准谐振、恒频零开关技术等，以减小开关损耗和开关应力，实现高效率的高频化。 低压输出低电压、大电流、高功率变换技术，已从313 V降至 110 V，电流已达几十至几百安培。同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、启动时间、启动过冲以及动态特性等，也得到进一步提高。它的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结构动态问题(尤其是负载的大信号动态问题)、同步整流技术、控制技术以及其它相关技术的研究。(3)工艺发展趋势磁集成技术的出现使得磁性元件(变压器和电感)的尺寸进一步缩小。在开关电源中，磁性元件往往是体积最大的元件，减小磁性元件的体积就能大幅度提高电源功率密度。磁性材料的先进设计工艺，如平面变电压器技术和磁集成技术，是产品追求小型化发展的方向。1.5 课题研究的目的及意义随着市场上各种便携式产品的不断增长，对低功耗、高转换效率、小体积的DC/DC转换器的需求也迅速增加。因此，DC/DC转换器具有极高的市场潜力，前景非常乐观。因此，致力于低功耗、高效率的 DC/DC 转换芯片的设计及开发，具有重要的现实意义。1.6 课题结构安排 第一章介绍汽车大灯、开关电源的发展和DC/DC转换器的发展趋势和特点，以及本课题的论文的安排。第二章对课题任务要求做了简要描述，并根据要求选择确定本课题的总体方案。第三章主要介绍本课题所要用到的一些基本的原理，对DC/DC升压电路、升压电路的PWM控制做了主要的阐述。 第四章根据第三章的基本原理来设计硬件电路，并对各个模块的具体工作原理进行分析介绍。第五章对本系统的软件设计做简要说明。 第六章介绍了后期硬件设计的制作及调试的一些注意事项。 2 方案设计2.1 设计要求 任务书的要求是利用高效率的开关电源对汽车的电源进行升压并稳定工作电压在14.5V，同时要求具有必要的保护功能。过电压保护，当输出电压大于某个设定值由电源直接供电。低压保护功能，若电源提供电压小于14.5V的时候，系统自动进入升压模式。当第一次启动时灯泡线性软启动延时1秒(灯泡由暗至亮启动),以延长灯泡寿命。2.2 方案确定 根据题目要求，利用电力电子技术的相关知识，提出方案。首先通过DCDC变换将DC 12V电压逆变为高频方波，经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的145V直流电压。通过过热、故障控制电路选择大灯的供电电压，当温度过高或DC变换输出电压过低时，自动切换到由汽车电瓶直接为大灯供电。冷启动检测环节自动检测大灯启动状态，当首次开启时，通过脉宽调制控制电路的关断功能控制DC-DC变换无输出，从而通过供电选择控制环节切换为电瓶直接供电，经设定的延时时间后再切换为141 V供电。这样可以降低高电压冷启动对大灯的冲击，保证大灯的使用寿命。结构框图如下图所示。 蓄电池12V滤波DC-AC控制电路冷启动检测汽车大灯高频升压逆变整流滤波DC 14.5V供电选择控制过热、故障保护图2-1 大灯增量器结构图上面所提出方案虽然能高效的达到任务书所要求的，但是制作困难，调试不易，缺乏相应的制作工具。鉴于此种情况，提出以下方案来对系统所要求实现的功能进行模拟。升压稳压电路采用专业的DC/DC变换芯片MC34063和反馈电路来实现对输入电压的升压稳压功能。利用单片机AT89S52及其ADC0809来对输入输出电压进行采集处理，然后控制继电器来选择系统的供电方式，实现低压保护及其过压保护功能，并且利用显示模块来对系统的输入输出电压进行监控。3 系统设计原理介绍3.1 DC/DC转换器升压原理直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路的包括6种基本的斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。下面对升压斩波电路做具体地介绍。图3-1 升压斩波电路及其工作波形a）电路图b）波形一个基本的升压型 DC/DC 转换器主回路电路如上图所示，它是由一个功率开关管V、二极管 VD、LC低通滤波器和负载组成。升压型 DC/DC 转换器的工作模式是依据流经电感的电流是否降为零来区分的，一般可分为两种工作模式：连续导通模式（Continuous-Conduction Mode；CCM）和不连续导通模式（Discontinuous-Conduction Mode；DCM）。当流过电感的电流不会降为零时，我们定义转换器工作在连续导通模式；而当其电感电流将会降为零时，我们定义转换器工作在不连续导通模式，亦即流经电感器的电流是不连续的。为了分析方便，我们可以假定： (1) 开关管V和二极管VD具有理想的特性（无损耗，无惯性）； (2) 电感足够大，电感电流连续，电感无损耗；电容足够大，电容脉动电压可以忽略，电容无损耗； (3) 假设输出电压纹波值与输出电压比值小到可以忽略，即可以认为V（t） =Vo，输出直流电压无脉动；在 CCM 时由于电感电流纹波值相对平均电感电流小，为了分析方便我们也认为电感瞬态电流 i（t）= ，如下图所示。 图3-2 电压纹波示意图 (4) 电路进入稳态3.1.1 连续工作模式连续工作模式分为两个阶段，第一阶段为开关导通阶段（ 0t ton） ，第二阶段为开关断开阶段（ ton t T），T为开关周期。