基于Pspice仿真高频单片机电源系统软件研究

PAGE第1章系统控制及软件设计1目录目录 1摘要 3ABSTRACT 4第一章绪论 51.1课题提出 51.2本论文的主要任务 6第2章系统控制及软件设计 62.1驱动模块M57962L介绍 72.1.1M57962L的外形、结构及电气特性 72.1.2 M57962L内部组成及其特点 82.1.3输出电流限制 92.1.4驱动器对电源的要求 92．2AT89C51单片机简介 102.2.1主要特性 112.2.2管脚说明 112.2.3振荡器特性 122.2.4芯片擦除 132.3单片机模拟PWM信号的输出 132.4显示、键盘子程序设计 152.5保护程序设计 162.6程序整体框图及功能实现 182.7本章小结 20第3章电路调试、仿真与分析 203.1基于Pspcie的电路模拟与仿真 203.2IGBT的Pspice仿真模型 223.2.1直流特性模型的建立 223.2.2动态特性模型的建立 233.3电路调试与主电路仿真 243.4可靠性分析与待完善发展技术 263.4.1软件方面 263.4.2电源设计中的电磁兼容性问题 263.4.3待完善发展技术 273.5本章小结 28第四章全文结论 28致谢 29主要参考文献 30摘要近年来，随着臭氧技术在众多领域的广泛应用，臭氧发生器的设计与改进也成为了一大热门课题，因此，臭氧发生器的高频电源的设计就显得尤为重要。20世纪80年代，IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶闸管）研发成功以及随后出现的智能型IGBT模块（IntelligentPowerModule，IPM）为变频电源的高频化、小型化、高可靠性和高性能奠定了基础。用于集中空气调节系统的制药、食品、冷藏库、加工车间等场所的空气消毒。

性能特点：

1.

极好散热效果，提高了气源中氧气的臭氧化率。

2.

IGBT高频、高压逆变源，提高了阴阳电极放电次数，其效率是工频电源的几十倍。

3.

根据硬件电路需求产生两列高频PWM脉冲信号，要求占空比可调4.

