太阳能供电系统毕业设计说明书

1、兰州理工大学电气工程及其自动专业毕业设计基于单片机的军用单兵太阳能供电系统设计电气三班曾雄摘要本文是采用太阳能光伏发电系统作为单兵作战装置电源的设计，主要针对光伏发电的MPPT技术和锂离子电池充电控制技术的设计与实现。阐述了军用单兵太阳能供电系统原理、构成以及相关算法。整个系统采用PIC16F877单片机作为系统的控制核心。薄膜太阳能电池板作为光电转换元件为系统提供电源，它可以方便的织入帐篷和士兵的军服，从而有效的解决便携性问题。太阳能电池板的MPPT采用输出功率比较法（电压扰动法）。电压扰动法的原则是电压的变化始终向太阳能输出功率变大的方向改变。锂离子电池充电控制电路通过PIC16F877的

2、CCP模块输出PWM波控制BUCK电路实现。锂离子电池充电采用三阶段充电技术实现，三阶段充电过程符合太阳能发电系统的快速充电要求，又符合蓄电池的充电要求。太阳能电池的输出电压、电流和锂离子电池的充电电压、电流由霍尔电压电流传感器检测并由单片机采集得到。系统输出电压通过LED数码管显示。关键字： MPPT； PWM；单片机IAbstractThis paper is the design of solar photovoltaic power generation system as the power of individual combat equipment ,mainly for Des

3、ign and Implementation of MPPT of photovoltaic power generation technology and lithium-ion battery charging control technology. Elaborated Military-man principle of the solar power system, the composition and algorithm.The entire system uses a PIC16F877 microcontroller as the core control. Thin film

4、 solar panels to provide power for the system as a photoelectric conversion component, it can be easily woven into tents and uniforms of soldiers, in order to effectively solve the problem of portability. The solar panel MPPT output power of comparative law (voltage perturbation method). The princip

5、les of the voltage perturbation method is the voltage change is always big change of direction change to the solar output power. The lithium-ion battery charge control circuit by achieved of PIC16F877 CCP module output PWM wave control BUCK circuit. The lithium-ion battery charging used three-stage

6、charging technology, three-stage charging process in line with fast charging of the solar power system, but also with the battery charging requirements. The solar cell output voltage, current, and lithium-ion battery charging voltage, current, Hall voltage and current sensors to detect by the microc

7、ontroller collection . The system output voltage via the LED digital display.Key words: MPPT；Lithium ion battery；PWM；Microcontroller目录第一章 绪论11.1 毕业设计选题背景11.2 选题的意义31.3 设计的主要内容和技术指标3（一）主要内容4（二）技术指标4第二章 系统的总体结构及方案设计52.1 设计思想52.2 系统总体结构设计52.3 主电路方案设计62.4 控制电路方案设计7第三章 主电路设计83.1 太阳能电池板MPPT控制83.1.1 MPPT控制

8、原理83.1.2 MPPT控制数据采集电路103.1.3 MPPT控制电路及参数计算123.2 MOSFET吸收电路143.3 蓄电池放电电路及参数计算153.4 USB电源输出电路163.5 备用蓄电池充电电路173.6 传感器电源电路18第四章 控制电路设计214.1 PIC16F877最小系统214.2 MOSFET驱动电路224.3 温度检测254.4 数据存储电路264.5 继电器驱动电路284.6 LED显示电路29第五章 软件设计305.1 主程序设计305.2 ADC模块程序设计315.3 PWM模块程序设计325.4 MPPT程序设计355.5 锂离子电池充电程序设计355.

9、6 负载供电程序设计375.7 显示程序设计38第六章 总结40参考文献41致谢42附录 143附录 244附录345附录 446III第一章 绪论第一章 绪论1.1 毕业设计选题背景士兵是军队的最小组成单位，也是部队战斗力输出的最基本的单元。在未来高技术战争中，尽管各种高技术武器平台、先进的军用技术装备异军突起，但是单兵仍然在战争中起着至关重要的作用。作为一切装备的必须，电源装备的各种性能对单兵系统整体性能的发挥有着决定性的影响。 随着信息技术的广泛应用，士兵携带的信息装备越来越多，以美军“陆地勇士”系统为例，该系统由5个分系统组成：综合头盔分系统、武器分系统、士兵计算机电台分系统、防护服和