1.开关导通阶段（ 0t ton）开关导通时的压降很小，所以二极管反向。假设电感在此过程未饱和，电流从I1 到 I2 线性上升，所以 (3-1) = (3-2)电感储存能量 (3-3)在这阶段输出电流完全由输出电容C提供，所以要选择适当大小的输出电容。2.开关关断阶段（ ton t T）第二阶段开始于t=ton，。因为电感电流不能突变，为了保持电感电流，电感电压反向，此时电流流过开关、电感L、电容 C、二极管 D和负载。在下一周期开关重新导通之前，电感电流线性下降。电感通过二极管把储存的能量向电容充电，使得输出电压高于输入电压。电感上的电压（Va-Vs）线性下降(3-4)(3-5)因为两个阶段电感纹波电流相等 (3-6) 把 ton=DT和toff=(1-D)T代入式（3-6）中，得 （3-7） 因为（3-8） （3-9） 从（3-9）式可以看出，反比于开关频率和电感 L。开关导通期间，负载电流由电容提供，因此电容电流平均值Ic等于输出电流平均值Ia。开关断开期间，电容充电电流从（I2-Ia）到（I1-Ia）线性减小。稳态工作时，平均充电电流和 toff 的乘积等于平均放电电流和ton 的乘积，因此输出电压纹波 （3-10）由（3-7）得 （3-11） （3-12） 把式（3-12）代入式（3-10），化简得（3-13） 输出电压的纹波 等于电容电压纹波 ，所以要减小输出电压纹波可以提高开关频率或增大输出电容，电感只是作为储能元件而并不是输出滤波器组成部分，因此升压变换器的输出纹波一般大于降压变换器的纹波。3.1.2 非连续工作模式如果开关在下一个周期导通之前，电感电流下降到零，那么变换器就工作在非连续模式。假设输入功率等于输出功率的理想情况，临界电感 Lc（3-14）非连续工作模式第二阶段分为ton t 和 tT两种情况（ 为电感电流为零的时刻）。在0t ton和ton t 期间电感平均电压分别为Vs 和（Va-Vs）（3-15）定义 D2=(t2-ton)/T，则平均输出电流（3-16）平均输入电流等于平均电感电流（3-17）把式（3-16）和（3-17）代入式（3-15）得（3-19）（3-18）比较两种工作模式可以看，出两者输出电压上升的速度不同，非连续模式比连续模式电压上升的速度要快。在相同的占空比D，非连续模式输出电压比连续模式要高。 升压变换器开关开始导通时，数倍于稳态电流的浪涌电流会流过开关，所以要采取措施限制浪涌电流，如果浪涌电流使输入电感饱和，那么只有电源阻抗和寄生电阻限制浪涌电流，浪涌电流会更大。开关占空比的改变对输出电压的影响非常敏感，所以必须要设计反馈电路。如果输出电压高于输入电压三倍，器件寄生参数对电路的影响会变得非常大。3.2 PWM调制方式DC/DC 变换器的调制方式主要有三种：脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式和混合调制方式。下面将分别介绍这三种调制方式的特点。 (1) 脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM）方式。其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期固定，为设计滤波电路提供了方便。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；同时在晶体管导通时间内，有很短的 ton 时间可调，使输出电压不稳定，故在输出端要有一定数量的假负载（预负载），以防止空载时输出电压升高。 (2) 脉冲频率调制方式， 简称脉频调制（Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM）方式。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用固定频率转换器改变频率。其稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，输出电压降低。(3) 混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于 PWM 和 PFM 的混合方式。由于脉冲宽度和周期均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。PWM反馈控制原理PWM开关稳压或稳流电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基难信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关频率一般为恒定值，控制取样信号有输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压及开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的。同时，可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁及均流等功能。PWM反馈控制模式主要有5种，电压模式、峰值电流模式、平均电流模式、滞环电流模式、相加模式等PWM反馈控制模式。