采用PLC控制可实现自动，手动多种控制方式，对水、电、气等多种参数实现多点监控，并对设备实行保护。研究表明提高电源频率能够提高臭氧生产效率。随着电力电子技术的飞速发展，高频逆变电源带来了革命，减小了电源重量和体积，耗电小，动态响应迅速，性能灵活，适应性强，工作稳定可靠，嗓声小。因此研究和开发高频臭氧发生器供电电源被广泛关注，本论文的主要任务就是吸收目前国内外的先进臭氧发生器技术和经验，对大功率小型高效逆变电源进行研究和分析，以提高臭氧发生器的生产效率，提出了一种主电路采用IGBT全桥结构，驱动电路采用M57962L模块，利用单片机控制技术的高频逆变电源的设计方法，对电源驱动保护技术做了重点研究，同时对电路的工作原理作了分析与仿真。本文介绍了用IGBT作为功率器件的变频电源的设计，对电路工作原理进行了分析和仿真。ABSTRACTInrecentyears,alongwiththeozonetechnologyinthemultitudinousdomainwidespreadapplication,theionizerdesignandtheimprovementhasalsobecomeabigpopulartopicTherefore,theionizerhighfrequencypowersourcedesignappearsespeciallyimportantly.The1980s,IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor,insulatesgriddoublepolecrystalhydration)ResearchesanddevelopstheintelligenceIGBTmodulewhichsuccessfulaswellasafterwardsappears(IntelligentPowerModule,IPM)isthefrequencyconversionpowersourcehighfrequency,theminiaturization,theredundantreliabilityandthehighperformancehaslaidthefoundation.Usesintoconcentratetheatmospherecontrolsystemthedrugsmanufacture,food,thefreezerstorage,processesplacetheandsoonworkshopairdisinfection1.extremelygoodradiationseffects,enhancedhavebeenmadinthesourcetheoxygenrate.2.;IGBThighfrequency,high-pressuredinversionsource,enhancedthemasculineandfeminineelementselectrodeelectricdischargenumberoftimes,itsefficiencyispowerfrequencypowersourceseveraldozenstimes3.AccordingtothehardwarecircuitdemandhavetwohighfrequencyPWMpulsesignal,adjustabledutycyclerequirements4.UsesthePLCcontroltobepossibletorealizeautomatically,themanualmanykindsofcontrolmode,addingwater,theelectricity,thegasandsoonmanykindsofparametersrealizesthemulti-spotmonitoring,andimplementstheprotectiontotheequipmentStudyshowsthatincreasingthefrequencyofpowersupplycanraiseozoneproductionefficiency.Withthepowerelectronicdevelopatfullspeed,,thehighfrequencyinverterhasbroughtaboutrevolution,hasdiminishedpowersourceweightandvolume,costalittleelectricity,hasfastdynamicrespond,anditsfunctionisnimble,adaptabilityisstrong,itworksstabilityanddependablewithsmallnoise.Thereforestudyanddevelophighfrequencypowersupplyforionizertobepaidattentiontoextensively.Bystudyingandanalysistohigh-powermini-typehigh-effectinverter,themajortaskofthispaperistoputforwardthedesigningofhighfrequencyinverterusingsingle-chipcomputercontroltechniqueandtakingadvantageoftheadvancedtechnologyandexperienceofionizer,whosemaincircuitadoptIGBTentirebridgestructureanddrivencircuitadopttheM57962Lmodule.Protectionanddrivetechnologyforthepowersupplyhavingbeendoneprioritystudy.Analysisandsimulationtocircuitaloperatingprinciplehavingbeendoneatthesametime.KEYWORDS：IGBT，PWM，inverter，simulation，ozonegenerator第1章绪论随着科学技术的日新月异，人类的经济活动已经到了飞速发展的工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期。电源是位于市电（单相或三相）与负载之间，向负载提供优质电能的供电设备，对科学技术的发展产生巨大的影响。