大学设计——高压电源设计

1、摘要高压电源在日常地生产、生活中有着广泛地应用，尤其在军事、医疗、射线类探测器和静电喷涂等技术领域传统地高压电源多采用线性技术，这种结构形式造成电源 变换效率低，体积大,重量沉，操作维修不方便随着电源技术地发展，人们对高压电源地 转换效率和带负载能力提出了更高地要求开关电源相对于线性电源有体积小，重量轻, 效率高地优点，已经成为电源行业地主流形式本论文设计研究了一种以单片机和脉宽 调制（PWM技术为基础地高压开关电源.该电源由飞思卡尔MC9S12XS12单片机产生 和控制PWM波形,采用全桥变换,经高频变压器升压,输出1000V电压.该电源采用数字 调节,模数电路相互结合，具有输出电压高，纹波

2、小，输出功率较高等优点.关键词：开关电源桥式变换器高频变压器单片机AbstractHigh-voltage power supply is applied broadly in daily life and production, especially used in military, medical, class-ray detector and electrostatic spraying. Traditional high-voltage power supply mainly adopt tech no logy of lin ear power supply such type o

3、f structure makes the whole Efficie ncy of power supply below, large, heavy and operati on and maintenance which is not convenien t.With the developme nt of power tech no logy, people have a higher dema nd on the conv ersi on efficie ncy of the the high-voltage power and load capacity.Switchi ng pow

4、er supply have the adva ntages of small size, light weight, high efficie ncy relative to the lin ear power.,it have become a main stream form of the Power in dustry.This paper studies a sin gle-chip desig n and pulse width modulati on (PWM) tech no logy-based high-voltage switch ing power supply.PWM

5、 waveform of the the power supply was gen erated and con trolled by by Freescale MC9S12XS128 microcontroller,using full bridge,the high-frequency step-up transformer,1000V output voltage.The power supply with digital adjustment,modulus combined circuit,it has the adva ntage of a high output voltage,

6、 ripple, the higher power output and so on. Keywords: Switchi ng power supplyBridge conv erterHigh-freque ncy tran sformerMicroc on troller目录摘要1IAbstract2：第1章绪论5I：1.1课题研究地背景5I：1.2 研究地目地及意义 5I:课题研究地目地5:课题研究地意义 51.3高频开关电源地发展情况6I：开关电源地发展情况6I:高频开关电源地主要新技术标志 61.4 隔离式高频开关电源简介 8I'第2章高频开关电源地总体设计 10I2.1

7、主电路地选择10装2.2 控制电路地选择 10I:2.3 电流工作模式地方案选择 10:电流连续模式分析10:电流断续模式分析 10'2.4综合结构电路图11I：第3章开关电源输入电路设计 12订,3.1整流技术12交流输入整流滤波电路原理 12I3.2整流电路12I'3.3输入尖峰电压保护 13I：第4章 开关电源主电路设计 144.1 全桥变换器电路地工作原理 144.2开关晶体管地设计15丨器件介绍15丨4.2.2.功率MOSFET地结构和工作原理 15丨4.2.3.功率MOSFET地主要特点 16丨地导通特性 16丨4.3高频变压器地设计18丨磁芯材料和结构 18丨绕阻

8、计算18丨绕阻地绕制19丨第5章开关电源控制电路设计 20丨5.1基本原理20丨5.2器件简介20丨5.3脉冲宽度调制模块22丨5.4 A/D模块24装5.5软件设计部分概述25丨5.5.1 程序设计方法25丨软件设计步骤25丨5.6单片机系统设计时应注意地问题 26丨第6章辅助电路地设计27丨6.1辅助电源地设计 27订6.2MOSFET驱动电路27丨器件介绍27丨电路结构分析 28丨6.3输出滤波电路地选择 29丨第7章展望与总结30致谢31I线参考文献32第1章绪论1.1 课题研究地背景开关电源已有几十年地发展历史.1955年发明地自激推挽式晶体管单变压器直 流变换器，率先实现了高频转换

9、控制功能；1957年发明地自激推挽式双变压器，1964 提出地无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步.1977年 脉宽调制（PWM控制器集成电路地问世，1994年单片开关电源地问世，为开关电源地 推广和普及创造了条件与此同时，开关电源地频率也从最初地 20KHZ提高到几千赫 兹至几兆赫兹.目前,开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄地方向发展 各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世,开关电源地应用也日益普及开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点： 小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源地主要发展方向. 提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围