下面以VDMOS开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例，阐述PWM反馈控制模式的发展过程、基本工作原理、详细电路原理示意图、波形、特点及应用要点。一般来讲，正激型开关电源的主电路可用图3-1所示的降压斩波器简化表求，Ug表示控制电路的PWM输出驱动信号。根据选用不同的PWM反馈控制模式，电路中的输入电压Uin、输山电压Uo、开关器件电流(由b点引出)、电感电流(由c点或d点引出)均可作为取样控制信号。输出电压Uo在作为控制取样信号时，通常经过图3-2所示的电路进行处理，得到电压信号Uc，Uc再经处理或直接送入PWM控制器。在图3-2中，电压运算放大器(ea)的作用有三：（1）将输出电压与给定电压Uref的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳压精度。该运放的直流放大增益理论上为无穷大，实际上为运放的开环放大增益。 (2)将开关电源主电路输出端的附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为具有一定幅值的比较“干净”的直流反馈控制信号(Ie)，即保留直流低频成分，衰减交流高频成分。因为开关噪声的频率较高，幅搜较大，高频开关噪声衰减得不够的话，稳态反馈不稳，高频开关噪声衰减得过大的话，动态响应较慢。虽然互相矛盾，但是电压误差运算放大器的基本设计原则仍是低频增益要高，高频增益要低。（3）对整个闭环系统进行校正，使闭环系统稳定工作。输入电压、电流等信号在作为取样控制信号时大多也需经过处理的处理方法不同。图3-3 正激型开关电源主电路图3-4 输出电压控制电路图下面主要对本系统多用的电压模式控制进行阐述图3-5(a)为Buck降压斩波器的电压模式控制(Voltag- Mode Contro1)反馈系统原理图。电压模式控制是20世纪60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采用的第一种控制方法。该方法与些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度，如图3-5(a)中的波形所示。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容c及电感L的相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后。输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。电压模式控制的优点有：(1)PWM三角波的幅值较大。(2)占空比调节不受限制。脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量。(3)对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好。(4)单一反馈电压闭环设计、调试比较容易。(5)对输出负载的变化有较好的响应调节。电压模式控制的缺点有：(1)对输入电压的变化动态响应较馒。(2)补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化，使其更为复杂。(3)输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。(4)在检测及控制磁芯饱和故障状态方面较为复杂。 加快电压模式控制瞬态响应速度的方法有两种：一是增加电压误差放大器的带宽，保证具有一定的高频增益，但是这样容易受高频开关噪声干扰影响，需要在主电路及反馈控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理；另一方法是采用电压前馈模式控制技术，原理如图3-5(b)所示。用输入电压对电阻、电容(Rft、Cft)充电产生的具有可变化上斜坡的三角波取代传统电压模式控制中振荡器产生的固定三角波。此时，输入电压的变化能立刻在脉冲宽度的变化上反映出来。因此，该方法能明显提高输入电压变化引起的瞬态响应速度。对输入电压的前馈控制是开环控制，而对输出电乐的控制是闭环控制，目的是提高对输入电压变化的动态响应速度。这是一个由开环和闭环构成的双环控制系统。3-5（a）降压斩波器的电压模式控制3-5（b）电压前馈模式控制3.3 软启动的实现方法随着便携式电子产品在通信、计算机及消费类电子(3C)等领域中的不断增长，对电源管理IC的需求也呈上升趋势。而DCDC开关电源在宽输入电压范围和宽负载范围条件下具有杰出的效率表现，而被广泛应用。开关电源是通过将误差信号转换成占空比控制信号驱动开关而工作的。在启动阶段，误差放大器处于非平衡状态，使得环路处于100占空比工作，因此会有很大的浪涌电流灌入输出电容，使得输出电压产生较大的过冲，浪涌电流也有可能损耗开关管和其他器件。为此软启动电路应运而生，它的设计思想是通过限制占空比或限制开关电流来消除浪涌电流，避免输出电压过冲。随着电子系统趋于复杂化，系统对电源电压的上电时序和上电的平稳度有了更高的要求。下面结合典型的Buck型DC/DC转换器对传统的软启动电路做下介绍。