由于超小型、高效率的高频开关电源的出现，促进了航空航天和舰船技术的发展；不间断电源(UPS)的研制成功大大提高了计算机、通信、导航、医疗等设备的可靠；脉冲电源广泛应用于电焊、电镀等行业，节省了大量的电能和原材料。逆变电源具有高效节能和节约材料的优点，并且其响应迅速，调节方便可靠，性能灵活。因此逆变电源在现代电力产业部门和其他产业部门应用十分广泛。1.1课题提出“民以食为天”，如何保证人民群众吃得放心不仅仅是一个科学问题，而是一个切实的“民生”问题。食品的安全问题也是当今国际国内高度关注的课题。经过实践比较论证，臭氧是食品工业中最具发展前景的消毒剂，同时臭氧对污水或饮用水进行处理，其综合效果最佳，因此臭氧发生器的研制，也是现代工业和人们生活的需要。逆变电源在臭氧发生器中的应用不仅节能省材，而且生产效率大大提高，控制方便可靠，如何设计逆变电源也成了臭氧发生器的一个关键所在。本课题得到了湖北省自然科学基金(项目名称：高效臭氧发生机理的研究)的支持。1.2本论文的主要任务很早以前人们就发现提高电源频率能够提高臭氧生产效率。当时存在问题是高频电源采用高频发电机，这种电源虽然电压调整容易，但缺点很多，如旋转部分故障频繁，效率低，发热严重，功耗大，价格昂贵等。随着电力电子技术的发展，高频逆变电源带来了革命，减小了电源重量和体积，耗电小，动态响应迅速，性能灵活，适应性强，工作性能和控制性能好，工作稳定可靠，稳定的工作范围，嗓声小。因此研制和开发高频臭氧发生器供电电源被广泛关注，此次课题也把开发研制高频电源作为研究重点，拟开发研制高效逆变电源作为臭氧发生器供电电源。本论文的主要任务就是吸收目前国内外的先进臭氧发生器技术和经验，设计研究一种大功率高效臭氧发生器，提高臭氧发生器的生产效率。重点研究其供电电源部分，拟设计一台10kHz的IGBT高频逆变供电电源，研究臭氧发生器的负载特点及其对供电电源的要求，力求使电路简单，耗电耗材量小，性能以及负载特性优良，控制方便可靠，最终使臭氧的生产效率最高。基于以上构想，为了完成本课题，主要完成以下几个任务:（1）分析臭氧发生器的负载特性和对电源需求，作为设计逆变电源依据；（2）根据逆变理论设计出臭氧发生器供电电源部分，这是本论文的重点；（3）进行电源整机硬件电路设计，是本论文的关键；（4）进行系统硬件调试，并对关键技术进行探讨，是本论文的保证。第2章系统控制及软件设计如前所叙，本电源主电路采用了IGBT全桥逆变结构，驱动电路日本三菱公司专用芯片M57962L实用电路，利用51单片机控制技术软件实现变频，变占空比，同时通过键盘、显示实现人机交互。本章将介绍主要芯片使用特性和应用方法，并在硬件电路的基础上进行系统整体软件设计。2.1驱动模块M57962L介绍2.1.1M57962L的外形、结构及电气特性 M57962L是日本三菱公司开发生产的可驱动N沟道IGBT(模块的集成电路系列M57957L～M57962L系列中的一款)。M57962L内部集成有2500V高隔离电压的光耦合器、过电流保护电路、过电流保护输出信号端子和与TTL电平相兼容的输入接口，它是一种双电源驱动结构；内部共摸抑制比高，M57962L驱动电信号延迟最大为1.5。 M57962L驱动电路外形结构与管脚号见图3.1，引脚关系见表3.1图1.1M57962L表1.1M57962L引脚号特性引脚号特性1集电极电压监测端2延长端3厂家测试415V电源端5输出驱动信号6-10V电源端7厂家测试8过流保护输出端9厂家测试10厂家测试11空脚12空脚13驱动信号输入负端14驱动信号输入正端注：厂家测试端口不允许外接电路。M57962L的电气特性参数(工作的最大额定值)如未有其它说明，一律按T=25℃表1 .2M57962L参数符号测试条件最大值电源电压DC（直流）18VDC（直流）-15V输入电压17V输出电压输出高电平输出电流脉冲宽度2f=20kHz-5A脉冲宽度2f=20kHz-5Af=20kHz50%占空比0.5A隔离电压正弦波电压60Hz，1分钟2500V结温85工作温度-2060贮存温度-20100故障输出电流在8端20mA输入电压加在1端50V2.1.2 M57962L内部组成及其特点内部电路组成： M57962L是日本三菱公司生产的IGBT专用驱动模块。其内部结构方框图如图4.2所示。图1.2M57962L内部组成原理主要特点：（1）高速输入输出隔离，绝缘强度高2500VAC／min。（2）输入输出电平与TTL电平兼容，适于单片机控制。（3）内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性。（4）具有可靠通断措施(采用双电源)。（5）驱动功率大，可以驱动600A/600V或400A/l200V的IGBT模块。M57962L驱动应用电路前面已经介绍，根据IGBT本身的特性，其工作频高，响应速度快，工作于开关状态下其开关损耗大，从而对IGBT的驱动可靠安全性提出了更高的要求，采用专用驱动模块M57962AL能够驱动大电流大功率的场合，能实现对IGBT的过流过压保护，同时所设计的外围应用电路具有限制基极限流电阻和基射极限幅器，确保了IGBT基极不被烧坏和击穿。2.1.3输出电流限制使用M57962L，必须选择合适的电阻，防止超过极限值（=5A），的选取可以依据公式当=15V，=-5V时，取值为=(15+5)／5=4但对大功率的IGBT模块来说，数值一般按下式计算：这是因为对于大功率的IGBT模块，为了平衡模块内部栅极驱动和防止内部的振荡，模块内部的各个开关器件都会包含有栅极电阻器，数值视模块种类不同而不同，一般在0．75一3之间，而f的数值则依靠栅极驱动电路的寄生电感和驱动器的开关速度来决定，所以获得的最佳办法就是在改变时监测，当达到最大值时，RG达到极限值。2.1.4驱动器对电源的要求驱动器的电源要与驱动器的输入驱动脉冲一侧的控制部分的电源完全隔离开，这一方面是因为驱动器的电源的地端是与IGB的发射极接在一起的，而发射极的电位接在高压端，是不断变化的；另一方面是为了清除地线回路的噪声问题。在带有几个隔离电源的电路系统中，内部电源的电容容量必须降低到一定额度，以避免相互耦合而产生的共态噪声。对于三菱公司生产的M57957L—M57962L系列的IGBT驱动器，推荐的电源配置如图1.3所示。图1.3电源配置这两个电源给IGBT提供了工作时的正负偏压，通常对电源的要求为±10%之内可调，而驱动器的电源端应连接有钽或铝电解去耦电容，他们的主要作用就是提供IGBT栅极所需的高脉冲电流，对于绝大部分的电路，电容器的容量为47即可。2．2AT89C51单片机简介