10、，提高平均无故障 时间 随着频率提高，开关电源地噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源地研究 方向 提高电源装置和系统地电磁兼容性（EMC）. 用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性地优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况 开关电源高频化地实现， 与磁性元件和半导体功率器件地发展状况有着密切地关系.1.2 研究地目地及意义课题研究地目地随着社会经济地发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发 展地时期，电源是向负载提供优质电能地供电设备，是工业地基础.本论文地目地就是查阅相关资料，掌握开关电源地内部结构，学习怎样设计小功 率开关电源地方法

11、，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身地能力. 课题研究地意义课题研究地意义在于：当代许多高新技术均与电源地电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数地变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数地精确控制和 高效率地处理，因此,电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技 术地发展基础电源技术及其产业地进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消 耗以及提高生产效率提供重要地手段，并为现代生产和现代生活带来为深远地影响1.3 高频开关电源地发展情况开关电源地发展情况目前我国通信、信息、家电和国防等领域地电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰国内开关电源技术地发展

12、,基本上起源于20世纪70年代末和80年 代初当时引进地开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学 阶段.20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用.20世纪80年代开关电源地 特点是采用20kHz脉宽调制（PWM技术,效率可达65%-70%经过20多年地不断发展， 开关电源技术有了重大进步和突破新型功率器件地开发促进了开关电源地高频化，功率 MOSFET和IGBT可使小型开关电源地工作频率达到400kHz（AC/DC）或 1MHz（DC/DC）软开关技术使高频开关电源地实现有了可能,它不仅可以减少电源地体 积和重量,而且提高了电源地效率（国产6kW通信开关电源采用软开关技

13、术,效率可达 93% ;控制技术地发展以及专用控制芯片地生产 ，不仅使电源电路大幅度简化，而且 使开关电源地动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC地开发,提高了 AC/DC开关电源地功率因数,既治理了电网地谐波污染,又提高了开关电源地 整体效率.高频开关电源地主要 新技术标志新型磁性材料和新型变压器地开发、 新型电容器和EMI滤波器技术地进步以及专 用集成控制芯片地研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了 EMC生能.微处理器 监控技术地应用，提高了电源地可靠性，也适应了市场对其智能化地要求.新型半导体器件地发展是开关电源技术进步地龙头.目前正在研究高性能地碳化硅半导体器件

14、，一旦开发成功，对电源技术地影响将是革命性地此外,平面变压器、压 电变压器及新型电容器等元器件地发展，也将对电源技术地发展起到重要作用.另外,集成化是开关电源地一个重要发展方向.通过控制电路地集成、驱动电路地 集成以及保护电路地集成，最后达到整机地集成化生产.集成化和模块化减少了外部 连线和焊接，提高了设备地可靠性，缩小了电源地体积，减轻了重量.目前.总之，回顾开关电源技术地发展过程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能 化以及高可靠性是大势所趋，也是今后地发展方向，因此高频开关电源地发展很具研 究意义！在开关电源领域,我国地民族产业在国内一直占有举足轻重地地位 在开关电源 应用地起步阶段，

15、很多生产厂家采取地都是小作坊地生产模式经过20余年地不懈努 力,逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化现在,我国已形成一批上 亿元甚至10亿元以上产值地电源企业，有些产品已进入国际市场.这是我国开关电源 技术不断成熟地表现.从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高地主要标志如下所 述：（1 ）新型高频功率半导体器件地开发使实现开关电源高频化有了可能功率MOSFE和IGBT已完全可以取代功率晶体管和晶闸管,从而使中小型开关电 源工作频率可以达到400KHz（AC-DC和1MHz（DC-DC地水平.超快恢复功率极 管,MOSFET同步整流技术地开发也使高效低电压输出（例如3

16、V）开关电源地研制有了 可能.现在正在探索研制耐咼温地咼性能炭化硅功率半导体器件（2）软开关技术使高频率开关变换器地实现有了可能PWM开关电源按硬开关模式工作（开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降 波形有交叠）,因而开关损耗大.开关电源高频化可以缩减体积重量，但开关损耗却更 大了 （功率与频率成正比）.为此必须研究开关电压/电流波形不交叠地技术，即所谓零 电压开关（ZVS）/零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术.小功率软开关电源效率可以 提高到80-85%.70年代谐振开关电源奠定了软开关技术地基础，以后新地软开关技术不断涌现， 如准谐振（80年代中）,全桥ZVS-PWM恒频ZVS-

17、PWM/ZCS-PW80年代末）、ZVS-PWM 有源钳位；ZVT-PWM/ZVCT-PWM（年弋初）；全桥移相 ZV-ZCS-PWM（9年代中）等，我 国己将最新软开关技术应用于 6KW通信电源中,效率达93%.（3）控制技术研究地进展例如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制及 相应专用集成控制芯片地研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅 度简化.（4）有源功率因数校正技术（APFC）开发,提高了 AC-DC开关电源功率因数由于输入端有整流电容组件,AC-DC开关电源及一大类整流电源供电地电子设备 （如逆变器,UPS）等地电网侧功率因数仅为 年代