图3-6 Buck型DC-DC转换器控制框图在启动初始阶段，输出电压远低于设定值，所以电压远低于基准电压，使得误差放大器处于非平衡状态，误差放大器(EA)输出Vc为高电平，此时环路处于100占空比工作，因此会有很大的浪涌电流灌入输出电容。为了消除启动时的浪涌电流实现输出软启动，通常有两种方法：一种是电压限制的方法；另一种是电流限制的方法。电压限制方法的设计思想是通过限制误差放大器(EA)输出信号Vc的电压值，从而限制启动时的占空比，该方法又可以分为直接限制Vc电压和限制EA输入信号两种。传统的做法是通过一个电流源给电容充电得到斜坡上升的软启动电压，用软启动电压代替或Vc电压，从而达到软启动的目的。这种方法的优点是简单易用，缺点是需要一个软启动电容来控制软启动时间，该电容往往很大，不能集成在芯片上，这将增加应用面积和应用成本。电流限制的方法是通过检测开关管的电流并由电流比较电路来限制开关管的电流，消除浪涌。考虑到电流限制值一般大于工作电流的最大值，开始就以电流限制值工作可能会造成输出过冲，为此，一般通过阶梯型增加电流限制阈值的方法来实现软启动。这种方法的缺点是需要增加电流检测和电流比较电路，不适合于没有电流限制功能的开关电源电路，而且电流限制值的切换往往并不平稳。4 硬件电路4.1 硬件电路所使用芯片简介4.1.1 DC/DC转换芯片MC34063 MC34063本身包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路。它由具有温度自动补偿功 能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器RS触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件既可用于升压变换器也可用于降压变换器的控制，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。它的主要特征主要特征：输入电压范围：2.540V，输出电压可调范围：1.2540V，输出电流可达1.5 A，工作频率最高可达100kHz。 它的内部框图及封装形式如图所示：图4-1 内部框图图4-2 器件引脚图它的引脚功能。1脚：开关管T1集电极引出端；2脚：开关管T1发射极引出端；3脚：定时电容Ct接线端；调节Ct可使工作频率在100100kHz范围内变化；4脚：电源地；5脚：电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1的精密电阻；6脚：电源端；7脚：负载峰值电流（Ipk）取样端；6，7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能；8脚：驱动管T2集电极引出端。MC34063的一些主要参数如下表所示：表4-1 MC34063主要参数项目条件参数单位Power Supply Voltage 电源电压VCC40VdcComparator Input Voltage Range 比较器输入电压范围VIR0.3-+40VdcSwitch Collector Voltage 集电极电压开关VC(switch)40VdcSwitch Emitter Voltage (VPin 1 = 40 V) 发射极电压开关VE(switch)40VdcSwitch Collector to Emitter Voltage 开关电压集电极到发射极VCE(switch)40VdcDriver Collector Voltage 驱动集电极电压VC(driver)40VdcDriver Collector Current (Note 1) 驱动集电极电流IC(driver)100mASwitch Current 开关电流ISW1.5AOperating Junction Temperature工作结温TJ+150Operating Ambient Temperature Range操作环境温度范围TA0-70其内部框图中所表示的电路解释如下： 振荡器通过恒流源对外接在CT管脚(3脚)上的定时电容不断地充电和放电，以产生振荡波形，充电和放电电流都是恒定的，所以振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平，D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平，当C和D输入端都变成高电平时，触发器被置为高电平，输出开关管导通，反之，当振荡器在放电期间，C输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。 电流限制SI检测端(5脚)通过检测连接在V+和5脚之间电阻上的压降来完成功能，当检测到电阻上的电压降接近超过300mV时，电流限制电路开始工作，这时通过CT管脚(3脚)对定时电容进行快速充电，以减少充电时间和输出开关管的导通时间结果是使得输出开关管的关闭时间延长。 该器件所组成的DC/DC升压压变换器电路如下图。 图4-3 升压变换器原理电路图 。 在设计DC/DC变换器时，相关参数必须按图4-4所给公式来确定，首先应该确定的参数如下：Ui (输入电压)：如果该电压不是一个稳定的值，那么，对于降压变换器，应该取Ui的最大值进行计算；对于升压变换器，应该取Ui的最小值进行计算。 