AT89C是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图1.４51系列单片机引脚图2.2.1主要特性·与MCS-51兼容·4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环,数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路2.2.2管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向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：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的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：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：管脚 备选功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2/INT0 （外部中断0）P3.3/INT1 （外部中断1）P3.4T0 （记时器0外部输入）P3.5T1 （记时器1外部输入）P3.6/WR （外部数据存储器写选通）P3.7/RD （外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。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）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2.3振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.2.4芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.3单片机模拟PWM信号的输出PWM(PulseWidthModulation)即脉冲宽度调制,它通过控制信号去调制方波脉冲的宽度,从而获得控制的实现。产生PWM信号可以由硬件方法和软件方法实现。传统的硬件模拟方法是把调制信号和载波(一般是三角波)同时接入运算放大器的两个输入端作比较而得到。而软件的实现,特别是基于单片机的软件实现方法,主要是利用其内部提供的定时器,通过改变定时器的定时初值获得不同的脉冲持续时间,如果把系统的控制信号和定时器的定时初值线性对应起来,就可获得控制信号对脉宽调制的PWM信号。所以这样线性的对应过程就成为这个实现过程的关键。控制信号的种类不同,采用不同的计算方法,又可以获得不同的PWM.PWM即可由硬件实现(高性能的微处理器或PWM专用芯片或其它硬件电路)，也可以通过软件实现，但其原理是一致的预先给定一波形(也就是我们通常说的载波，可以是三角波、锯齿波)基于AT89C51单片机的PWM软件实现的重要硬件支撑是该单片机内部的定时器。在AT89C51内实现PWM的基本过程:首先选定脉冲的频率T,然后根据控制信号的变化范围,这里假设是(0～V),则可以求出t时刻通过控制信号V(t)的对应脉冲的正、负脉冲持续时间。这两个时间长度在单片机里是通过给定时器赋相应的初值而得,即定时器获得这样的定时初值后就在机器周期的同步下,从这个初值加1计数,定时器满时则产生相应时间长度的溢出中断,再利用这个中断所响应的服务程序去控制单片机某一引脚相应的正、负电平极性的持续时间。如果上述过程连续进行,就可在这个引脚获得宽度随控制信号V(t)大小变化的PWM方波信号本系统要求单片机产生两路倒相方波输出来实现对IGBT桥臂通断的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生默认周期为1ms（即频率为1KHz信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整频率和占空比。TT1TT1PWM2PWM2PWM1600us死区2us导通关断1ms图1.5缺省时两列反相PWM脉冲示意图用T0定时器控制PWM的占空比，T1定时器控制脉宽（最大：65536微秒）。P1.0输出PWM1,P1.1输出PWM2,T0、T1定时器设置成：16位定时器。程序清单：(12MHz)PwmData0