10、单兵装备分系统。从卫星电话到笔记本电脑，从GPS接收仪到激光测距仪，这些装备都靠电来工作，电池已成为士兵仅次于食物的第二补给。据美国陆军统计，有些士兵的负重，电池已占到1/3。美军士兵现有装备平均每小时消耗20瓦电，目前性能最好的BA5590电池最多能用7.5小时，使用一天就得更换3个电池包。其标准作战行动一般为72小时，因此士兵必须携带9个电池包参加作战。为了减轻装备重量，士兵不得不减少随身携带的食品和水。据英国军方统计，英国士兵执行一次6小时巡逻，负重约75公斤，其中约10公斤是电池。目前，美军和英军常用的锂电池含有毒化学物质，而且污染环境。如果在火焰或极端天气条件下，这些电池还可能发生爆

11、炸，危及士兵安全。美军曾试过燃料电池等，但效果不够理想。例如美军研制的燃料电池，尺寸与小型电池BA5590差不多。虽然其输出电流量增加了1倍，但需要添加和更换燃料，环境适应性比较低，为士兵减负的效果并不明显。据英国媒体近日报道，英国利兹大学等机构的研究人员正在研发一种能将动能转换为电力的单兵装备。如果研究成功，将可为每个士兵减少约10公斤的电池负重。这则消息引起了美军极大的兴趣，因为同样的问题也困扰了他们很久。驻伊美军士兵虽享有夜视镜、GPS等先进电子装备带来的好处，代价却也不小，那就是得带着30磅的电池一整天走在沙漠里，的确让人吃不消。此外，美军在伊拉克地区铺设了大量传感器，用于收集出入作战

12、地区大楼的人数等。曾有士兵因前去更换这些传感器的电池而丧命。因此，美军前线人员要求使用新型高容量电池的呼声非常强烈。美军上校军官拜尔德说：“电池虽不像武器系统、通信系统那样受人瞩目，但它影响着军事战略和战术。很多任务，是由士兵所携带电池的容量决定的。”据美国福克斯新闻网报道，一家与美国国防部签约的机器人公司正在研发一种蒸汽驱动机器人，它可以靠动物的尸体摄取能量，听起来可真是19世纪的机械动力学、21世纪的科技，再加上一部20世纪恐怖片的组合！这种正在研发的新型机器人，被称为“强动力自动战术机器人”（简称EATR）。据研发公司介绍，它可以发现周围的有机生物能量源，将其消化从中获取能量，还能使用汽

13、油、食用油等作为燃料。EATR通过一个燃烧室，燃烧获取的动植物身体来产生电能。这种机器人的优势在于可以灵活选取能量源，且效率很高，填充一次就可行进数月甚至数年。研发公司称，这项技术一旦用于单兵电源，前景十分令人期待。也就是说，利用这种装备，士兵可以将行走和运动产生的能量转化为电能加以利用，这听起来有点不可思议，却很符合当今环保理念。利兹大学的这项研究是英国“无电池士兵”计划的一部分。这一装备的初步设计，包括在士兵背部和膝盖等处设置特殊皮带，在其行动过程中获得能量，并为士兵的剧烈动作提供缓冲。参与研究的利兹大学教授安德鲁贝尔称，这套装备将考虑士兵的运动特点，不会增加他们的负担。他还表示，相关技术

14、也可用于民用，以减少电池使用保护环境。如果这项研究取得成功，无疑将掀起一场单兵电源革命。大卫哈德菲尔德是英国国防装备及支援组织的成员，他在2009年士兵技术会议上指出，尽管目前个别士兵的载荷达到70千克或者更大，军方计划将每个士兵携行装备的质量减到25千克，也就是士兵体重的1/3左右。哈德菲尔德称，“这将需要所有装备和技术都有大幅度改进”。他指出，当前的军用电池不仅质量过大，种类繁多，并且可靠性、维修性都很差，同时还需要专门定做充电器。尽管部队在节俭方面已做了最大努力，但大量充电电池还是在深度放电之后被丢弃。英国部队已经不得不考虑在无线电上更加广泛的使用干电池。毕竟一次性干电池不用考虑充电器的

15、问题，而且新型干电池也比原有干电池提升20%的电池容量。一些高功率巡逻用电子装备需要相匹配的大型专业电池也已经有了新的发展。如1998年，一个质量为2.9千克、电容量为6Ah的电池比能量为50Wh/kg，而2006年一个质量为3.58kg，电容量为19Ah的电池能量比为136Wh/kg。虽然付出了电池质量增加的代价，由2.9kg增加到3.5kg，但电能及电容量都有了飞跃式的发展。目前生产的电池容量为23Ah，质量为3.7kg，比能量160Wh/kg，而2012年渴望达到4kg电池提供30Ah电容量，比能量160Wh/kg的目标。澳大利亚也有一个发展计划，是把未来士兵的能源设备设计成靠身体震动产