Uo（输出电压)：它的稳压值由R1和 R2决定，其计算公式为U o=1.25 ( 1 + R2/R1 )。 Io (输出电流) ：是 DC/DC变换器的输出电流。 (振荡器频率) ：它决定开关管的通断频率： ( 输出电压纹波峰一峰值) ：该参数用于决定输出滤波电容Co的数值。 其中为输出开关管饱和电压，为输出开关管导通时间，为整流二极管正向压降，为输出开关管关闭时间。图4-4 设计规范表4.1.2 单片机AT89S52AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52是一个有40个引脚的芯片，引脚配置如图4-5所示。其40个引脚功能为：VCC：电源电压。GND：接地。RST：复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡放大器的输出。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 P0口：8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：8位双向I/O口。引脚P1.2P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。 P2口：带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：引脚P3.0P3.7为带内部上拉的双向I/0引脚。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。图4-5 AT89S52引脚配置4.1.3 ADC0809ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809的内部逻辑结构 图4-6 ADC0809内部结构由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 图4-7 ADC0809引脚图引脚结构 IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 表4-2CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ；VREF（），VREF（）为参考电压输入。 ADC0809应用说明 a. ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 b. 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 c. 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 d. 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 e. 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 f. 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。(2) ADC0809电路ADC0809的电路接线图如下：数据输出引脚OUT1OUT8接到单片机的P0.0p0.7，用于把转换好的数据传输到单片机中；A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把三位地址写入ADC0809中的地址锁存器，就实现了模拟通道选择。我们采用的是线选法，口地址由P2.7确定，同时和WR相或取反后作为ADC0809的开始选通信号，ALE信号与START信号连接在一起，这样使得在ALE信号的前沿写入地址信号，紧接着在其后就启动转换；当转换结束以后，转换完成的信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送，EOC信号经过反相器后送到单片机的INT0端，当中断被请求后，送出口地址，并与RD相或取反后作为选通信号，当OE信号有效后，把数据传送入数据总线。CLK的时钟输入信号为500KHz； 图4-8 ADC0809电路接线图4.2 硬件电路设计4.2.1 DC/DC升压稳压电路模块本模块采用专用的DC/DC变换芯片来实现升压，然后利用电压模式的PWM反馈控制原理来对芯片中的开关管导通时间进行控制。具体原理图如下图所示。图4-9 DC/DC升压稳压电路 当芯片内开关管导通时，电源经取样电阻Rsc、电感L、MC34063的1脚和2脚接地，此时电感L开始存储能量，而由C6对负载提供能量。当芯片内开关管导断开时，电源和电感同时给负载和电容C6提供能量。电感在释放能量期间，由于其两端的电动势极性与电源极性相同，相当于两个电源串联，因而负载上得到的电压高于电源电压。开关管导通与关断的频率称为芯片的工作频率。只要此频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续的直流电压。脚5电压与内部基准电压1.25V同时送人内部比较器进行电压比较。当脚5的电压值低于内部基准电压(1.25V)时，比较器