；T0定时T1所需的定时初值（字）PwmData1 ；T1定时T所需的定时初值（字）setbtr0

；启动T0delay2us ；延迟2ussetbtr1 ；启动T1。。。。。。T0Int：T0中断服务程序clr

tr0 ；关闭定时器T0

setb

p1.1

；PWM输出脚P1.1输出高电平 delay2us ；延迟2us clrp1.0 ；PWM输出脚P1.0输出底电平retiT1Int：T1中断服务程序setb

p1.0 ；P1.0输出高电平 delay2us ；延迟2us clr p1.1 ；P1.1输出低电平

clrtr0 ；关闭定时器T0

clrtr1 ；关闭定时器T1MovTH0,High(PwmData0) ；分别赋定时器初值MovTL0,Low(PwmData0)MovTH1,High(PwmData1)MovTL1,Low(PwmData1)Setbtr1 ；启动定时器T1delay2us ；延迟2usSetbtr0 ；启动定时器T0reti说明：根据占空比和频率大小在主程序中查表获得PwmData0、PwmData1的值。

2.4显示、键盘子程序设计显示电路如图1.4所示。该显示电路采用了4位LED数码显示管，分别实时显示输出电压占空比和频率。段码输入段码输入位选图1.６LED显示电路在此电路中，把输出交流电实时频率和占空比通过4位LED数码管显示出来，此连接方式用于动态显示，要显示的数字所对应的字形码通过单片机I/O口从段码输入端送出，位选端在同一时刻只有1位输出端为低电平，其他3位输出全为高电平，为低电平的对应的数码管选中，因此作为数码管显示时的位选信号。系统在工作时，段码输入端每次输出一个字形码，同时控制位选端的电平状态，即使得要显示的对应位数码管共阴极端依次为低电平，即依次选中要显示的位，完成整个显示电路的动态扫描，依此扫描4次，完成4位数据（占空比和频率）的显示。键盘电路如图1.7所示： F+F+F-D+D-89C51I/0接口&+5V 图1.7键盘接口电路根据电源的功能需要，设置了4个按键:占空比增大(S1),占空比减小（S2）频率升高（S3）频率降低(S4)。用外中断INT0作为键盘的输入口，P0口是多功能口，并且只能作为输入口。当没有按键时，INT0为高电平，当有按键按下时，相应位变为低电平，由软件识别相应的按键并进入相应的中断服务程序以实现变频或变占空比。2.5保护程序设计 保护电路用于当电源出现异常情况时保护设备及电源本身的安全。该电源中的保护电路有两种，一是过流，短路，过热，欠压保护，一是过载保护。过流，短路，过热，欠压保护电路如图4.8所示：至至+5V138M57962LPWM信号+5V4.7k光耦图1.8保护电路原理示意图基本原理如下:当电路中出现过流，过热，短路，欠压等情况时，M57962L第8脚输出一故障信号，该故障信号通过光耦隔离后驱动外接电路将输入端13脚置为高电平确保IGBT处于关断状态。同时向CPU外中断1发出中断信号，CPU执行相应的中断处理程序，指示故障类型，等待处理。NNYNNYY开始短路检测短路否启动门关断电路启动定时器输出误差信号定时结束否输入信号为高复位1~2ms图1.9 驱动模块M57962保护工作流程关闭IGBT两桥臂，待处理关闭IGBT两桥臂，待处理显示故障类型中断返回获取故障类型图1.10故障处理中断服务程序流程2.6程序整体框图及功能实现开机后AT89C52产生一占空比为60%、频率1000Hz的脉冲，并设定中断向量入口，等待键盘中断信号输入。待输入频率和占空比信息后，转入中断服务程序，让单片机产生该频率和占空比的PWM脉冲波。AT89C51先通过设置的判断字判断输入值为占空比还是频率，然后将写入相应的控制寄存器内，以改变占空比或频率。然后驱动LED数码管显示该数字，接着打开中断等待下一次输入。主程序流程图中断服务程序流程图关键盘中断主程序关键盘中断主程序设置键盘中断D+，D-—设置键盘中断D+，D-—初始化，设置中断优先极，中断向量读取键盘输入读取键盘输入P1.0,p1.1输出频率1KHZ占空比60%的反相脉冲P1.0,p1.1输出频率1KHZ占空比60%的反相脉冲占空比增加或减少占空比增加或减少状态位置为0，并写入寄存器A状态位置为0，并写入寄存器A开中断等待键输入开中断等待键输入实现变占空比实现变占空比有无中断有无中断送显示送显示 中断程序服务开键盘中断，返回中断程序服务开键盘中断，返回 占空比增加占空比减小D-中断程序D+中断程序D-中断程序D+中断程序占空比加10%占空比减10%占空比加10%占空比减10%退出中断退出中断退出中断退出中断PWM波调用第一列波的子程序调用第二列波的子程序调用延时2调用第一列波的子程序调用第二列波的子程序调用延时2us子程序图1.11主程序流程图及中断服务流程2.7本章小结本章在硬件电路的基础上进行了相应的软件设计，先简要介绍了驱动模块M57962L和控制芯片AT89C51的使用特性，重点论述了单片机PWM信号发生技术，然后硬件电路的基础上给出了键盘显示电路的软件设计流程以实现人机交互，保护程序设计流程从软件上确保电路功能的实现。最后列出了软件整体程序流程，使整个系统设计趋于完整。第3章电路调试、仿真与分析在电子电路设计中，电子电路调试包括测试和调整两个方面。调试的意义是：通过调试使电子电路达到规定的指标；通过调试发现设计中存在的缺陷予以纠正。同样，随着计算机辅助设计的发展，电路仿真也成为电路设计中一个意义非凡的环节，电路仿真是基于元器件模型的一种分析方法，并且对电路的各种状态的模拟只须改变一下几条语句而已，省去了实际电路实验中接线焊元件的麻烦和可能带来得各种损失。3.1基于Pspcie的电路模拟与仿真（Simulation

Program

with

Integrated

Circuit

Emphasis）用于模拟电路仿真的SPICE软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式实用版SPICE

2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。PSpice则是由美国Microsim公司在SPICE