16、生电力的背心，澳大利亚科研组织计划为该项目投资440万美金。负责研究工作的科学家Adam Best博士称，这种科技将整合到衣服中，由3个核心部件组成：高级传导纤维作为电池的一部分，一个震动能量收集器和一个整流器/能量管理系统来驱动电子设备。“这种技术对战场上的士兵来说意义重大，他们不需携带笨重的电池”， Adam Best博士说，“他们将穿着它，而不是带着它。”这种动能转化电源系统运转时还能造福士兵。因为按照能量守恒原理，当运动热能转化成电能时，将带走多余热量，使士兵可以在炎热的天气下保持凉爽。国内有关单兵作战装备的供电仍然以传统的一次性电池或锂电池为主，一次性电池由于容量有限，持续供电能力较

17、差。同样，锂电池含有毒化学物质，而且污染环境。如果在火焰或极端天气条件下，这些电池还可能发生爆炸，危及士兵安全。随着士兵装备电子化进程的加快，带夜视仪的头盔、实时显示战友位置的PDA等电子装备的应用越来越多。一方面要装备越来越多的高科技装备，另一方面士兵的负重快达到极限，因此急需对士兵的“大累赘”电源（供电系统）进行改革。基于上述分析我们提出采用太阳能光伏发电系统作为单兵作战装置供电电源的方案。1.2 选题的意义本文对单兵太阳能供电系统进行研究与实现，具有很大的意义。单兵电源所应采用的能源技术，目前除了一次性电池和锂电池外，小型燃料电池技术尚不完善，在单兵的应用中基本不可行，电化学电容由于容量

18、太小，单独作为单兵电源也是不实际的。其他如超微型燃烧机、微型燃气轮机、核能发电技术的便携式版本在近期由于重量、噪声、体积和技术等原因尚无法成型，因此就目前来讲作为单兵电源也是不实际的。而太阳能光伏发电技术已日趋成熟，薄膜太阳能电池板的柔韧性可以使它方便的值入士兵的军服。本文所阐述的军用单兵太阳能供电系统使用方便，重量轻、无需外部电源供电，不仅能对5V的用电设备进行USB供电，还可以输出可调的5V-19V电压，可以对笔记本电脑和大多数的移动设备供电。通过实验如能验证此方案的可行性，将为我国单兵作战系统的供电电源提供一种可选的、也是比较理想和环保的替代方案，具有良好的推广与应用前景。1.3 设计的

19、主要内容和技术指标设计出单兵太阳能供电系统的主电路和控制电路以及源程序的代码编写。（一）主要内容 （1）太阳能电池板的MPPT控制 （2）锂离子电池的充电控制 （3）锂离子电池的放电保护 （4）主电路参数计算与器件选型 （5）控制电路源程序代码的编写（二）技术指标（1）给电源充电：可以选择太阳能或交流充电器对电源进行充电，将充电器端子插入IN的端口上，交流充电器充电5小时，15W太阳能电池板，充电6-8小时（根据太阳能板功率不同充电时间不同）。内部带有防过充过放保护系统，充满后系统自动切断充电电源。（2）给手机和数码产品等充电：电源上安装有USB的5V输出端口，适用于单节锂电池的移动设备或者数

20、码产品，如手机，数码相机，MP3/4，PSP等等，连接后即可自行充电，简单易用。（3）给笔记本电脑供电：选择和您要使用的笔记本一致的电压，16/19V（通过侧面手拨动开关进行调节），连接笔记本电脑输出的电源线，其中一头插入OUT16v或者19V的端口，另外一端从9个笔记本的接头中选择其中一个和您笔记本电脑端口匹配的，连接电脑，即可使用。使用一小时后建议您的笔记本电脑安装上原来的锂电池，以免UPS电源电量用完突然断电造成电脑内容数据丢失。此款不带电量提示功能。14寸左右笔记本电脑可以使用2个小时左右。57第二章 系统的总体结构及方案设计第二章 系统的总体结构及方案设计2.1 设计思想本设计分为两

21、部分电路即主电路和控制电路。主电路部分为太阳能电池板硬件电路和锂离子电池充电电路以及系统输出电路。控制电路部分为太阳能电池板MPPT控制、锂离子电池的充放电控制、输出电压等信息的显示等。控制电路和主电路通过排线相连以达到隔离的目的。2.2 系统总体结构设计锂离子电池充电电源可以选择薄膜太阳能电池板或者外部220V交流电源。薄膜太阳能电池板的输出通过BUCK电路连接到锂离子电池，锂离子电池输出通过升降压变换器作为系统的输出。太阳能电池板的输出电压、电流通过霍尔电压/电流传感器检测得到。采用PIC16F877单片机作为系统的控制核心，霍尔传感器采集的信号可以直接被单片机采集而无需AD转换芯片，2路

