張懿楠

（中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局 上海市 200335）

1 數(shù)字化多路升壓電源方案設(shè)計

完成設(shè)計目標(biāo)需要具備對單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計的相關(guān)知識，對硬件方面的各類電路設(shè)計，以及軟件方面的各類程序編譯，本章主要對設(shè)計的方案和需要了解的專業(yè)知識進(jìn)行一個概述，總起全篇并會在接下來的章節(jié)中對本章內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 電路芯片模塊設(shè)計

本次設(shè)計采用的是ATmega16 單片機(jī)，其內(nèi)含有多頻段RC 振蕩器，擁有通電自動復(fù)位，延時啟動等功能，其數(shù)據(jù)及程序總線互不關(guān)聯(lián)，以流水線法增加運(yùn)行效率，可在單位運(yùn)行周期內(nèi)運(yùn)行完畢大部分指令。

1.1.1 主電路設(shè)計

小節(jié)介紹主電路，對于升壓式電源的設(shè)計，在各類升壓電路中，Boost 電路是不可或缺的，它在電路中起到使輸出電壓比輸入電壓高的作用，可以說是各類升壓電路的核心所在，此次設(shè)計有三路輸出，即完整電路中含有三個結(jié)構(gòu)相同，參數(shù)不同的Boost 電路，關(guān)于主電路的原理會在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹。

1.1.2 驅(qū)動電路設(shè)計

通常電路直接輸出的PWM 脈沖較小，難以驅(qū)動功率晶體管。此時可引入驅(qū)動電路，它可以將脈沖放大，并且通過控制功率管的狀態(tài)，使Boost 電路能更好運(yùn)行。在工作時，驅(qū)動電路的最前端電阻會有PWM 波輸入，當(dāng)次PWM 波輸入至一級三極管時會根據(jù)PWM 波的高低電平相應(yīng)的分為兩種情況。

（1）當(dāng)輸入電平為高電平時，一級三極管Q1 導(dǎo)通；后續(xù)二級三極管與末端功率管均斷開。

（2）當(dāng)輸入電平為低電平時，一級三極管Q1 與末端功率管斷開；二級三極管導(dǎo)通。

通過電路的放大作用，得以驅(qū)動末端功率管。并根據(jù)功率管的不同狀態(tài)對Boost 電路進(jìn)行相應(yīng)控制，驅(qū)動電路可以說是完成本次設(shè)計的前期準(zhǔn)備工作。

1.1.3 緩沖電路設(shè)計

當(dāng)功率管進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換時，電路會對元件進(jìn)行充放作用，這會產(chǎn)生一定的熱量，可能會使器件損壞。因此需要設(shè)置緩沖電路減緩充放能量時的產(chǎn)生的熱量，對Boost 電路進(jìn)行輸入/輸出都需要設(shè)計緩沖電路。

單片機(jī)在進(jìn)行電壓輸出時，由于系統(tǒng)與外部的影響，其電壓會有一些不可避免的波動，不能將平穩(wěn)的電壓輸入電路，此時需要將電壓輸入到電路前先經(jīng)過穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓動作，從而達(dá)到一個穩(wěn)壓緩沖的工作，使電路能夠較好的運(yùn)行。

而設(shè)計后緩沖電路的目的是緩沖由于電路中的內(nèi)因?qū)﹄娐樊a(chǎn)生的影響。將一部分殘留能量以電阻做功的形式消除，減輕對Boost 電路的影響。

1.1.4 采樣電路設(shè)計

此次設(shè)計利用PID 對電路進(jìn)行控制。需要實時對電路的輸出電流/電壓進(jìn)行反饋，進(jìn)而調(diào)整占空比，使電路得以按照設(shè)計運(yùn)行。

而單片機(jī)多能承受的電壓/電流值有限，本次設(shè)計電壓值為16V，24V，36V，相對于單片機(jī)的可承受電壓過大，所以需要對電路的輸出反饋電流/電壓進(jìn)行縮小之后再進(jìn)行輸入。

在對電壓進(jìn)行采樣時，通過設(shè)計電阻串聯(lián)，對反饋電壓進(jìn)行分壓，從而達(dá)到縮小電壓的目的，在此之后將電壓輸入到單片機(jī)中PID 進(jìn)行反饋調(diào)整。

在對電流進(jìn)行采樣時，通過添加運(yùn)算放大器，對電流進(jìn)行縮小處理，通過改變后端與單片機(jī)接口串聯(lián)電阻的值對反饋電流進(jìn)行一定比例的縮小，本次設(shè)計中將實際電流與采樣電流按十比一的比例縮小，在此之后將電流輸入到單片機(jī)中PID 進(jìn)行反饋調(diào)整。

1.1.5 輔助電路設(shè)計

本次設(shè)計的輸入電壓為12V，大于單片機(jī)的工作電壓，故在連接單片機(jī)與電路之前，需要對電路中的電壓進(jìn)行降壓處理以達(dá)到令單片機(jī)正常工作的目的，這里采用7805 作為連接電路與單片機(jī)的電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓端，將12V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為5V 電壓輸出。

1.1.6 時鐘電路設(shè)計

時鐘電路是單片機(jī)的最小系統(tǒng)的一部分，時鐘電路一般通過晶振電路來實現(xiàn)。本次時鐘電路設(shè)計通過晶體振蕩器與兩個電容并聯(lián)實現(xiàn)，以晶體振蕩器為時鐘源，與單片機(jī)外接晶振引腳XTAL1,2 相連接，并最后接地完成電路。