2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。

Pspice9.0是MicroSim公司推出的较新版本的PSpice，它由以下几个部分组成：（1）设计管理器。Design

Manager帮助管理设计中的文件，它有强大的文件管理能力，可以将一个设计中所有的输入输出文件以及电路图等文件当作一个整体进行处理，并能观察它们的结构。（2）电路图输入程序。Schematics

PSpice的输入形式一般有电路原理图和网单文件两种。采用电路原理图的形式作为输入方式比较简单、直观。电路元器件的符号库中除了有必须的电阻、电容、电感、晶体管等基本元器件外，还有运算放大器等宏模型符号，以及数字电路中的寄存器、门电路等等。在设计中，输入电路图后，可以利用电路原理图编译器把电路图转化成电路网单文件，并标上节点号，提供给仿真工具进行模拟。（3）电路仿真程序PSpice

A/D。电路仿真工具是PSpice的核心部分，它包括以下功能：直流工作点的分析、直流转移特性分析、传输函数的计算、交流小信号分析、交流小信号的噪声分析、瞬态分析、傅立叶分析、直流灵敏度分析、温度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析等，同时它还能够对数模混和电路进行仿真。在使用过程中，它接受网单文件的输入，并列方程进行计算求解，最后输出结果。（4）输出绘图程序Probe。Probe是PSPICE的输出图形处理软件包。它接受仿真程序输出的绘图文件（*.DAT），在屏幕上绘出曲线，并可输出到打印机上。（5）激励源编辑程序Stimulus

