基于ARM的BUck變換器制作畢業(yè)論文

1、 . . . 基于ARM的Buck變換器制作摘 要電子技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，直流開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于個人計算機(jī)、電信通信、電力系統(tǒng)、航空航天和生物醫(yī)療等領(lǐng)域，對開關(guān)電源的性能、功率密度、工作效率和可靠性都提出了更高的要求。BUCK變換器在電池供電的計算機(jī)，消費類產(chǎn)品等需多電源供電的電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，小型化成為必然的要求。本文對Buck變換器的整體電路和硬件電路進(jìn)行了討論。首先，對Buck變換器的背景，發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行闡述。其次，對Buck變換器的硬件設(shè)計進(jìn)行了介紹，STM32處理器的簡介和部主要結(jié)構(gòu)介紹，還有對變換器中的主要電路進(jìn)行介紹，功率與驅(qū)動電路、電源電路、保護(hù)電路、軟開關(guān)電路與控制、電

2、流傳感器的電路原理。再次，對整體電路進(jìn)行一些簡單的描述。最后，在附錄中，本文還將給出一些必要的系統(tǒng)設(shè)計資料，供參考之用。關(guān)鍵詞：Buck變換器，ST,M32處理器，硬件電路，整體電路29 / 33Based on the arm of the changes made a buckAuthor : JinJian Tutor : Zhang YuxiangAbstractElectronic technology development in recent years, the dc power supply has the wide application in personal compu

3、ters and telecom communications, the electrical system, air space and biological and medical fields, switching power supplies of power, performance, efficiency and reliability have made a higher demands.Buck change in the battery power of computer, and many consumer products have the power supply of

4、 electronic systems are widely used, advocate small-size become inevitable.To buck this transformation of the electrical circuits and hardware circuit discussed.First, buck to change the background and development in the paper.Secondly, the buck from the hardware design, stm32 processors, and intern

5、al structure, and to introduce major changes in the main circuits to introduce, power and driven circuit, power supply circuits, the protection circuit and the electrical and control, the principle of the circuit. current sensors.Thirdly, the circuit to make some brief description.Finally, in the an

6、nex, this will also give some necessary system design, data for reference only.Key words:Buck changes, hardware circuit stm32 processor, the circuit目 錄1 緒論11.1 課題背景介紹11.2 課題研究狀況11.3 課題研究方法22 STM32處理器32.1 STM32處理器介紹32.2高級控制定時器(TIM1)42.2.1 簡介42.2.2 主要特性42.3 通用定時器(TIMx)52.3.1 概述52.3.2 主要特性52.3.3 功能描述62

7、.4 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)72.4.1 介紹72.4.2 主要特征72.4.3 引腳描述82.4.4 功能描述93 系統(tǒng)硬件設(shè)計113.1 Buck電路的開關(guān)過程分析113.2 功率與驅(qū)動電路設(shè)計123.2.1 IR2110簡介123.2.2 IR2110部結(jié)構(gòu)和特點123.3 電源電路與保護(hù)電路設(shè)計133.3.1 電源電路設(shè)計143.3.2 保護(hù)電路設(shè)計143.4 軟開關(guān)電路與控制電路設(shè)計183.5 電流傳感器的電路設(shè)計213.5.1 電流傳感器的介紹213.5.2 工作原理213.5.3 模擬霍爾傳感器SS495介紹22結(jié)論25致26參考文獻(xiàn)27附錄 Buck變換器硬件電路圖281 緒

8、論1.1 課題背景介紹開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，別是近幾年便攜式電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展 ， 使高效率、高可靠性、高精度、高功率密度成為開關(guān)電源的發(fā)展方向，對集成電路設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng) 濟(jì)、實用,實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后

9、經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關(guān)的外圍設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的20

10、0瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。1.2 課題研究狀況近30年來，開關(guān)型功率調(diào)節(jié)器已經(jīng)發(fā)展成輕型、高效的直流電源。在各類Buck變換器中。PWM型DCDC變換器結(jié)構(gòu)種類多，發(fā)展快，術(shù)領(lǐng)先，于實現(xiàn)，成為最大的一類。目前，無論在電力電子，還是在控制領(lǐng)域中，IMDCDC變換器都是研究的熱點。PWM型變換器中。率器件工作在開關(guān)狀態(tài),著開關(guān)頻率的提高,常用的理想元件級模型進(jìn)行仿真,需要的仿真時間會增加，至在諸如諧振變換器等場合會導(dǎo)致仿真不收斂。由于種種限制,在 DCDC變換器的控制方面只是最近幾年才有了較為集中的研究,且由于DCDC變換器的精確模型較難建立,傳統(tǒng)的控制方法較難得到好的控制特性