22、PWM输出可以通过MOSFET驱动芯片IR2117驱动BUCK电路和升降压电路中的开关器件。系统输出电压通过LED数码管显示。系统结构框图如图2-1所示。图2.1 单兵太阳能供电系统结构框图2.3 主电路方案设计太阳能电池板选择17.5V、15W薄膜太阳能电池板，蓄电池选用12V、8000MAH锂离子电池。故选用降压斩波电路通过控制占空比实现对锂离子电池的充电控制和太阳能电池板的MPPT控制。降压型（Buck）变换器将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压经LC滤波转换成直流电压。输入电压Uin是未经稳压直流电压；VT1选择全控开关型器件MOSFET，电感L与电容C组成滤波电路，而VD1为

23、续流二极管。降压型变换器有两种基本工作方式，一种是电感电流处于连续的工作模式；一种是电感电流处于断续的工作模式，还有一种是电感电流处于临界连续模式。系统要求输出电压为12V和19V，蓄电池额定电压为12V，故采用升降压（BuckBoost）斩波电路通过控制开关器件的占空比实现。电路中的电感L1和电容C的值设计的很大，使电感电流iL和电容电压即负载电压VO基本为恒值。电路中开关器件选择全控型开关器件MOSFET。当可控开关VT1处于通态时，电源经MOSFET向L供电使其储存能量，此时电流为i1。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载供电。此后，使MOSFET关断，电感L中储存的能量向负载释放，

24、电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。2.4 控制电路方案设计控制电路的核心控制芯片Microchip公司所生产的PIC16F877单片机，属于PICmicro系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序，适合教学、开发新产品等用途；而其内建ICD(In Circuit Debug)功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。PIC16F877单片机内置两个占空比可调的PWM模块和8路10位的AD转换模块，可以用PWM模块驱动主电路中的降压斩波电路和升降压斩波电路，霍尔

25、电压电流传感器采集的信号可以通过AD转换模块采集而省去了AD转换芯片。 输出电压采用三位LED数码管显示，数码管显示采用动态扫描的方式实时显示此时系统的输出电压。太阳能电池板的输出电压、电流和系统的输出电压、电流采用霍尔电压/电流传感器采集。锂离子电池的温度采用单总线数字温度传感器DS18B20紧贴在锂离子电池的表面，通过单片机控制可得到锂离子电池的温度。系统需要保存的数据由I2C通信协议的EEPROM存储器24C02实现。PIC单片机具有I2C通信模块可直接与24C02通信。输出电压切换通过一个开关改变I/O口电平，单片机采集电平变化，改变输出升降压电路的占空比而改变输出电压。第三章 主电路

26、设计第三章 主电路设计3.1 太阳能电池板MPPT控制 MPPT是Maximum Power Point Tracking（最大功率点跟踪）的简称，MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。最大功点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称PT)系统是一种通节调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统。3.1.1 MPPT控制原理 随着绿色能源利用的日益被人们重视,太阳能的光伏利用更是在世界各国方兴未艾,在光伏控制技术上,由于CVT(恒定电压跟踪器) 的制造相对简单,许多产品仍然采用这种

27、跟踪方式以代替相对复杂一些的MPPT(最大功率点跟踪) ,但这种方式所带来的功率损失相比于近代微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价,已经显得很不经济。因此在光伏应用中,增加具有太阳能MPPT 功能的控制能有效提高能量传输效益,是光伏利用技术上的提升。由于光伏电池(太阳能电池) 特性受光照和温度影响,直接利用它进行实验,则时间长;利用人为建立环境(要求人工可变光源、制冷、制热空调等) 或购买光伏电池模拟器则费用高。光伏电池由于其受外界影响因素(温度、光照等) 很多,且其输出具有非线性特性,如图3-1的伏安(电压-电流) 特性曲线和图3-2的伏瓦(电压-功率) 特性曲图3-1 太阳能电池的

28、伏安特性曲线线。从特性曲线看,CVT恒定电压跟踪法是不能满足太阳能电池在各种日照和温度下的最大功率输出,特别是温差较大时,CVT恒定电压跟踪法控制将有较大的能量没被利用,如电压取在高温时最大功率点处的值(U=360V),则在低温时输出时,要损失约30%的能量;取低温时的电压值(U=510V),在高温时,则损失100%。为实现MPPT功能,采用输出功率比较法(电压扰动法), 原则是电压的变化是始终让太阳能输出功率朝大的方向改变。即首先让太阳能电池以某个电压输出,测得其输出功率,然后在这个电压基础上增加或减少一定幅值,再测量输出功率,比较测得的两个功率值,按照以上原则决定下次输出电压是增加或是减少