Editor。用户可以在输入网单文件中定义电路的收入信号源，也可以利用Stimulus

Editor来编辑输入信号源，包括正弦源、脉冲源、指数源、分段线性源等等。（6）模型参数提取程序Parts。由于电子元器件的种类复杂，模型参数库中的模型有限，所以PSpice提供了从器件特性直接提取模型各种参数的软件包Parts。它从元器件制造商提供的数据表直接提取PSpice的模型参数，而不需要对器件进行测量。然后将该模型放入库中就可以利用模型进行仿真。PSpice还允许用户对已有的模型参数或器件的方程进行修改。（7）电路优化工具Optimizer。PSpice所提供的优化工具Optimizer是针对已经具有大致的基本功能的电路的，如果需要调节某些性能参数比如增益、带宽等，就可以使用Optimizer对电路进行优化。Optimizer将调整电路中某些参数的值，观察参数的微弱变化对电路性能的影响，然后再次调整参数，直到性能达到要求为止。当对电路性能参数要求较多时，则需要调节的参数也比较多，这时Optimizer就能充分表现出它的优势。（8）文本编辑器TextEdit。在使用PSpice进行电路模拟的过程中，会多次用到文件编辑器，比如对输入文件的编辑、浏览输出文件等等。为了方便用户，PSpice还提供了自己的文本编辑器TextEdit，功能类似于Windows中的记事本Notepad。3.2IGBT的Pspice仿真模型绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)简称IGBT，是一种通过栅级驱动电压来控制的开关晶体管。IGBT集MOSFET高速开关和低驱动功率与BJT低开关损耗的优点于一身，器件的结构和工作原理与MOSFET相似，只是在VDMOS的基础上再增加了一个层。IGBT与MOSFET的传输特性完全相同，该曲线在电流输出范围中几乎是线性的，仅在栅-射电压达到阈值电压处呈现非线性。IGBT与BJT在输出特性方面的不同主要在控制参数，前者是电压控制型，后者是电流控制型。N沟道IGBT是以PNP型BJT作为主导元件，以N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件，其等效电路如图5.1所示。图2.1IGBT等效电路3.2.1直流特性模型的建立由IGBT的输出特性可以看出其输出电流仅取决于驱动电压，基于这个事实，在截止区、线性区、饱和区中描述MOSFET的方程均可在IGBT模型中采用。但IGBT的输出特性与MOSFET输出特性不完全相同，因此必须进行修正。从EGBT的内部结构和特性可得到如图5.2所示的IGBTPSPICE仿真的直流模型，图2中电压控制电压源E是为了修正IGBT从线性区过渡到饱和区时的输出特性，电压控制电流源、电流控制电压源的引入为了修正IGBT在饱和区的输出特性，电压控制电压与为零电压源，是为了仿真方便引入的图2.2IGBT的PSPICE直流模型电路图3.2.2动态特性模型的建立 IGBT的动态特性仿真模型是在直流特性仿真模型的基础上加入线性输入电容构成，由于Pspice仿真中每个开关状态电容值发生急剧变化是不容易实现的，会出现不收敛问题。非线性输入电容的形成基于非线性电路的输入电源，非线性电容的模型借助折线方程等效，利用非线性电路的等小电路特性取代电容特性，采用等小模拟的方法来设置动态模型比常规的符合模型分析法更接近IGBT的动态特性，详细的推导过程参见文献[28]，完整的IGBT动态仿真模型电路图如图2.3所示图2.3IGBT的PSPICE动态模型图2.3中：在仿真中，MOSFET参数配置决定着IGBT动态模型的开关时间和存储时间，为减小对IGBT模型的影响，MOSFET模型参数中只对其阈值电压、跨导系数及转换时间进行设定，其他参数引用了PSPICE内的默认值；BJT的参数配置决定IGBT动态模型的饱和压降和反向漏电流等特性，BJT只设定了饱和电压、正向电流增益及输出导纳，其他参数引用了默认值．模型中门极输入电阻和输入电容影响IGBT开通过程中的开通延迟时间和上升时间，输出电容影响着关断时间．要达到所分析器件特性的良好模拟，除了要协调调整以上参数外，还需根据器件的实际情况调整模型中的受控源参数，才能最终达到满意的结果。3.3电路调试与主电路仿真电路的调试包括电路的测试和调整两个方面。测试是对已经安装完成的电路进行参数及工作状态的测量，调整是在测量的基础上对电路元器件的参数进行必要的修正，使电路的各项性能指标达到设计要求。对电路的调试我们是通过分块调试法和统一调试法进行的。分块调试就是各级电路分别调试，我们设计的电路是由若干级电路组成，逐级对各级电路进行调试。在各级电路调试好后，进行级连调试，其中有多次反复，最终才完成整调。详细过程如下：（1）通电前检查电路安装好后，在没有接通电源的情况下，我们对电路进行认真细致的检查，以便发现并纠正电路在安装过程中的疏漏和错误，避免在电路通电后发生不必要的故障，甚至损坏元器件。检查电路中每个元器件的型号和参数是否符合设计要求，这时可对照原理图或装配图逐一进行检查。在检查时还注意各元器件引脚之间有无短路，连接处的接触是否良好。特别是注意集成片的方向和引脚、三极管管脚、二极管的方向和电解电容器的极性等是否接对。电路连线的错误是造成电路故障的主要原因之一。通电前必须检查所有连线是否正确，包括错线、多线和少线等。查线过程中我们还注意了各连线的接触点是否良好，在有焊点的地方应检查焊点是否牢固。在检查电源的接线时，先查看电源线的正负极性是否接对。然后用万用表的档测量电源线进线之间的电线有无短路现象，再用万用表的欧姆档检查两进线之间有无开路现象。在检查到电源进线之间有短路或开路现象时，不能接通电源，必须在排除故障后才能通电。（2）通电检查通电前检查无误后，根据设计要求，将电压相符的电源接入电路。电源接通后不应急于测量数据或观察结果，而应首先观察电路中有无异常现象。如有无冒烟，是否闻到异常气味，也可用手摸器件有无异常的发热现象，电源是否有短路现象等。