11、。隨著微電子技術(shù)，現(xiàn)代控制理論以與E D A技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，越多的先進(jìn)控制方法被用來控制DCDC變換器,大的改善了其性能。對這些先進(jìn)控制方法的仿真具有重要的現(xiàn)實意義。 1.3 課題研究方法本文主要研究Buck變換器的硬件電路部分，硬件電路主要是由STM32處理器和一些電路組成，這些電路包括：功率與驅(qū)動電路，電源電路與保護(hù)電路，軟開關(guān)電路與控制，電流傳感器。然后對Buck的整體電路在進(jìn)行研究和討論。1.4 整體框圖2 STM32處理器2.1 STM32處理器介紹微控制器全球領(lǐng)導(dǎo)廠商意法半導(dǎo)體宣布最新的STM32互聯(lián)系列(Co n n e c t i v i t y L ine)微控制器已全

12、面投產(chǎn)，基于ARM Co r t e x ( t m) - M3 處理器的這款新產(chǎn)品如預(yù)期準(zhǔn)時上市。S TM3 2互聯(lián)系列讓設(shè)計人員可以在同時需要以太網(wǎng)、US B、C AN和音頻級1 2 S接口的產(chǎn)品設(shè)計中發(fā)揮工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的32位微處理器的優(yōu)異性能。目前互聯(lián)系列下設(shè)兩個產(chǎn)品系列：S T M3 2 F105 和 S T M3 2 F107。 S T M3 2 F1O5系列集成一個全速USB 20 Ho s tD e v i c eOT G接口和兩個具有先進(jìn)過濾功能的C AN2.0 控制器；STM3 2F107系列則在STM32F1O5系列基礎(chǔ)增加一個10100以太網(wǎng)媒體訪問控制器 ( MAC)，以完

13、整的硬件支持IEEE1588精確時間協(xié)議，使設(shè)計人員能夠為實時應(yīng)用開發(fā)以太網(wǎng)連接功能。置專用緩存讓USBOTG、兩CAN控制器和以太網(wǎng)接口同時工作，以滿足通信網(wǎng)關(guān)應(yīng)用的需求，以與各種需要靈活的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接功能的挑戰(zhàn)性需求。兩個系列產(chǎn)品都支持音頻級l 2 S通信，配合USB h o s t ；F口SP I功能讓微控制器可以讀取USB大容量外存、MP3播放器或SD記憶卡等外存中的音頻文件，并通過1 2接口進(jìn)行音頻解碼和輸出。這些功能是家庭音響設(shè)備的必備功能，如音響底座系統(tǒng) 、 鬧鐘音樂播放器和家庭影院。ARM C o r t e x M3出色的處理性能讓開發(fā)人員可以用軟件實現(xiàn)重要的功能(如語音編解

14、碼)和人機(jī)接口功能 (如顯示數(shù)據(jù)處理、播放和停止按鈕)，從而節(jié)省外部元器件?！拔覀冊谑褂?ARM C o r t e x M3核方面積累了大量的技術(shù)知識，可以迅速地推出新產(chǎn)品，在一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)核上實現(xiàn)高能效運行、優(yōu)異的實 時性能和創(chuàng)新的共享外設(shè)，”意法半導(dǎo)體微控制器產(chǎn)品部總經(jīng)理Jim Nicholas表示，“目前量產(chǎn)中的四個 S T M3 2系列產(chǎn)品，以與一個正在開發(fā)的超低功耗S T M3 2 L微控制器平臺,還有更多規(guī)劃中的創(chuàng)新產(chǎn)品，我們可靠的產(chǎn)品開發(fā)藍(lán)圖使我們的客戶能夠鎖定 現(xiàn)有市場并掌握新興市場機(jī)會?！?STM32互聯(lián)系列由72 MHz微控制器組成，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)記錄、USB連接和

15、外設(shè)擴(kuò)展或現(xiàn)場升級等需求，可用于以工業(yè)、醫(yī)療、家電、消費電子和物業(yè)服務(wù)為目標(biāo)用的產(chǎn)品，如電力線通信(PLC)、電機(jī)控制、病人監(jiān)控、家庭音響、保安系統(tǒng)、電表控制面板。目前STM32系列共有70款產(chǎn)品在產(chǎn)，36MHz到72MHz的產(chǎn)品在軟件和引腳上相互兼容，提供多種共用外設(shè)選擇，以滿足多元化的應(yīng)用需求，共計八種封裝選擇，片上閃存密度從16K到512KB。置64KB、128KB或 256KB閃存的STM32F105和置128K或256KB閃存的STM32F107立即上市，這兩個系列產(chǎn)品采用LQFP64或LQFP100封裝。 2.2 高級控制定時器(TIM1)2.2.1 簡介高級控制定時器(TIM1)