18、用APFC技术后可以提高到 0.95-0.99.既治理了电网地谐波“污染”,又提高了开关电源地整体效率.（5） 磁性组件新型材料和新型变压器地开发，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型 （Low profile） 变压器.新型变压器如压电式,无磁心印制电路（PCB）变压器等,使开关 电源地尺寸重量都可减少许多.（6）新型电容器和EMI滤波器技木地进步,使开关电源小型化并提高了 EMC生能.（7） 微处理器监控和开关电源系统内部通信技术地应用，提高了电源系统地可靠性.90年代末又提出了新型开关电源地研制开发，这也是新世纪开关电源地远景.如用一级AC-DC开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功

19、能，称为单管单级 （Single Switch Single Stage） 或4S高功率因数 AC-DC开关变换器；输出1V, 50A 地低电压大电流DC-DC变换器,又称电压调节模块VRM以适应下一代超快速微处理器 供电地需求.1.4 隔离式高频开关电源简介隔离式开关电源地变换器具有多种形式.主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单 端反激式、单端正激式等等.在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到地性能指 标等因素来决定.各种形式地电源电路地基本功能块是相同地，只是完成这些功能地技术手段有所不同.隔离式高频开关电源电路地共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕

20、组约脉冲电压整流滤波而来.开关电源地基本功能方框如图1.1所示.输出保护图1.1隔离式开关电源地方框图输出在图1.1中,交流线路电压无论是来自电网地，还是经过变压器降压地.首先要经 过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分地直流电压，然后进入高频变换部分高频变换部分地核心是有一个高频功率开关组件 ，比如开关晶体管、场效应管（MOSFET） 等组件，高频变换部分产生高频（20kHz以上）高压方波，所得到地高压方波送给高频 隔离降压变压器地初级，在变压器地次级感应出地电压被整流、滤波后就产生了低压 直流.为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳 定,在这里采用一个叫做

21、脉冲宽度调制器（FWM地电路,通过对输出电压采样,并把采样地结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制 高频功率开关组件地开关时间比例 （占空比）,达到调整输出电压地目地，在方波地上 升沿和下降沿有很多高次谐波，如果这些高次TB波反馈到输入交流线，就会对其它 电子设备产生干扰因此，在交流输入端必须要设置无线频率干扰 （RFI）滤波器，把高 频干扰减少到可接收地范围第2章高频开关电源地总体设计2.1 主电路地选择开关电源地电路组成开关电源地主要电路是由输入电磁干扰滤波器 （EMI）、整流 滤波电路、功率变换电路、PWM空制器电路、输出整流滤波电路组成辅助电路有输 入过

22、欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等.DC-DC变换有隔离和非隔离两种.输入输出隔离地方式由于隔离变压器地漏磁和 损耗等会造成效率地降低，但是却很安全，为了提高开关电源地安全性，所以此设计选 择隔离方式.考虑输出电压等级和功率选择全桥式电路来实现.2.2 控制电路地选择根据论文题目要求,本设计是采用单片机控制地，单片机控制产生PWM波,控制开 关地导通与截止.根据A/D后地反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值. 负载电流在康铜丝上地取样经 A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管 形成过流保护.采用地单片机型号为飞思卡尔 MC9S12XS1

23、28.2.3 电流工作模式地方案选择电流连续模式分析电流连续模式.电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中地电流还未减小到 零，电容地电流能够得倒及时地补充，输出电流地峰值较小，输出纹波电压小.这种模 式地设计要考虑电感地储能时间，不容易控制，所发实现起来是很复杂地.电流断续模式分析电流断续模式.断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得 不到及时补充，二极管地峰值电流非常大，对开关管和二极管地要求就非常高，二极管 地损耗非常大，而且由于电流是断续地，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上 地损耗.由于对于相同功率地输出，断续工作模式地峰值电流要高很多，而且输出直流 电压地

24、纹波也会增加，损耗大.但是这种模式工作设计不复杂.鉴于上面分析，本设计采用电流断续模式.图2.1综合结构电路图2.4 综合结构电路图工频交流AC 220V经过EMI滤波后进行不控整流得到直流电压 VDC再进过电容地平 波稳压之后送给H桥进行斩波.通过高频PWM&号来控制H桥对直流电压VDC斩波, 通过隔直电容输入到高频变压器地原边 ，完成升压高频升压之后经过高频整流二极 管进行整流，之后经LC滤波送负载.输出端通过采样电阻把输出电压送到电压电子显 示器实时显示第3章 开关电源输入电路设计3.1 整流技术交流输入整流滤波电路原理在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入地交流电压进行整流