29、。图3-2 太阳能电池的伏瓦特性曲线3.1.2 MPPT控制数据采集电路MPPT需要及时准确地采样太阳能电池板当前的输出电压和输出电流。系统中采用霍尔电压传感器CHV-20L采样电压，采用霍尔电流传感器CHF-5P采样电流。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏式传感器。霍尔效应1879年被美国屋里学家霍尔在金属材料中发现，但由于霍尔效应在金属中太微弱而没有得到人们的重视及较好的应用。直到20世纪50年代，随着半导体技术的发展，利用半导体材料做成的霍尔元件的霍尔效应比较显著，从而霍尔式传感器已经广泛应用于电磁、压力、加速度、振动等的测量领域。如图2-3所示在金属或半导体薄片相对两侧面ab通以控制电

30、流I，在薄片垂直方向上施加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面cd会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成比例的电压UH，这一现象称为霍尔效应。即： （3.1）图3-3 霍尔效应的原理式中 霍尔元件的灵敏度。 （3.2） 式中 霍尔系数，它反映元件霍尔效应的强弱，由材料性质决定。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强，所以常采用半导体材料做霍尔元件；霍尔元件的厚度霍尔电流电压传感器模块有优越的电性能，是一种先进的能隔离主电流回路与电子控制电路的电检测元件，它综合了互感器和分流器的所有优点，克服了互感器和分流器的不足（如：互感器只适用于50Hz 工频测量；

31、分流器无法进行隔离检测。）同一只检测元件即可以检测交流也可以检测直流甚至检测瞬态峰值，是替代互感器和分流器的新一代产品。霍尔电压电流传感器具有精度高、线性度好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点，因而广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS 电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测大电流电压的各领域中。电力电子产品中，对大电流进行精确的检测和控制是产品安全可靠运行的根本保证。霍尔电压传感器有五只接线端子。其中两只为原边端子：被测电压输入端十；被测电压输入端一。另外三只为副边端子：+端：电源+15V；- 端：电源-15V；M 端：

32、信号输出端。如图3-4所示为霍尔电压传感器CHV-20L接线图。根据用户所测电压的大小，须将被测电压串接一只电阻R 后再接到传感器原边端子，串接电阻R 由下式决定： （3.3）图3-4 霍尔电压传感器CHV-20L接线图式中： R 为串联电阻；Vp为被测电压；Iin 为额定输入电流；Rin 为传感器原边内阻。串接电阻R 的功率由下式确定： （3.4） 标准环境下，太阳能电池板的输出电压最大为21.1V，留有一定裕量取Vp=25V，霍尔电压传感器CHV-20L输入额定电流Iin=100MA，原边内阻Rin=2,根据式3-1得到图3-3中RM1=248，功率W=2.5W。输出为0-5V标准电压可直

33、接由PIC16F877单片机的AD模块采集。霍尔电流传感器CHF-5P额定输入电流为5A，输出额定电压为4V，可直接由PIC16F877单片机的AD模块采集。霍尔电流传感器CHF-5P的接线图如3-5所示。图3-5 霍尔电流传感器CHF-5P接线图3.1.3 MPPT控制电路及参数计算采用扰动电压法实现太阳能电池板的MPPT控制。根据扰动电压法的控制原则，需要改变太阳能电池板的输出电压来调节最大功率点。系统输出电压的要求系统输出电压为12V和19V可调，太阳能电池板选用额定功率为15W的薄膜太阳能电池板，蓄电池为额定电压为12V容量为图3-6 MPPT控制电路8000MAH的锂离子电池。太阳能

34、电池板的额定输出电压为17.5V，开路电压为21.1V，额定输出电流为0.92A，根据太阳能电池板的伏安特性曲线和锂离子电池的充电采用三阶段充电控制，要求充电电压和电流随时可调，系统采用DC-DC变换电路中的BUCK（降压斩波）电路。MPPT控制电路如图3-6所示。图3-6所示的电路中+Ud和-Ud接太阳能电池板，+E和-E接蓄电池。输入最大电压为21.1V，留有一定裕量后确定最大输入为25V，输入电流最大为1A。D1为防回流二极管，C1、C2为滤波电容，R1、D2、C3组成MOSFET缓冲电路。根据以上参数二极管D1、D3选择肖特基二极管1N5819，C1、C4选择470uf耐压为50V的电