16、由一個16位的自動裝載計數(shù)器組成，它由一個可編程預(yù)分頻器驅(qū)動。 它適合多種用途，包含測量輸入信號的脈沖寬度(輸入捕獲)，或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較，PWM，嵌入死區(qū)時間的互補(bǔ) PWM)。 使用定時器預(yù)分頻器和RCC時鐘控制預(yù)分頻器，可以實現(xiàn)脈沖寬度和波形周期從幾個微秒到幾個毫秒的調(diào)節(jié)。高級控制(TIM1)和通用(TIMx)定時器是完全獨立的，它們不共享任何資源。2.2.2主要特性TIM1 定時器的功能包括： 16位上，下，上/下自動裝載計數(shù)器 16位可編程預(yù)分頻器，計數(shù)器時鐘頻率的分頻系數(shù)為165535之間的任意數(shù)值 4個獨立通道： 輸入捕獲； 輸出比較； PWM生成(邊緣或中間對齊模式)；

17、單脈沖模式輸出； 死區(qū)時間可編程的互補(bǔ)輸出； 使用外部信號控制定時器和定時器互連的同步電路； 在指定數(shù)目的計數(shù)器周期之后更新定時器寄存器；剎車輸入信號可以將定時器輸出信號置于復(fù)位狀態(tài)或者一個已知狀態(tài)。 如下事件發(fā)生時產(chǎn)生中斷/DMA： 更新：計數(shù)器向上溢出/向下溢出，計數(shù)器初始化(通過軟件或者部/外部觸發(fā))； 觸發(fā)事件(計數(shù)器啟動，停止，初始化或者由部/外部觸發(fā)計數(shù))； 輸入捕獲； 輸出比較； 剎車信號輸入。2.3 通用定時器(TIMx)2.3.1 概述通用定時器是一個通過可編程預(yù)分頻器驅(qū)動的16位自動裝載計數(shù)器構(gòu)成。 它適用于多種場合，包括測量輸入信號的脈沖長度(輸入采集)或者產(chǎn)生輸出波形(

18、輸出比較和PWM)。使用定時器預(yù)分頻器和RCC時鐘控制器預(yù)分頻器，脈沖長度和波形周期可以在幾個微秒到幾個毫秒間調(diào)整。定時器是完全獨立的，而且沒有互相共享任何資源。它們可以一起同步操作。 2.3.2 主要特性通用TIMx定時器特性包括： 16位向上，向下，向上/向下自動裝載計數(shù)器； 16位可編程預(yù)分頻器，計數(shù)器時鐘頻率的分頻系數(shù)為 165535之間的任意數(shù)值。 4個獨立通道： 輸入捕獲； 輸出比較； PWM生成(邊緣或中間對齊模式)； 單脈沖模式輸出； 使用外部信號控制定時器和定時器互連的同步電路。 如下事件發(fā)生時產(chǎn)生中斷/DMA： 更新：計數(shù)器向上溢出/向下溢出，計數(shù)器初始化(通過軟件或者部/

19、外部觸發(fā))； 觸發(fā)事件(計數(shù)器啟動，停止，初始化或者由部/外部觸發(fā)計數(shù))； 輸入捕獲； 輸出比較。2.3.3 功能描述輸入捕獲模式 在輸入捕獲模式下，當(dāng)檢測到ICx信號上相應(yīng)的邊沿后，捕獲/比較寄存器(TIMx_CCRx)被用來鎖存計數(shù)器的值。當(dāng)一個捕獲事件發(fā)生時，相應(yīng)的CCXIF標(biāo)志(TIMx_SR寄存器)被置1，如果開放了中斷或者DMA操作，則將產(chǎn)生中斷或者DMA操作。如果一個捕獲事件發(fā)生時CCxIF標(biāo)志已經(jīng)為高，那么重復(fù)捕獲標(biāo)志CCxOF(TIMx_SR寄存器)被置1。寫CCxIF=0可清除CCxIF，或讀取存儲在TIMx_CCRx寄存器中的捕獲數(shù)據(jù)也可清除CCxIF。寫CCxOF=0可

20、清除CCxOF。 以下例子說明如何在TI1輸入的上升沿時捕獲計數(shù)器的值到TIMx_CCR1寄存器中， 步驟如下： 選擇有效輸入端：TIMx_CCR1必須連接到TI1輸入，所以寫入TIMx_CCR1寄存器中的CC1S=01， 一旦CC1S不為00時， 通道被配置為輸入， 并且TM1_CCR1寄存器變?yōu)橹蛔x。根據(jù)輸入信號的特點，配置輸入濾波器為所需的帶寬(輸入為TIx時，TIMx_CCMRx寄存器中的ICxF位)。假設(shè)輸入信號在最多5個時鐘周期的時間抖動，我們須配置濾波器的帶寬長于5個時鐘周期。因此我們可以(以fDTS頻率)連續(xù)采樣8次，以確認(rèn)在TI1上一次真實的邊沿變換，即在TIMx_CCMR1