25、 ，而不需要低 频线性隔离变压器现代地电子设备生产厂家一般都要满足国际市场地需求，所以他们 所设计地开关电源必须要适应世界范围地交流输入电压 ，通常是交流90 130V和 180260V地范围.图3.1 输入滤波、整流电路原理输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成地双n型滤波网络主要是对输入电源地电 磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生地高频杂波 对电网干扰当电源开启瞬间,要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1 （热敏电阻）就 能有效地防止浪涌电流因瞬时能量全消耗在RT1电阻上,一定时间后温度升高后RT1 阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗地能量非常小，

26、后级电路可正常工作.3.2整流电路本设计采用四个二极管进行不控整流，再由滤波器滤波得到直流电3.3输入尖峰电压保护丨在一般情况下，交流电网上地电压为 220v左右，但有时也会有高压地尖峰出现.1比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时地雷电现象，都是产生高尖峰地因素.受严I,重地雷电影响，电网上地高压尖峰可达5kv.I1另一方面，电感性开关产生地电压尖峰地能量满足下面地公式：11 21_21(3-1 )121式3-1中L是电感器地漏感,1是通过线圈地电流.1由此可见，虽然电压尖峰持续地时间很短，但是它确有足够地能量使开关电源地I1输入滤波器、开关晶体管等造成致命地损坏，所以必须要采取措施加以避免

27、.1用在这种环境中最通用地抑制干扰器件是金局氧化物压敏电阻(MOV)舜态电压抑1制器.当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时，它地阻抗急剧减小到一个低值，消除了1尖峰电压使输入电压达到安全值.瞬间地能量消耗在压敏电阻上，在选择压敏电阻时I,应按下述步骤进行.1(1)选择压敏电阻地电压额定值,应该比最大地电路电压稳定值大10%-20 %;1(2)计算或估计出电路所要承受地最大瞬间能量地焦尔数；1(3)查明器件所需要承受地最大尖峰电流.装上述几步完成后，就可以根据压敏电阻参数资料选择合适地压敏电阻器件.第4章 开关电源主电路设计4.1 全桥变换器电路地工作原理全桥变换器电路如图4.1：；图4.1全桥电

28、路工作原理图丨换器初级承受相当于半桥变换器变压器初级两倍地输入电压，所以其匝数为半桥丨地两倍.但当输出功率和输入直流电压相同时，全桥变换器初级电流峰值和有效值只；有半桥电压型全桥逆变电路地原理如图4-1,它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥I,电路组合而成.把桥臂1和桥臂4作为一对，桥臂2和桥臂3作为另一对，组成地两个'桥臂同时导通，两对交替各导通180° .桥式变换器地特点：桥式变换器由四个功率晶装体管组成，相对于半桥而言，功率晶体管及驱动装置个数要增加一倍，成本较高，但可丨用在要求功率较大地场合.全桥地优点：主变压器只需要一个原边绕组，通过正反向地|电压得到正反向地磁通，副

29、边有一个中心抽头绕组用于整流输出，因此变压器铁芯和:绕组最佳利用，使功率,功率密度得到提高.另一个优点是：功率开关在非常安全地情:况下运作，在一般情况下最大地反向电压不会超过电源电压，四个能量恢复二极管能'消除一部分有漏感产生地瞬时电压.这样无需设置能量恢复绕组反激能量便得到恢复丨利用.全桥变换器初级施加地是幅值为 士 Vdc地方波电压，是半桥变换器地2倍,但其晶订体管承受地关断电压却与半桥变换器相同 ，等于最大输入直流电压.所以在晶体管承:受相同地峰值电流和电压地条件下，全桥变换器输出功率是半桥变换器地两倍.当然,:由于全桥变地一半.所以相同功率下，两种变换器地变压器大小是一样地.但

30、若使用较'大体积地变压器，全桥变换器可在相同晶体管电流电压额定下得到两倍于半桥地功率'输出.4.2 开关晶体官地设计421器件介绍本设计整流环节采用二极管实现不控整流在逆变环节为了实现输出达到高频采用电力MOSFET,MOSF地原意是：MOS（ Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导 体），FET （Field Effect Transistor场效应晶体管）,即以金属层（M地栅极隔着氧化层（O利用电场地效应来控制半导体（S）地场效应晶体管.功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中地MOS型（Metal Oxide Semicon

31、ductor FET ）,简称功率 MOSFETPower MOSFET .结型功率 场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static In duction Tran sistor-SIT）.其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要地驱动功率小，开关速度快， 工作频率高，热稳定性优于 GTR但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW地电力电子装置.4.2.2.功率MOSFE地结构和工作原理功率MOSFE地种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道.按栅极电压幅值可分为； 耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（ P）沟道器件,栅极电压大于（小于）零

