2 電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

　　2. 1 主電路器件的選擇和參數(shù)計(jì)算

　　2. 1. 1 電感量計(jì)算

　　主電路的主要參數(shù)為： 整流濾波后的直流輸入電壓18 ～ 26 V，輸出電壓在30 ～ 36 V 范圍內(nèi)可調(diào)，最大輸出電流2 A，開關(guān)頻率取10 kHz，Boost 電路工作在電流連續(xù)工作模式（ CCM） 。

　　忽略電路的損耗，根據(jù)Boost 電路輸出電壓表達(dá)式，可得PWM 占空比：

　　最大占空比Dmax發(fā)生在輸入直流電壓最低（ 18V） 而輸出直流電壓最高（ 36 V） 的時(shí)候，最小占空比Dmin發(fā)生在輸入直流電壓最高（ 26 V） 而輸出直流電壓最低（ 30 V） 的時(shí)候，根據(jù)式（ 1） 計(jì)算Dmax為0. 5、Dmin為0. 13。

　　取電感器電流的變化量為半載時(shí)輸入電流的30 %，即：

　　最壞的情況為占空比最小的時(shí)候，根據(jù)電流臨界連續(xù)條件求得電感值為：

　　實(shí)際取值500 μH。

　　2. 1. 2 主開關(guān)管選取

　　主開關(guān)管承受的最大漏源電壓為最大輸出電壓36 V，考慮到過載條件，開關(guān)管最大實(shí)際漏源電流為：

　　考慮到實(shí)際電壓電流尖峰和沖擊，電壓電流耐量分別取2. 5 和2 倍裕量，即應(yīng)選取耐壓高于90 V，最大電流12 A。實(shí)際選用IRF3710 型MOS 管，最大漏源電壓100 V，最大漏極電流57 A，通態(tài)電阻25 mΩ，最高開關(guān)頻率超過1 MHz。

　　2. 1. 3 快恢復(fù)二極管選取

　　二極管選取依據(jù)是通態(tài)平均電流：

　　式中，η 為波形系數(shù)； IF（ AV） 是實(shí)際通態(tài)平均電流?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)控制時(shí)占空比的變動(dòng)性，依據(jù)最大峰值電流（ 5. 75 A） 選取FR607。

　　2. 1. 4 輸出濾波電容選取

　　設(shè)計(jì)輸出電壓的紋波小于200 mV，考慮到負(fù)載電流可能達(dá)到3 A，濾波電容Cf計(jì)算如下：

　　實(shí)際選用1 000 μF /50 V 的電解電容。

　　2. 2 控制電路設(shè)計(jì)與分析

　　Boost 變換器控制電路如圖（ 2） 所示，輸出電壓經(jīng)取樣電阻R1、R2反饋到UC3842 的電壓誤差放大器的反相輸入端，與其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓Uref比較之后得到誤差電壓Ue，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器，送入U(xiǎn)C3842 的電流比較器，與主開關(guān)源極上的取樣電阻Rs上取得的電流信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM 輸出。電壓調(diào)節(jié)器為PI 調(diào)節(jié)器（ 在該芯片1 腳和2 腳之間并積分電容和比例電阻） 。

　　2. 2. 1 開關(guān)頻率的設(shè)計(jì)

　　開關(guān)頻率由UC3842 第4 腳鋸齒波發(fā)生器的定時(shí)電容、電阻確定其計(jì)算公式為：

　　根據(jù)UNITROD 公司關(guān)于UC3842 的特性圖表，考慮到實(shí)際運(yùn)行時(shí)脈寬占空比可能大于0. 5，選取Rt =16 kΩ，Ct = 9. 4 nF，對(duì)應(yīng)的開關(guān)頻率為11 kHz。

　　2. 2. 2 電壓反饋取樣電阻

　　最高輸出電壓為36 V，電壓調(diào)節(jié)器的參考電壓為2. 5 V，反饋網(wǎng)絡(luò)按無穩(wěn)態(tài)誤差原則設(shè)計(jì)，即：