21、寄存器中寫入IC1F=0011。 選擇TI1通道的有效轉(zhuǎn)換邊沿，在TIMx_CCER寄存器中寫入CC1P=0(即上升沿)。 配置輸入預(yù)分頻器。在本例中，我們希望捕獲發(fā)生在每一個有效的電平轉(zhuǎn)換時刻，因此預(yù)分頻器被禁止(寫TIMx_CCMR1寄存器的IC1PS=00)。 設(shè)置TIMx_CCER寄存器的CC1E=1，允許捕獲計數(shù)器的值到捕獲寄存器中。 如果需要，通過設(shè)置TIMx_DIER寄存器中的CC1IE位允許相關(guān)中斷請求，通過設(shè)置TIMx_DIER寄存器中的CC1DE位允許DMA請求。 發(fā)生當(dāng)一個輸入捕獲時：當(dāng)產(chǎn)生有效的電平轉(zhuǎn)換時，計數(shù)器的值被傳送到TIMx_CCR1寄存器。CC1IF標(biāo)志被設(shè)置

22、(中斷標(biāo)志)。當(dāng)發(fā)生至少2個連續(xù)的捕獲時，而CC1IF未曾被清除，CC1OF也被置1。 如設(shè)置了CC1IE位，則會產(chǎn)生一個中斷。如設(shè)置了CC1DE位，則還會產(chǎn)生一個DMA請求。為了處理捕獲溢出，建議在讀出捕獲溢出標(biāo)志之前讀取數(shù)據(jù)，這是為了避免丟失在讀出捕獲溢出標(biāo)志之后和讀取數(shù)據(jù)之前可能產(chǎn)生的捕獲溢出信息。 2.4 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)2.4.1 介紹12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個通道，可測量16個外部和2個部信號源。各通道的A/轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門狗特性允許應(yīng)用程序檢測輸入電壓是

23、否超出用戶定義的高/低閥值。 2.4.2主要特征12-位分辨率 轉(zhuǎn)換結(jié)束，注入轉(zhuǎn)換結(jié)束和發(fā)生模擬看門狗事件時產(chǎn)生中斷；單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式；從通道0到通道n的自動掃描模式；自校準(zhǔn)；帶嵌數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)對齊；通道之間采樣間隔可編程；規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換均有外部觸發(fā)選項；間斷模式；雙重模式(帶2個ADC的器件)；ADC轉(zhuǎn)換速率1MHz；ADC供電要求：2.4V到3.6V；ADC輸入圍：VREF- VIN VREF+；規(guī)則通道轉(zhuǎn)換期間有DMA請求產(chǎn)生。 圖2.3 是ADC模塊的方框圖。 注意：如果有VREF-管腳(取決于封裝)，必須和VSSA相連接。圖2.3 ADC模塊的方框圖2.4.3 引腳描述ADC管

24、腳 名稱信號類型注解 VREF+輸入模擬參考正ADC使用的高端/極參考電壓VSSA VREF+ VDDAVDDA輸入模擬電源等效于VDD的模擬電源且：2.4V VDDA VDD(3.6V)VREF-輸入模擬參考負(fù)極 ADC使用的低端/負(fù)極參考電壓VREF- = VSSAVSSA輸入模擬電源地等效于VSS的模擬電源地ADC_IN15:0模擬輸入信號16個模擬輸入通道 EXTSEL2:0輸入數(shù)字開始規(guī)則成組轉(zhuǎn)換的六個外部觸發(fā)信號JEXTSEL2:0輸入數(shù)字開始注入成組轉(zhuǎn)換的六個外部觸發(fā)信號表 2.12.4.4 功能描述1、ADC開關(guān)控制通過設(shè)置ADC_CR1寄存器的ADON位可給ADC上電。當(dāng)?shù)谝?/p>

25、次設(shè)置ADON位時，它將ADC從斷電狀態(tài)下喚醒。 ADC上電延遲一段時間后(tSTAB)，再次設(shè)置ADON位時開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 通過清除ADON位可以停止轉(zhuǎn)換，并ADC置于斷電模式。在這個模式中，ADC幾乎不耗電(僅幾個µA)。 2、ADC時鐘 由時鐘控制器提供的ADCCLK時鐘和PCLK2(APB2時鐘)同步。CLK控制器為ADC時鐘提供一個專用的可編程預(yù)分頻器。 3、通道選擇 有16個多路通道?？梢园艳D(zhuǎn)換分成兩組：規(guī)則的和注入的。在任意多個通道上以任意順序進(jìn)行的一系列轉(zhuǎn)換構(gòu)成成組轉(zhuǎn)換。例如，可以如下順序完成轉(zhuǎn)換：通道3、通道8、通道2、通道2、通道0、通道2、通道2、通道15。規(guī)則