35、解电容，C2选择0.01uf的瓷片电容。开关器件MOSFET选择国际整流器公司的IRF024。图3.7输出电压波形在BUCK电路中的电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器的设原则是，使输出电压的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过。但是，构建一个能够让直流分量通过而且完全滤除开关频率及其谐波分量的完美的滤波器是不可能的，所以，在输出中至少有一小部分是由于开关产生的高频谐波。因此，输出电压波形事实上如图3.7所示，可以表达为 （3.5）所以实际的输出电压由所需要的直流分量U0加少量的交流分量Uripple所组成，交流分量由低通滤波器未能完全衰减的开关谐波所产生。由于直流变换器

36、的作用使产生所需的直流的输出，因此希望输出电压开关纹波应很小。电感电流的纹波为: （3.6）的典型值是在满载时的直流分量I的10%20%。不希望太大，否则增大流过电感和半导体开关器件的电流峰值，从而将增加功率损耗和体积。可以通过选择合适的电感值来得到所希望的电流纹波。由式（3.6）得到 （3.7）通常式（3.7）被用来选择Buck变换器的电感值。把（3.7）式进一步转化得到 （3.8）其中Dmax为BUCK电路最大占空比，为开关管的开关频率，为最大输出电流，为输入电压。系统中开关频率为5KHZ，输入电压为21.1V，最大输出电流为1A，最大占空比为： （3.9）由式（3.8）的L最小为103.

37、43mH。根据BUCK降压斩波电路的工作原理，BUCK电路的输入输出关系如下式所示：输出电压 （3.10）负载电流平均值 （3.11）3.2 MOSFET吸收电路MOSFET三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS。一般生产厂家提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss。它们的关系是： （3.12） （3.13） （3.14）由于极间电容的存在MOSFET的开关过程中会产生过电压，包括换相过电压和关断过电压，两者均是由于线路电感中的电流迅速下降，产生较大di/dt，致使管子两端产生过点压。换相过电压主要由于MOSFET 及与其反并联的续流二极

38、管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，有较大的反相电流流过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，有电流的突变。关断过电压主要是管子在较高频下工作，当器件关断时，正向电流迅速降低，有电流的突变。所以，合适的保护吸收电路是必要的。缓冲电路（Snubber Circuit）又称为吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减少器件的开关损耗。充放电型RCD缓冲电路如图3-8所示。在有缓冲电路的情况下，Q1开通时缓冲电容C3先通过R1向Q1放电，使流过Q1的电容先上一个台阶，以减小di/dt。R1、D2是在Q1关断时为电路中电感的磁场能量提

39、供放电回路而设置的。在Q1关断时，负载电流通过D2向C3分流，减轻了Q1的负担，抑制了du/dt和过电压。图中R1的值为51，电容C3的值为103，二极管D2为肖特基二极管1N5819。图3-8 充放电型RCD缓冲电路3.3 蓄电池放电电路及参数计算系统中蓄电池的电压为12V，要求输出电压为12V、19V可调，可以选用升降压电路实现。升降压变换电路是一种既可以升压，又可以降压的变换器。电路图如图3-9所示。图所示电路中U+、U- 接蓄电池，VO+、VO- 接负载。当开关管MOSFET导通，二极管D5截止时，蓄电池电压加在电感L2上，电感从电源获取能量，此时靠电容C10维持输出电压保持不变；当开

40、关管MOSFET截止时，电感L2中储存的能量传递给电容和负载。占空比越高，传递到负载的能量就越多。图3-9 蓄电池放电电路当占空比为0时，输出电压U0也将为0。说明通过改变开关管的占空比，理论上讲，可以控制输出电压在0到很大范围内变化。升降压变换电路有电流连续和电流断续两种工作状态，系统中必须保证电路工作在电流连续的状态下。电流连续工作状态下输入电压与输出电压的关系为： （3.15） 输入电流与输出电流的关系为： （3.16）使（3.15）和式（3.16）表示电流连续状态下输出平均电压和电流与占空比之间的关系。以输入电压为基准，通过改变占空比的大小，可以使升降压变换器的输出电压在升或降两个方向

41、调节。根据式（3.15）可以得到如下结论：当时，;当时，为降压式；当时，为升压式。3.4 USB电源输出电路USB接口是一种常用的PC机接口，USB接口只有四个引脚，两个电源引脚和两个数据传输引脚。USB接口输出标准电压为+5V，输出标准电流为500MA。系统采用LM2576HV-05作为稳压器件，电路原理图如图3-10所示。图中排针J3接蓄电池，蓄电池电压为12V，选择LM2576HV-05作为稳压器件。LM2576系列稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。这些器件的固定输出电图3-10 USB电源输出电路压有3.3V、5V、12