　　取R1 = 35 kΩ，計(jì)算得R2 = 8. 5 kΩ。

　　2. 2. 3 電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

　　電壓誤差放大器為比例積分放大器，Kp = 10，Ki =1 /3000。

　　2. 2. 4 電流取樣電阻Rs

　　系統(tǒng)能正常工作的必要條件是送入U(xiǎn)C3842 的電流取樣端（ 3 腳） 的信號(hào)小于1 V，且能達(dá)到電壓調(diào)節(jié)器送到電流比較器輸入端信號(hào)的大小。設(shè)開關(guān)管的電流峰值時(shí)的信號(hào)大小為500 mV，則：

　　實(shí)際系統(tǒng)用3 個(gè)0. 33 Ω 電阻并聯(lián)。

　　2. 3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)與計(jì)算

　　由于主電路采用Boost 電路，單純的封鎖開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并不能滿足在線過流保護(hù)的要求。

　　為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自恢復(fù)，在Boost 輸出和負(fù)載之間增加Buck 電路。Buck 電路的開關(guān)管由單片機(jī)直接控制，采用電流霍爾作為電流傳感器，單片機(jī)通過AD（ MAX197） 實(shí)時(shí)取樣輸出電流信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，Buck 開關(guān)管直通； 一旦出現(xiàn)過流故障，單片機(jī)檢測(cè)到故障信號(hào)后，可以兩種方式實(shí)行保護(hù)，一種是限流輸出保護(hù)方式，另一種是封鎖輸出保護(hù)方式。在限流輸出保護(hù)方式下，單片機(jī)發(fā)出PWM信號(hào)，控制Buck 開關(guān)管，降低輸出電壓，從而達(dá)到限制輸出電流的目的，同時(shí)在液晶上顯示故障。過流故障解除后，在輸出封鎖保護(hù)方式下，單片機(jī)發(fā)出Buck 開關(guān)管的封鎖信號(hào)，切斷輸出電流。之后單片機(jī)每隔0. 5 s 發(fā)出封鎖解除信號(hào)，若過流故障排除，單片機(jī)停止發(fā)出封鎖信號(hào)，系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

　　加入Buck 電路后系統(tǒng)成本有所增加，但Buck 電感和電容正好構(gòu)成了二級(jí)輸出濾波器，以進(jìn)一步降低紋波。由于正常運(yùn)行時(shí)，Buck 開關(guān)管處于直通狀態(tài)，對(duì)效率影響甚微。

　　2. 4 人機(jī)接口設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中的人機(jī)接口包括鍵盤和液晶顯示器?？紤]到要求輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，需要大量按鍵（ 如0 ～ 9 數(shù)字鍵，+、－ 鍵，取消、確認(rèn)鍵等） ，PS2 鍵盤的小鍵盤區(qū)剛好滿足此要求，又PS2 鍵盤通過PS2 協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行串行通信，接口簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，因此采用PS2 鍵盤作為系統(tǒng)輸入設(shè)備。設(shè)計(jì)指標(biāo)又要求能顯示輸出電壓、電流的測(cè)量值等系統(tǒng)信息，為了更好地美化顯示界面，采用控制器為RA8803 的240× 128 帶國(guó)標(biāo)字庫(kù)液晶顯示器。液晶顯示器通過并行數(shù)據(jù)總線與單片機(jī)進(jìn)行通信。

　　2. 5 輔助電源設(shè)計(jì)

　　另外制作了小型的開關(guān)電源電路，用作系統(tǒng)控制部分的工作電源。此小型開關(guān)電源的直流輸入連接到主電路整流濾波輸出之后，主電路接上交流輸入電以后，開關(guān)電源開始工作，向控制電路提供工作電源。輔助電源設(shè)計(jì)為+ 5 V/100 mA、± 12 V/100 mA。