26、組由多達(dá)16個轉(zhuǎn)換組成。規(guī)則通道和它們的轉(zhuǎn)換順序在ADC_SQRx寄存器中選擇。規(guī)則組中轉(zhuǎn)換的總數(shù)寫入ADC_SQR1寄存器的L3:0位中。注入組由多達(dá)4個轉(zhuǎn)換組成。注入通道和它們的轉(zhuǎn)換順序在ADC_JSQR寄存器中選擇。注入組里的轉(zhuǎn)換總數(shù)目寫入ADC_JSQR寄存器的L1:0位中。如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在轉(zhuǎn)換期間被更改，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換被清除，一個新的啟動脈沖將發(fā)送到ADC以轉(zhuǎn)換新選擇的組。溫度傳感器/ VREFINT部通道 溫度傳感器和通道ADC_IN16相連接，部參考電壓VREFINT和ADC_IN17相連接?？梢园醋⑷牖蛞?guī)則通道對這兩個部通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。注意：傳感器和VR

27、EFINT只能出現(xiàn)在主ADC中。4、單次轉(zhuǎn)換模式 單次轉(zhuǎn)換模式里，ADC只執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換。這個模式既可通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的ADON位(只適用于規(guī)則通道)啟動也可通過外部觸發(fā)啟動(適用于規(guī)則通道或注入通道)，這時CONT位為0。 一旦選擇通道的轉(zhuǎn)換完成： 如果一個規(guī)則通道被轉(zhuǎn)換： 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被儲存在16位ADC_DR寄存器中； EOC(轉(zhuǎn)換結(jié)束)標(biāo)志被設(shè)置； 如果設(shè)置了EOCIE，則產(chǎn)生中斷。 如果一個注入通道被轉(zhuǎn)換： 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被儲存在16位的ADC_DRJ1寄存器中； JEOC(注入轉(zhuǎn)換結(jié)束)標(biāo)志被設(shè)置； 如果設(shè)置了JEOCIE位，則產(chǎn)生中斷，然后ADC停止。 4、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式 在連續(xù)轉(zhuǎn)

28、換模式中，當(dāng)前面ADC轉(zhuǎn)換一結(jié)束馬上就啟動另一次轉(zhuǎn)換。此模式可通過外部觸發(fā)啟動或通過設(shè)置ADC_CR2寄存器上的ADON位啟動，此時CONT位是1。 每個轉(zhuǎn)換后： 如果一個規(guī)則通道被轉(zhuǎn)換： 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被儲存在16位的ADC_DR寄存器中； EOC(轉(zhuǎn)換結(jié)束)標(biāo)志被設(shè)置； 如果設(shè)置了EOCIE，則產(chǎn)生中斷。 如果一個注入通道被轉(zhuǎn)換： 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被儲存在16位的ADC_DRJ1寄存器中； JEOC(注入轉(zhuǎn)換結(jié)束)標(biāo)志被設(shè)置； 如果設(shè)置了JEOCIE位，則產(chǎn)生中斷。3、時序圖 如圖2.4所示，ADC在開始精確轉(zhuǎn)換前需要一個穩(wěn)定時間tSTAB。在開始ADC轉(zhuǎn)換和14個時鐘周期后，EOC標(biāo)志被設(shè)置，16位A

29、DC數(shù)據(jù)寄存器包含轉(zhuǎn)換的結(jié)果。.圖2.4 時序圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 Buck電路的開關(guān)過程分析Buck變換器電路見圖3.1。Buck DCDC變換器由功率開關(guān)s、儲能電感L、續(xù)流二極管D、濾波電容C、負(fù)載電阻R、和輸入電壓V成。變換器有電感電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作方式，降壓型電路電感電流連續(xù)與否的臨界條件：。圖3.1 Buck變換器電路圖圖3.2 Buck變換器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這里我們討論電感電流連續(xù)(CCM)方式。當(dāng)電感電流連續(xù)時，電路在一個開關(guān)周期相繼經(jīng)歷2個開關(guān)狀態(tài)，見圖3.3。 圖3.3 CCM工作狀態(tài)Buck變換器電路的情況3.2 功率與驅(qū)動電路設(shè)計3.2.1 IR2110簡介在功率變

30、換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。采用隔離驅(qū)動方式時需要將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災(zāi)難性的后果。隔離驅(qū)動可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點。快速光耦的速度也僅幾十kHz。電磁隔離用脈沖變壓器作為隔離元件，有響應(yīng)速度快 （脈沖的前沿和后沿），原副邊的絕緣強(qiáng)度高，dv/dt共模干擾抑制能力強(qiáng)。但信號的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，因而信號的頂部不易傳輸。而且最大占空比被限制在50。而且信號的最小寬度又受磁化電流所限。脈沖變壓器體積大，笨重，加工復(fù)雜。凡是隔