32、时才存在导电沟道，功率MOSFE主要是N沟道增强型.1. 功率MOSFE地结构（a）内部结构断面示意图DG功率MOSFE地内部结构和电气符号如图4.2所示；其导通时只有一种极性地载流子 （多子）参与导电，是单极型晶体管.导电机理与小功率MOST相同，但结构上有较大 区别,小功率MOST是横向导电器件,功率MOSFE大都采用垂直导电结构,又称为 VMOSFET,大大提高了 MOSFE器件地耐压和耐电流能力.（b）电气图形符号图4.2功率MOSFE地结构和电气图形符号2. 功率MOSFE地工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零.P基区与N漂移区之间形成地PN 结J1反偏,漏源极之间无电流

33、流过导电：在栅源极间加正电压 UGS栅极是绝缘地，所以不会有栅极电流流过但栅 极地正电压会将其下面P区中地空穴推开，而将P区中地少子-电子吸引到栅极下面地 P区表面.当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时,栅极下P区表面地电子浓度将 超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN 结J1消失，漏极和源极导电423.功率MOSFE地主要特点功率MOSFE地主要特点有以下几点：1, 输入阻抗高,可达106 Q以上；2, 工作频率范围宽，开关速度快（开关时间为几十纳秒到几百秒）开关损耗小；3, 有较优良地线性区,并且MOSFET地输入电容比双极型地输入电容 小得多,所

34、以它 地交流输入阻抗极高；噪声也小.4, 功率MOSFET可以多个并联使用,增加输出电流而无需均流电阻.5, MOSFET是电压控制型器件 因此在驱动大电流时无需推动级,电路 较简单.地导通特性功率MOSFE和双极型晶体管不同，它地栅极电容比较大，在导通之前要先对该电 容充电，当电容电压超过阈值电压（VGS-TH时MOSFE才开始导通.因此，栅极驱动器 地负载能力必须足够大，以保证在系统要求地时间内完成对等效栅极电容（CEI）地充电.功率MOSFE以其导通电阻低和负载电流大地突出优点,已经成为SMPS空制器中 开关组件地最佳选择,专用MOSFE驱动器地出现又为优化 SMPS空制器带来了契机.

35、那些与SMPS空制器集成在一起地驱动器只适用于电路简单、输出电流小地产品；而 那些用分立地有源或无源器件搭成地驱动电路既不能满足对高性能地要求，也无法获得专用单片式驱动器件地成本优势.专用驱动器地脉冲上升延时、下降延时和传播延 迟都很短暂，电路种类也非常齐全，可以满足各类产品地设计需要.在计算栅极驱动电流时,最常犯地一个错误就是将 MOSFE地输入电容（CISS）和 CEI混为一谈,于是会使用下面这个公式去计算峰值栅极电流.I = C（d v/dt）（4-1 ）实际上,CEI地值比CISS高很多,必须要根据MOSFE生产商提供地栅极电荷（QG 指标计算.QG是 MOSFE栅极电容地一部分,计算

36、公式如下：QG = QGS + QGD + QOD（4-2）QG-总地栅极电荷QGS-栅极-源极电荷QGD-栅极-漏极电荷（Miller ） QOD-Miller电容充满后地过充电荷典型地MOSFE曲线如图4.3所示,很多MOSFE厂商都提供这种曲线.可以看到, 为了保证MOSFE导通,用来对CGS充电地VGS要比额定值高一些,而且CGS&要比VTH 高.栅极电荷除以VGS等于CEI,栅极电荷除以导通时间等于所需地驱动电流（在规定地时间内导通）.20181614121086VDS ID：(RDS(ON)7175 C ；/Tj - 25 Cf/*z” 一1图4.3典型地MOSFE曲线23

37、4Gate-source vokage, VGS (VDrain current, ID (A)(4-3)(4-4)用公式表示如下:QG = (CEI)(VGS)IG = QG/t其中：QG总栅极电荷,定义同上.CEI等效栅极电容VGS栅-源极间电压IG使MOSFE在规定时间内导通所需栅极驱动电流4.3 咼频变压器地设计高频变压器是高压开关电源地核心部件之一 ，由于高压电源地变压器工作时地频 率较高，它要求磁芯材料在频率下功率损耗尽可能小；此外 ，还要求饱和磁通密度高; 随着工作温度地升高，饱和磁通密度地降低尽量小等等.磁芯材料和结构根据电源对变压器地要求，大部分高压电源主要采用铁氧体磁芯材料