42、V、15V，还有可调整输出的型号。这些稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外部元件的数目减到最少，使其更加简便。LM2576的效率比流行的三段线性稳压器要高得多，是理想的替代产品。一般情况下不需要或只要很小尺寸的外加散热片。已经优化可和LM2576一起使用的标准系列电感由好几个不同的电感生成商提供。此特征大大简化了开关电源的设计。其他特征包括：在指定输入电压和输出负载条件下保证输出电压的4%误差，以及振荡器频率的10%误差。还包括外部的关断电路，特征有50uA（典型值）待机电流。图中所示的LM2576HV-05输入电压范围为7V40V，输出电压稳定值为5V，最大可驱动3A负载。输入

43、滤波电容选择容量为100uf，耐压值大于25V的铝电解电容。二极管D3为续流二极管，选择肖特基二极管1N5819。电感值为100uH，输出电容为1000uf。由于电容具有ESR（等效串联电阻）效应，理论上一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就起了个名字叫做“等效串联电阻”。 比如，我们认为电容上面电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。但是有了ESR，电阻自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产

44、生突变。无疑的，这会降低电容的滤波效果，所以很多高质量的电源，都使用低ESR的电容器。电路中为了减小电容的ESR效应可以用两个电容并联。电路中采用2个470uf的铝电解电容C23和C11并联，以减小电容的ESR效应。3.5 备用蓄电池充电电路备用蓄电池充电电路是在太阳能电池板输出不足且蓄电池电量不足的紧急情况下使用的。采用220V交流电源，经整流、滤波后为蓄电池充电。备用蓄电池充电电路原理图如图3-11所示。图3-11 备用蓄电池充电电路图中采用LM2576HV-12作为蓄电池充电电路的稳压器件。图中整流桥中的整流二极管为1N4001，C7为470uf耐压为50V的电解电容，C8为0.1uf电

45、容，两个电容并联使用减小电容的ESR。续流二极管D11选为肖特基二极管1N5819，输出电容为2个470uf电容并联。二极管D10为防回流二极管。3.6 传感器电源电路霍尔电压电流传感器工作时需要+15V和-15V的电源，蓄电池电压为+12V，需要对+12V电压升压后再稳压供为系统供电。选用MC34063双极型线性集成电路芯片将电压升高到+15V。MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源，一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。M

46、C34063引脚及原理框图如图3-12所示。由于内置有大电流的电源开关，MC34063能够控制的开关电流达到1.5A。内部线路包含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。参考电压源是温度补偿的带隙基准源。振荡器的振荡频率由3脚的外接定时电容决定。开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成ON，并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。图3-12 MC34063引脚及原理框图如图3-12，振荡器通过恒流源对外接在CT管脚（3脚）上的定时电容不断的充电和放电，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

47、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阀值电平时为高电平。当C和D输入端都变成高电平时，触发器被置位高电平，输出开关管导通。反之，在振荡器在放电器件，C输入端为低电平，触发器被置位，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导通的时间，结果是使得输出开关管的关闭时间延长。图3-13 MC34063组成的升压电路图3-13所示为MC34063组成的升压电路，图中二极管D1选择肖特基

48、二极管1N5819，其他外围元件的参数计算如下：系统中输入电压Vin为12V，输出电压Vout为15V，输出Io电流取400mA足以驱动霍尔传感器，输出电压纹波Vp为30mV,工作频率30kHz。输出电压： （3.17）定时电容： （3.18）限流电阻： （3.19） （3.20）电感： （3.21）滤波电容： （3.22） （3.23）上式中Vces为定值1V，Vimin为输入电压不稳定时的最小电压，Vf为快恢复二极管的正向压降。根据上述算法可得到电路中的各器件参数为：Ct=315 pFIpk=785 mARsc=0.382 Lmin=110 uHCo=708 uFR=180R1=1k R2

49、=11k系统所需-15电压通过MC34063的极性反转电路实现，电路原理图如图3-14所示。图3-14 MC34063组成的极性反转电路计算的电路参数如下：Ct=778 pFIpk=1440 mARsc=0.208 Lmin=149 uHCo=1750 uFR1=1k R2=11k第四章 控制电路设计第四章 控制电路设计控制电路采用Microchip公司所生产的PIC16F877单片机作为控制核心，所有控制数据都送到单片机中处理，处理完成后由单片机控制外围器件的工作状态。霍尔传感器采集的数据由单片机得AD模块采集，主电路中的开关器件MOSFET由IR（国际整流器）公司的MOSFET驱动芯片IR