31、離驅(qū)動方式，每路驅(qū)動都要一組輔助電源，若是三相橋式變換器，則需要六組，而且還要互相懸浮，增加了電路的復(fù)雜性。隨著驅(qū)動技術(shù)的不斷成熟，已有多種集成厚膜驅(qū)動器推出。如EXB840/841、EXB850/851、M57959L/AL、M57962L/AL、HR065等等，它們均采用的是光耦隔離，仍受上述缺點的限制。 美國IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動器。它兼有光耦隔離（體積小）和電磁隔離（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品種。3.2.2 IR2110部結(jié)構(gòu)和特點IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，DIP14腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路

32、，其高端工作電壓可達(dá)500V，dv/dt=±50V/ns，15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓圍1020V；邏輯電源電壓圍（腳9）515V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5V的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。 IR2110的部功能框圖如圖3.1所示。由三個部分組成：邏輯輸入，電平平移與輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點，可以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計，可以大大減少驅(qū)圖3.4 IR

33、2110的部功能框圖動電源的數(shù)目，三相橋式變換器，僅用一組電源即可。圖3.5 驅(qū)動電路原理圖3.3電源電路與保護(hù)電路設(shè)計3.3.1電源電路設(shè)計 電源是為各個控制芯片提供能量的，是硬件控制系統(tǒng)正常工作的前提，電源性能的優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)的精度與可靠性，所以電源的設(shè)計對整個硬件系統(tǒng)至關(guān)重要。由于線性電源具有輸出精度高、輸出紋波小和可靠性高等優(yōu)點，所以在數(shù)字電源設(shè)計中采用了線性穩(wěn)壓模塊L7805，它輸出的+5V電壓是作為數(shù)字電源用的。A1215D是金升陽科技生產(chǎn)的隔離DC/DC電源模塊，輸入12V，輸出士15V，最大輸出電流士33mA，因為一個全橋逆變電路需要3路獨立電源，所以需要3片A1215D。

34、在每個芯片的電源輸入與輸出端都并上一個10-100電解或擔(dān)電容和一個0.10瓷片電容，起著去禍的作用，一方面為芯片存儲電量，另一方面消除線路上分布電阻與電感引起的高頻噪聲。在蓄電池的正極串聯(lián)一個低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管，即使蓄電池輸入反接也不會對電源造成危害，二極管起到極性保護(hù)的作用，增強(qiáng)電源的可靠性。圖3.6 電源設(shè)計圖3.3.2保護(hù)電路設(shè)計1、74LS32介紹四2輸入或門 簡要說明 32 為四組 2 輸入端或門（正邏輯） ，共有 54/7432、54/74S32、54/74LS32 三種線路。結(jié)構(gòu)型式，其主要電特性的典型值如下：簡要說明 32 為四組 2 輸入端或門（正邏輯） ，共有 54

35、/7432、54/74S32、54/74LS32 三種線路。結(jié)構(gòu)型式，其主要電特性的典型值如下： 型號 tPLH tphl PD；54/7432 10ns 14ns 96mW；54/74S32 4ns 4ns 140mW；54/74LS32 14ns 14ns 20mW；引出端符號 1A4A 輸入端；1B4B 輸入端；1Y4Y 輸出端；極限值 電源電壓 .7V；輸入電壓 54/7432、54/74S32.5.5V；54/74LS32 . .7V；工作環(huán)境溫度 54XXX . -55125；74XXX . 070；存儲溫度 . -65150。功能表：2、74LS74介紹簡要說明 74 為帶預(yù)置和

36、清除端的兩組 D 型觸發(fā)器，共有 54/7474、54/74H74、54/74S74、54/74LS74 四種線路結(jié)構(gòu)形式，其主要電特性的典型值如下： 型 號 fmax PD；5474/7474 25MHz 85mW；54H74/74H74 43 MHz 150mW；54S74/74S74 110 MHz 150mW；54LS74/74LS74 33 MHz 20mW；引出端符號；1CP、2CP 時鐘輸入端；1D、2D 數(shù)據(jù)輸入端；1Q、2Q、1Q、2Q；輸出端 CLR1、CLR2 直接復(fù)位端（低電平有效）；PR1、PR2 直接置位端（低電平有效）。極限值 電源電壓.7V；輸入電壓 54/74

37、74、54/74H74、54/74S74.5.5V；54/74LS747V 。極限值 電源電壓.7V 。輸入電壓 54/7474、54/74H74、54/74S74.5.5V；54/74LS747V；工作環(huán)境溫度 54XXX .-55125；74XXX .070；存儲溫度 .-65150。3、工作原理隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電子設(shè)備的功能日趨全面完善,對電源提出的要求也越來越高。由于具有高集成度、高性價比、外圍電路簡單、高效率等優(yōu)點,單片開關(guān)電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多便攜式電子產(chǎn)品中。本文分析了一款可廣泛應(yīng)用于分布式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、綠色電氣設(shè)備和筆記本電腦的降壓型(BUCK)直流(DC-DC)