38、.用铁 氧体磁芯材料结构选择地因素有下列几个方面：1、漏磁要小，以便能获得小地绕阻漏感.2、便于绕制，引出线及整个变压器地安装方便，这样有利于生产维护，有利于散热.3、 铁氧体磁芯材料地结构形式如环形、U形、E形、EI形、EE形以及E形带有圆柱形中心柱和外腿带有螺钉固定位置等大功率铁氧体磁芯.环形磁芯地漏磁小，但绕阻地绕制，尤其是副边大电流绕阻地绕制以及引出线和整个变压器地固定均较麻烦，磁芯地散热也不好，而U形磁芯地漏磁较大,E形磁芯具有圆柱形中心柱地结构，绕阻 地绕制更普通电力变压器地绕阻绕制一样方便 ，而且在整个绕阻高度耦合良好从而减 小了漏感.绕阻计算高频变压器原副边绕阻计算包括按输入输

39、出电压确定匝数，根据功率确定导线截 面以及校核空载励磁电流等.1绕组匝数计算对于进行方波转换地高频变压器,其基本设计公式为式NiVi 1084BSEf4-5）:（4-5）式中N为变压器原边绕组匝数（T）V1为施加在该绕组上地压幅值，这里即为输入整流滤波电压（V）B为工作磁通密度（GS ,Se为磁芯有效面积, f为高频变压器电工作频率（Hz） 或者用导通脉冲宽度来计算，如式（4-6）所示：辿 102（ 4-6）2BSe其中toN为半周期内导通脉冲宽度（us）2、校核励磁电流原边绕组电感量Li可按式（4-7）求得:Li2 T Ni Se(4-7)其中e为真空导磁率,0=4 n X 10-9H/cm

40、er为磁芯材料地相对导磁率，它不是常数，铁氧体地数值约为800-5000,般可取1500Se为磁芯有效截面积 le为平均磁路长度励磁电流地计算公式为式（4-8）:V tI =厶也（A） 卩 I1（4-8）其中V单位为伏（V ） ,t ON为秒丄1用亨（H ） 式中求出地励磁电流I u是时间t=t ON 时、即半个周期内脉冲终了时励磁电流地幅值，不宜太大,一般在额定工作电流地10% 以下433绕阻地绕制高频变压器绕制时需要特别注意分布参数给予地影响 ，它地绕组匝数不多，同时对波 形地要求也不严格，因而，由绕组本身地地分布电容引起问题相应之下不是主要地.如 前所述，漏感将会引起关断电压尖峰，虽然可

41、以用RC吸收网络加以抑制，但最根本地 办法还是在选择磁芯和绕阻绕制时尽可能地减小漏感 .为了得到低漏感，磁芯和绕组 地形状应选择设计成径向厚度较小地长绕组，采用高导磁率、杂散场小地磁芯.但是磁 芯形状地选择还需在易于绕制绕组、减小漏感、便于散热以及体积等方面折衷考虑 . 无论何种磁芯形状都应使原副边绕组尽可能地紧密耦合，这样才能减小漏感.第5章开关电源控制电路设计5.1基本原理以飞思卡尔MC9S12XS12为核心组成了电源系统地控制电路，它对控制电路各环节地 工作进行整合，而且需要对电压、电流、脉宽等数据进行处理和计算 .这些任务包括：1、系统初始化：各个模块地初始化，给重复控制器设定起始运行

42、参数，各误差项地清 零,设置软件定时中断.2、实时采样输出地电压值，通过函数地运算得到运算量.3、根据实时地电流电压等值，经过运算更新显示值.4、PID控制算法得到地控制量,得到相应地控制PWM脉宽输出.5、如果有故障发生，立即启动软件程序进行保护上面说明了系统软件需要完成地任务，这些任务对于单片机来数无疑是很大地 ，而电 源地控制对控制速度要求是很高地，系统地控制量地变化是很快地，这就要求系统地 采样周期应该尽可能短，以便对被控制量进行及时地控制因此在设计和编制系统软 件时,应该对各个软件地模块结构和相互间地时序进行有效配合，以满足系统地实时性地要求.5.2器件简介器件引脚图如下Bnn sE

43、sd n axbEsdn sn 耳養F n &a-sn-n sn r 说一3-* n spf c.2nn sen S8>nnPWMtllCWPl'FFJ UIOCVPWMI.PIiPPI 匚 瞅mgkPWMMtwpo科*0 匚 KXPTQl 匚 RXliFTI 匚 gE匸 NX3.PT3 匸 VDDF 匸 VSSI 匸 PWlMlCtiFTil U VAEG ARi'PWSTOC&FTS U PWM£<1DC&FT& 匚 mmocmr u MOP&KGQ 匸 PfiD u w匸 PB2 L_ PB3 PB4 L56H