50、2117驱动。开关器件的占空比控制通过单片机的CCP模块输出PWM波控制。输出电压通过3位LED数码管显示。系统需要保存的数据通过EEPROM存储器24C02保存。4.1 PIC16F877最小系统PIC系列单片机是美国Microchip公司推出的一种新型高性能的8位系列单片微控制器，体现了现代单片微控制器发展的新趋势，目前深受用户欢迎，正在逐渐成为单片机世界的一种新潮流。PIC的名称是Peripheral Interface Controller（外围接口控制器）的缩写。由此可以清楚的知道PIC单片机的市场定位。从PIC单片机的问世到快速普及，并为业界广为采用，最主要的原因是它具有完整的单片

51、机系列芯片，可以让使用者根据不同需求选择最合适的单片机芯片，通常无需再外扩程序存储器，数据存储器和AD转换器等外部芯片，这真正体现了单片机的“单片”特性，并具有实用、低价、省电、高速、体积小、驱动强等特点，因此目前在国内市场上，PIC单片机已经得到广泛应用。PIC单片机为哈佛（Hovrard）总线结构的RISC（精简指令集）的CMOS 8位单片机，其主要结构特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品性能与价格比，靠发展多种型号系列产品来满足不同层次用户的应用需求。由于PIC系列单片机采用了哈佛总线结构和RISC指令集，其指令总线和数据总线位数可以不同，PIC系列单片机中的数据总线是8位

52、的，而其指令总线则有12位（基本级产品）、14位（中级产品）、16位（高级产品）3种。目前这些单片机已被广泛应用于工业控制、仪器仪表、计算机外设、家用电器等许多领域中，在国内有广阔的应用前景。PIC16F877是微芯公司的中档产品。它采用14位的RISC指令系统，在保持低价格的前提下，增加了AD转换器、内部EEPROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出、异步串行通信接口电路、模拟电压比较器和FLASH程序存储器等许多功能，可以方便的在线多次编程和调试。图4-1所示的PIC16F877最小系统中，由R1、C1、SB1组成单片机得复位电路。系统频率由4MHZ的晶振提供，系统工作电源由蓄电池通过

53、LM2576HV-05经稳压后获得。图4-1 PIC16F877最小系统4.2 MOSFET驱动电路功率MOSFET为典型的电压型驱动器件，其输入阻抗高，因此开关速度快，驱动功率小，驱动电路简单。但是，功率MOSFET的极间电容较大，因而其开关速度受驱动器内阻的影响较大。尽管功率MOSFET栅源极间静态电阻很大，静态时栅极驱动电流几乎为零，但由于栅极输入电容的存在，在开通和关断的动态驱动中任需要一定的驱动电流。在功率MOSFET导通时一般在栅源极之间加1015V的正向驱动电压，在关断时一般还会加-15V-5V的负偏压。由于功率MOSFET的栅极绝缘层易被击穿，因此栅源极间的电压不得超过+20V

54、。功率MOSFET驱动电路一图4-2所示为分立元件构成的功率MOSFET驱动电路。该方案采用快速光耦隔离，当输入信号为高电平时，光电耦合器导通，电压比较器输出正电压，三极管V1导通、V2关断，输出正驱动电压，使MOSFET导通；当输入信号为低电平时，光电耦合器关断，电压比较器U1输出负电压，三极管V2导通、V1关断，输出负驱动电压，使MOSFET关断。VS1和VS2为20V的稳压二极管，以防止栅源极之间的电压超过20V。该驱动电路采用简单的分立式元件构成，结构简单，成本低廉但抗干扰能力较差，驱动延时较长。图4-2 分立元件功率MOSFET驱动电路功率MOSFET驱动电路二采用IR（国际整流器）

55、公司专为驱动单个MOSFET或IGBT而设计的栅极驱动器集成电路芯片IR2117构成MOSFET驱动电路。IR2117采用高压集成电路技术和无闩锁CMOS技术,并采用双直插式封装,可用于工作母线电压高达600V的系统中。其输入与标准的CMOS电平兼容,输出驱动特性可满足交叉导通时间最短的大电流驱动输出级的设计要求。其悬浮通道与自举技术的应用使其可直接用来驱动一个工作于母线电压高达600V的、在高边或低端工作的N沟道MOSFET或IGBT。IR2117采用CMOS施密特触发器输入及推挽功放输出方式，具有欠压封锁功能，输出与输入同相。IR2117采用标准的双列直插式DIP-8或小型双列扁平表面安装SOIC-8封装形式,这两种封装形式的引脚排列相同,其引脚排列如图4-3所示,各引脚的名称、功能和用法如表4-1所列。图