38、開關(guān)變換器,并著重分析和設(shè)計了其中的保護(hù)電路部分。保護(hù)電路主要由兩個電路模塊構(gòu)成:欠壓保護(hù)電路和過壓保護(hù)電路。對芯片的保護(hù)功能主要體現(xiàn)在以下兩方面:一、欠壓保護(hù)電路在輸入電壓過低時,給出控制信號,關(guān)斷芯片,防止芯片工作異常,在輸入電壓有一定波動的情況下,具有一定的遲滯效應(yīng),防止誤關(guān)斷的發(fā)生,當(dāng)芯片的輸入電壓過高時,部穩(wěn)壓接口電路能提供穩(wěn)壓功能,保護(hù)部控制電路正常工作;二、過壓保護(hù)電路對輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)輸出電壓過高時,給出控制信號,與時拉低輸出電壓,保護(hù)負(fù)載,在輸出信號傳輸通路中,引入了適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)延時,能有效的抑制電壓毛刺所引起的誤觸發(fā)。芯片采用了0.6umHV-BCD工藝制成,適用于4.7

39、5V-23V的寬圍輸入,采用電流控制模式,工作頻率為340kHz。本文首先對BUCK型DC-DC變換器的相關(guān)原理和應(yīng)用于單片開關(guān)電源的常用保護(hù)電路進(jìn)行了介紹。基于0.6umHV-BCD工藝,設(shè)計了一種應(yīng)用于降壓型直流開關(guān)電源的保護(hù)電路,保護(hù)電路包括以下兩個電路子模塊:欠壓保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路。由于開關(guān)電源的應(yīng)用輸入圍較寬,所以在電路中采用了新型的部穩(wěn)壓接口電路,對電平進(jìn)行了適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換,從而使其既能夠滿足部控制模塊的低壓應(yīng)用需要,同時兼顧保護(hù)電路的設(shè)計需求。在過壓保護(hù)電路中,通過設(shè)置延時電路,解決了輸出電壓所引入得電壓毛刺所造成的芯片誤關(guān)斷問題。本文是電路理論與仿真實踐相結(jié)合的結(jié)果。在分析電路

40、原理的基礎(chǔ)上,運用HSPICE仿真軟件對保護(hù)電路的各個子電路模塊和整體性能進(jìn)行了功能和性能參數(shù)的仿真驗證,仿真結(jié)果良好。圖3.7 保護(hù)電路原理圖3.4軟開關(guān)電路與控制電路設(shè)計采用Buck控制方式能夠有效降低高速永磁無刷直流電機(jī)功耗，但也仍然存在一些問題：Buck變換器的功率MOSFET開關(guān)應(yīng)力較大，因此元器件穩(wěn)定性較差；由于開關(guān)頻率過高，又給系統(tǒng)帶來很大的開關(guān)損耗，需要設(shè)計風(fēng)冷散熱裝置。因此，為提高整個系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低功耗，目前正在做軟開關(guān)技術(shù)的實驗工作。對比幾種軟開關(guān)特性和實現(xiàn)難易程度后，本節(jié)介紹的系統(tǒng)選擇了ZCSPWM軟開關(guān)變換器進(jìn)行實驗。假設(shè)輸出濾波電感足夠大，輸出電流幾為定值，電路工作

41、原理如圖1所示。圖3.8 軟開關(guān)電路原理圖t0t1，諧振電感電流上升階段，如圖3.6所示。（3.1）t0時刻開通VT，由于Lr中電流不能突變，而且開通瞬間主二極管VD續(xù)流，且輸出電流不變，所以可以認(rèn)為VT零電流開通。iL=UitLr線性上升，到t1時刻達(dá)到幾，VD零電壓關(guān)斷。（3.2）t1t2，Lr，Cr諧振階段。諧振方程如下：圖3.9iL在t1時刻為Io，其為負(fù)載輸出電流，因此認(rèn)為在t1時刻諧振初始電流為零，1LrCr。到T2時刻iL=Io,VD2、Cr支路電流下降為零，Uc正好諧振到2Ui.解（圖3.10）得：（3.3）圖3.101t2t3恒流階段進(jìn)人PWM工作方式，iL=Io。2t3t4