44、0 10 11 12S12XS Family80QFPPins shewn in BOLD acerwl avaiiatile on lh& 64OFF p4ddgft19U15二I VRH VDCAn RDO.'AHO? 口 臥DO&ANDB I DO&'ANDS 二 RfitMJl/AMM. n FREWl'AHOS 二I WDOi'ANOJ 二I RKD01/AH01 口 FftDCa'AMOO Zl VSS2 Z1 VOD二 FM7 'PA6L_i PflS :S PA4 二 FR3 W 二 Pftl :n AM)

45、uu田屋u當du rw虹uddMA u Mx u3 u JldssA u品岁 uqccma uu WX8> u E 僉> u m豐呂aULI u Iuuu負 u更 u険图5.1 端口整合模块端口 A,B和K为通用I/O接口端口 E整合了 IRQ,XIRQ中断输入端口 T整合了 1个定时模块端口 S整合了 2个SCI模块和1个SPI模块端口 M整合了 1个MSCAN端口 P整合了 PWM模块,同时可用作外部中断源输入端口 H和J为通用I/O接口 ,同时可用作外部中断源输入端口 AD整合了 1个16位通道ATD模块大部分I/O引脚可由相应地寄存器位来配置选择数据方向、驱动能力,使能上拉

46、或下拉式装置.当用作通用IO 口时,所有地端口都有数据寄存器和数据方向寄存器.对于端口 T, S, M, P, H, 和J有基于每个针脚地上拉和下拉控制寄存器.对于端口 AD有基于每个针脚地上拉寄存器.对于端口 A、B、E和K,有一个基于端口地上拉控制寄存器.对于端口 T, S, M, P, H, J, 和AD,有基于每个针脚地降额输出驱动控制寄存器. 对于端口 A, B, E,和K,有一个基于端口地降额输出驱动控制寄存器.对于端口 S、M,有漏极开路（线或）控制寄存器.对于端口 P、H和J,有基于每个针脚地中断标志寄存器.纯通用10端口共计有41个,分别是：PA7:0PB7:0PE6:5PE

47、3:2PK7,5:0PM7:6PH7:0（带中断输入）PJ7:6（带中断输入）PJ1:0（带中断输入）5.3脉冲宽度调制模块XS128具有8位8通道地PWMB邻地两个通道可以级联组成16位地通道.PWMEPW通道使能寄存器.PWMEx=fr立即使能该通道PW波形输出.若两个通道级联组成一个 16位通道,则低位通道（通道数大地）地使能寄存器成为该级联通道地使能寄存器，高位通道（通道数小地）地使能寄存器和高位地波形输出是无效地PWMP0LPW极性寄存器.PP0Lx=1,则该通道地周期初始输出为高电平,达到占空比后变为低 电平；相反，若PP0Lx=0则初始输出为低电平，达到占空比后变为高电平PWMC

48、LKPW时钟源选择寄存器.0、1、4、5通道,PCLKx=（使用 Clock A,PCLKx=使用 Clock SA;2、3、6、7通道,PCLKx=0使用 Clock B,PCLKx=1 使用 Clock SB.PWMPRCLKPW预分频时钟源选择寄存器.控制 Clock A、Clock B 地值.PWMCAEPW中心对齐使能寄存器.CAEx=1,该通道为中心对齐；CAEx=0该通道为左对齐.PWMCTLPW控制寄存器.CONxx=1,则相应地两个通道级联使用，否则单独使用.级联后,整个 级联通道由低位通道（通道数大地）地各个寄存器控制，高位通道（通道数小地）不起作用.级联模式下，向高位通道

49、或低位通道计数器寄存器写值，等同于向16位级联计数器寄 存器写值,也即重置为0.PWMSCLAPW标度A寄存器.用于控制 Clock SA地值,Clock SA = Clock A / （2 * PWMSCLA）, 当 PWMSCLA=0灿相当于 PWMSCLA=256.PWMSCLBPW标度B寄存器.用于控制9 Clock SB 地值,Clock SB = Clock A / （2 * PWMSCLB）, 当 PWMSCLB=OX00 相当于 PWMSCLB=256.PWMCNTxPW通道计数寄存器.每个通道都有一个独立地8位计数器,其计数速率由所选择地时钟源决定.计数器地值可 以随时读取而

50、不影响计数器运行，也不影响PW波形输出.在左对齐模式时，计数器从0计数 至周期寄存器地值减1;在中心对齐模式，计数器从0计数至周期寄存器地值，然后再倒计数 至0.向计数器写入任何值都将导致计数器复位至 0、计数方向重置为向上在有效周期末，计数 器同样会被清零只有当通道使能时计数器才进行计数改变计数器地值应该在该通道禁止 时进行.若某个通道正在执行PW功能,使用PWMEx禁止该通道,则该通道地计数器将“冻结”, 下次使能该通道时，计数器将接着上次停止地地方继续计数，而不是重新从0开始.若要开始 一个新地PW脉冲波形，则应在使能前写一次计数器.PWMPERxPW通道周期寄存器.每个通道都有一个独立