如果出现这些异常现象，则立即关断电源，重新检查电路并找出原因，待故障排除后方可重新接通电源。（3）静态调试静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。（4）动态调试动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。（5）主电路仿真结果在电源设计过程中，电路的仿真分析尤为重要，通过计算机仿真来检验设计的系统是否满足性能要求．应用计算机仿真可以减少电路实验工作量，更全面地对电路参数进行分析以帮助改进设计质量，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期．Pspcie提供了模拟和数字信号混合仿真，在仿真过程中可以查看和分析电路的性能指标，同时不需要编写网络表文件，使用十分方便．Pspcie提供了IGBT精确模型，本文利用Pspcie对臭氧发生器电源逆变主电路（原理如图2.3所示）进行仿真，通过对电路参数的优化，其仿真波形如图2.4所示：图2.4逆变主电路仿真波形图图示输入端（in）为12V直流输入加至图2.3所示逆变主电路在输出端（out1-out2）产生正负12V交流输出，再将此输出加至按负载要求设计好的高频脉冲升压变压器即可对臭氧发生器实现供电。3.4可靠性分析与待完善发展技术采用各种电子元器件进行系统或整机线路设计时，不仅必须考虑如何实现规定的功能，而且应该考虑采用何种设计方案才能充分发挥元器件固有可靠性的潜力，提高系统或整机的可靠性水平。3.4.1软件方面微型机控制系统的程序是一步一步进行操作的。当有外部的干扰或机器内部硬件瞬间故障，会使程序计数器偏离原定的值，使程序失控，使整个系统陷入混乱状态。为了防止这种情况发生，在软件设计时，可以采用设立软件陷阱的方法加以克服。对该电源来说具体做法是，在ROM中，每隔一些指令(通常为十几条指令即可)，把连续的几个单元置成“00”(空操作)。其对应的指令就是一个分号；其对应的汇编语句就是一个NOP。这样，当程序出现失控时，只要失控的单片机进入这众多的软件陷阱中的任何一个，都会被捕获，连续进行几个空操作。执行这些空操作后，程序自动恢复正常，继续执行后面的程序。这种方法虽然浪费一些内存单元，单可以保证程序不会飞掉。3.4.2电源设计中的电磁兼容性问题电磁兼容性（EMC）是指电子系统及其元部件在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。EMC设计的目的是既能抑制各种外来的干扰，使电路和设备在规定的电磁环境中能正常工作，同时又能减少其本身对其它设备的电磁干扰。（1）电源对电网传导的骚扰与抑制骚扰来源：①非线性流。②初级电路中功率晶体管外壳与散热器之间的容光焕发性耦合在电源输入端产生的传导共模噪声。抑制方法：①对开关电压波形进行“修整”。②在晶体管与散热器之间加装带屏蔽层的绝缘垫片。③在市电输入电路中加接电源滤波器。（2）开关电源的辐射骚扰与抑制注意辐射骚扰与抑制抑制方法：①尽可能地减小环路面积。②印刷线路板上正负载流导体的布局。③在次线整流回路中使用软恢复二极管或在二极管上并联聚酯薄膜电容器。④对晶体管开关波形进行“修整”。（3）输出噪声的减小原因是二极管反向电流陡变及回路分布电感。二极管结电容等形成高频衰减振荡，而滤波电容的等效串联电感又削弱了滤波的作用，因此在输出波形中出现尖峰干扰解决办法是加小电感和高频电容。3.4.3待完善发展技术（1）软开关技术PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中，电压下降/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小体积重量，但开关损耗却更大了(功耗与频率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压(ZVS)/零电流(ZCS)开关技术，或称软开关技术(相对于PWM硬开关技术而言)。30A/48V开关整流器模块采用移相全桥(Phase-shiftedFullbridge)ZVS-PWM技术后比用PWM技术的同类产品重量下降40％。软开关技术的开发和应用提高了开关电源的效率。（2）控制技术电流型控制及多环控制(Multi-loopcontrol)已得到较普遍应用；电荷控制(Chargecontrol)，一周期控制(One-cyclecontrol)，数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。3.5本章小结 电路调试与仿真是电子电路设计成功的保证，本章从IGBT电路仿真模型建立入手，对主电路进行了一个简单仿真分析，结果符合预期目标。文章接着叙述了电路调试的基本方法，最后介绍了确保电源可靠稳定工作的常用方法并针对此课题研究的不足提出了完善与发展的方向。第4章全文结论本文通过对目前臭氧发生器技术的研究，从高效大功率臭氧发生器技术难点入手，对其负载特性做了分析与探讨，提出了要提高臭氧发生器效率，首要解决的问题是改善供电电源。并以此为依据，进行了一种适用臭氧于大功率高频逆变电源的设计与研究。大功率IGBT因具有工作频率较高，驱动电路功率小，工作损耗小等优点，通过IGBT开关器件，专用的驱动模块电路的设计简化，本文采用了变频技术以及单片机控制技术，介绍了一种主电路采用IGBT全桥结构，驱动电路采用M57962L模块，能设置输出电压频率和占空比的逆变电源设计方法，并对单片PWM输出技术以及电源驱动保护技术做了重点研究，同时利用计算机辅助设计对整体电路的工作原理作了分析与仿真，该研究为臭氧发生器电源小型化和智能化的进一步研究提供了基础。电源技术也在不断的发展，一是电源技术本身的发展，一是开发手段的发展。从电源技术的发展来看，软开关技术是一个很重要的发展方向，该技术可以大大减小变换器元件在开关过程中的损耗，提高了变换器的工作频率，减少了元器件的散热器体积，从而减少了装置的体积和重量，同时也提高了变换器工作的可靠性和效