42、，Lr、Cr再次諧振階段。諧振方程如下：（3.4）在t3t4階段有3點可以實現(xiàn)VT1軟管斷。VT1可以在t31零電流關(guān)斷，t32零電壓關(guān)斷，t4零電流關(guān)斷。但考慮電路特性，選在t4時刻零電流關(guān)斷VT1。t3時刻導(dǎo)通VT2。VT2零電流開通，解式（431）得：（3.5）3. t4t5，Cr放電階段。t4時刻后Uc電壓以IoCr下降。到t5時刻下降到零，續(xù)流二極管VD零電壓開通。4. t5t6，二極管續(xù)流階段此階段任意時刻關(guān)斷VT2，VT2零電壓關(guān)斷。為確保任何時候VT，都可以零電流關(guān)斷，諧振電感電流必須能夠回零，得：（3.6）為減小諧振電容、電感工作時對PWM控制的影響，需要將諧振頻率盡量縮短，

43、即提高諧振頻率。設(shè)諧振頻率fr與開關(guān)頻率fs關(guān)系為fsrNfs，N取值為410。（3.7）3.5電流傳感器的電路設(shè)計3.5.1電流傳感器的介紹伴隨著城市人口和建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，各種用電設(shè)備的增多，用電量越來越大，城市的供電設(shè)備經(jīng)常超負(fù)荷運轉(zhuǎn)，用電環(huán)境變得越來越惡劣，對電源的“考驗”越來越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，每天，用電設(shè)備都要遭受120次左右各種的電源問題的侵?jǐn)_，電子設(shè)備故障的60%來自電源。因此，電源問題的重要性日益凸顯出來。原先作為配角，資金投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視，電源技術(shù)遂發(fā)展成為一門嶄新的技術(shù)。小小的電源設(shè)備已經(jīng)融合了越來越多的新技術(shù)。例如開關(guān)電源、硬開關(guān)、軟開關(guān)、參數(shù)穩(wěn)壓

44、、線性反饋穩(wěn)壓、磁放大器技術(shù)、數(shù)控調(diào)壓、PWM、SPWM、電磁兼容等等。實際需求直接推動電源技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，為了自動檢測和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時具有自動保護(hù)功能和更高級的智能控制，具有傳感檢測、傳感采樣、傳感保護(hù)的電源技術(shù)漸成趨勢，檢測電流或電壓的傳感器便應(yīng)運而生并在中國開始受到廣大電源設(shè)計者的青睞。3.5.2 工作原理從直流電到幾十千赫茲的交流電，其所依據(jù)的工作原理主要是霍爾效應(yīng)，當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過電流傳感器時，原邊電流IP會產(chǎn)生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯周圍，置在磁芯氣隙中的霍爾電極可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的大小僅幾毫伏的電壓，電子電路可把這個微小的信號轉(zhuǎn)變成副邊電流I

45、S，并存在以下關(guān)系式： 其中，IS副邊電流；IP原邊電流；NP原邊線圈匝數(shù)；NS副邊線圈匝數(shù)；NP/NS匝數(shù)比，一般取NP=1。電流傳感器的輸出信號是副邊電流IS，它與輸入信號（原邊電流IP）成正比，IS一般很小，只有100400mA。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻RM，則可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的輸出電壓信號。 圖3.11 電流傳感器原理圖3.5.3模擬霍爾傳感器SS495介紹1、特點：體積小巧（0.16x0.118）低功耗典型7mA在5VDC，電源沉或源線性輸出，含激光修正的薄膜電阻提供精確的靈敏度和溫暖度補(bǔ)償，工作溫度圍-40+150可反應(yīng)于正的或負(fù)的磁場，方塊霍爾傳感元件提供

46、穩(wěn)定的輸出，Rail-to-Rail性能可提供更有效的信號以達(dá)到更高精度。SS495 系列傳感器的輸出與電源電壓成比率變化關(guān)系，并與磁場強(qiáng)度成正比。新的霍爾電路提供增強(qiáng)的溫度穩(wěn)定性和靈敏度。激光修正的薄膜電阻提供高精度（零點±3%，靈敏度±3%）以下和溫度補(bǔ)償減小零點和增益溫飄，方塊霍爾芯片把影響輸出的機(jī)械和熱應(yīng)力效應(yīng)減少到最小程度，正的靈敏度溫度系數(shù)（0.02%/C 典型值）有助于補(bǔ)償?shù)统杀敬配撠?fù)的溫度系數(shù)。Rail-to-Rail（全電壓圍）性能可提供更有用的信號以達(dá)到高的精度。3.12 SS495外部結(jié)構(gòu)圖3.13 SS495部結(jié)構(gòu)圖2、指標(biāo)供電電壓（VDC）4.5-10.5供電電流25（mA）典型值7.0輸出類型（電流沉源）最大值8.7比率變化輸出電流（mA）典型電流源最小電流源最小電流沉最小電流沉磁特性 25，5VDC1.5 Vs>4.5V 1.5Vs> 4.5V 1.0Vs >4.5V 0.6 Vs >5.0V 1.01.51.00.61.0磁場圍典型值高斯：-670 +670(-67 +67mT)最小值高斯：-600 +600(-60 +67mT)輸出電壓圍典型值0.2 (Vs-0