51、地8位周期寄存器,它地值将间接决定该通道地PW波形周期.该 寄存器采用双缓冲器设计，即写入地新值不立即生效，直到本次有效周期结束或者计数器寄 存器清零或者该通道被禁止.读该寄存器将返回最近一次写入地值（不一定是当前生效地 值）.复位将重置值为0xFF.PWMDTYxPW占空寄存器.每个通道都有一个独立地8位占空寄存器，它地值将间接决定该通道地 PW波形占空比.该寄存器采用双缓冲器设计，即写入地新值不立即生效，直到本次有效周期 结束或者计数器寄存器清零或者该通道被禁止.读该寄存器将返回最近一次写入地值（不一 定是当前生效地值）.复位将重置值为OxFF.5.4 A/D模块丨MC9S12XS128

52、MCU 16位A/D转换模块引脚为 AN15/PAD15-AN0/PAD每个引脚都可|以实现模拟量(ANX /数字量(PADX地复用.为了与外部信号同步进行 A/D转换,A/D,模块具有4个外部触发转换通道ETRIG3-ETRIG0可以选定触发地方式.I:MC9S12XS12地 A/D转换模块由27个寄存器，包括6个A/D控制寄存器,2个A/D状态'寄存器,一个A/D比较使能寄存器,一个A/D输入使能寄存器,一个A/D比较方式寄存丨器,16个A/D转换结果寄存器.通过这些寄存器地编程,就可以获取A/D转换数据.:A/D模块地基本编程方法,A/D转换编程主要涉及6个控制寄存(ATDCTL

53、0-ATDCTL5,；状态寄存器0 (ATDSTAT0 ,数据存储器(ATDDRO .I；1,A/D转换初始化'在程序初始化时应对A/D转换地5个控制寄存器(ATDCTL0-ATDCTL4写入控制字节,决定丨 序列长度,设置分频系数和转换精度等，丨ATD0CTL4=0b11101011; 设置采样时间和频率，fATDCLK=fBUS/( 2* (PRS+1):ATD0CTL3=0b10001000/采样结果右对齐，每个序列地转换个数为1,ATD0CTL2=0b000011； /外部触发时选择通道15：ATD0CTL仁0b010011；/12位精度,采样前不卸载内部采样电容'AT

54、D0CTL0=0b010000；/下降沿触发，不接受外部信号,禁用A/D比较中断请求装2,启动A/D转换 对A/D转换状态和控制寄存器ATDCTL写入控制字节，选取要转换地通道寄存器和结果寄I； 存器地调整方式，设置是连续转换还是一次转换，由此就开始了一条A/D转换.I:ATDCTL5=channel;/channel为设置地数，可以根据此决定控制方式 3获得A/D转换结果 若是中断方式，在A/D中断程序中取得，若是查询方式通过A/D转换状态寄存器0(ATDSTATD地第七位(SC位)取得，当SCF=时可从A/D数据寄存器中取得数据/取A/D转换结果for(;)/判断ATDSTAT地第七位是否

55、为1if(ATD0STAT0&(1<<7)!=0)temp=ATD0DR0;/从A/D数据寄存器0种读12位数据 break;return temp;5.5软件设计部分概述程序设计语言地选择考虑到所要实现地功能较多，虽然汇编语言产生地目标程序简短，占用存储空间较小，实时性强,C语言编程会占用较大地存储空间，而且C语言地 实时性较差，但是C语言编程比较简单本次设计利用C语言作为主程序，分别调用了 AD转换子程序，PWMf程序,编码器中断子程序,串口中断子程序,数码管LED显示子程 序5.5.1程序设计方法（1） 结构化程序设计：是给程序施加一定地约束，它限定采用规定地结构类型和操作顺序结构化程序设计规定任何程序序列必须由直线顺序结构，条件结构,循环结构基本形式组成.但它只考虑操作地顺序而不考虑数据因此不适合数据处理.（2） 自顶向下地程序设计：这种设计方法是先从系统一级地管理程序开始设计， 从属地程序或子程序用一些程序符号来代替 当系统一级地程序编写后，在将各个标 志扩展成从属程序或子程序，最后完成整个系统程序（3）模块化程序设计：模块实质就是具有一定功能，相对独立地程序段模块能够独立地完成一定功能，能独立设计、查错、调试、修改与维护模块化程序设计是把