1.2 元器件參數(shù)計算及選取

1.2.1 功率管選取

當(dāng)功率管導(dǎo)通時，電感電流的最小/大值分別為

而功率管的開關(guān)電流為電路峰值電流的2 倍，即大于等于2.6A。

這里選取擊穿電流6A，擊穿電壓110V 的IRF540N 場效應(yīng)管作為功率管。

1.2.2 電感設(shè)計

通過電路電感的電流應(yīng)該是電路電流的0.2 倍，以此通過公式換算電感應(yīng)大于：

電路電感的最小電流取電路電流的0.1 倍將I=0.1I代入電感換算公式得：

根據(jù)上式可得電感與占空比的平方值呈比例關(guān)系，且占空比與電壓值呈反比。

PWM 頻率為f=16M/256,周期與頻率呈反比即T=1/f=16us。綜上所述可得L ≥120uH。本次設(shè)計采用電感值為122uH 的繞制電感。

1.2.3 電容設(shè)計

要求經(jīng)過電容的電壓需滿足電路最小電壓值，故選取的電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)該盡可能小。根據(jù)輸出電容公式C ≥65×10I/U其中I為輸出/輸入電流的最大值；U為輸出電壓最大值。本次設(shè)計的Boost 電路輸出電壓分別為16V，24V，36V，則電容電壓分別為160mV，240mV，36mV，則輸出電容分別474F，316F，211F。

1.2.4 其他元器件設(shè)計

已知本次設(shè)計為升壓電路，為防止輸出電壓過大對電路內(nèi)部的影響，在電路輸出電壓旁增加了一個并聯(lián)電阻。當(dāng)輸出電壓增加時，電壓加在該并聯(lián)電阻上，起到消耗多余功率，保護(hù)電路的作用。電路中其他元器件的值根據(jù)基本Boost 電路元器件值換算得。

2 Boost電路原理設(shè)計

對于升壓式電源的設(shè)計，在各類升壓電路中，Boost 電路是不可或缺的，它在電路中起到使輸出電壓比輸入電壓高的作用，可以說是各類升壓電路的核心所在，其高效，結(jié)構(gòu)簡單等特點被廣泛應(yīng)用于升壓電路、功率因數(shù)校正等，本章節(jié)主要對Boost 電路進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 Boost電路簡介

2.1.1 電路圖

對Boost 電路工作原理進(jìn)行分析。其電路中為電感與電容均為大電感與大電容，且當(dāng)電路穩(wěn)定時，一個周期內(nèi)電感的充放電相等。

Boost 電路的輸入/輸出共地，在有負(fù)載時，中路開關(guān)管開路的情況，也只是令輸出電壓等于輸入電壓。若無負(fù)載且Boost 電路從閉環(huán)系統(tǒng)失控轉(zhuǎn)化成為開環(huán)，使電容只充電不放電，致使輸出電壓增高，則電路將燒毀。由于電感串聯(lián)在電路中輸入波紋小于輸出波紋大，所以對電容也是大電容輸出。連續(xù)模式下，要求電感大，防止電感電流下降太快，來不及補(bǔ)充能量，而且波紋電流隨電感的增大而減小。所有連續(xù)模式中波紋電流較小，開關(guān)管和二極管的最大瞬時電流也較小。在低輸入電壓時，升壓倍數(shù)受到升壓電感內(nèi)阻和功率器件內(nèi)阻的限制，通常閉環(huán)帶寬很窄，動態(tài)響應(yīng)差。

2.1.1.1 充電

充電部分：當(dāng)開關(guān)管閉合時。充電過程等效電路中用導(dǎo)線來替代。此刻，輸入電壓流過電感，對電感進(jìn)行充電（為下一部分放電部分做準(zhǔn)備）。下半部分連接二極管以反向不導(dǎo)通用來防止電容對地放電。電流變化量為：△I=UT/L

在電感線圈中，先前增加的能量以磁能的形式進(jìn)行儲存，且電容處于放電狀態(tài)。

2.1.1.2 放電

放電部分：電感電流具有保持性，即當(dāng)開關(guān)斷開時，電感電流會阻礙電流的減小，從而電流呈緩慢下降的狀態(tài)。由于原開關(guān)電路斷開（原二極管位置），則電感的磁能轉(zhuǎn)化為電能使電容兩端電壓升高。電感電流為：I=(U-U)T/L

2.1.1.3 升壓過程

此過程即通入電感的電能轉(zhuǎn)化為磁能再轉(zhuǎn)化為電能的過程。充電過程時電能轉(zhuǎn)化為電感磁能進(jìn)行儲存，而在放電時電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電容內(nèi)的電能。若電容中儲存的能量較大，在放電過程時的電流會呈持續(xù)穩(wěn)定輸出。

2.1.1.4 電壓和電流放大倍數(shù)

充放電兩個狀態(tài)的電流變化量相同，△I=△I，D 即占空比D=T/T，理想狀態(tài)下可得：U=U/(1-D)因為占空比必定小于一，易得輸出電壓U大于輸入電壓U。在理想條件下，電感電壓U為零，則UDT=(U-U)(1-D)T。可得UT=(U-U)T路內(nèi)無損耗，即P=P, UI=UI

得I/I=1-D

2.1.2 變換器特點

Boost 變換器具有高效簡單的特點，在升壓電路中十分常見，但通常閉環(huán)帶寬很窄，動態(tài)響應(yīng)差。之前介紹的是理想狀態(tài)時的電路分析，實際情況下的元器件將會產(chǎn)生一定的誤差，且外界環(huán)境也會對設(shè)計產(chǎn)生一定影響。

下面進(jìn)行實際分析，將各元器件的寄生電阻分別簡化為串聯(lián)電阻R 與并聯(lián)電阻R。

則輸出電壓為：U=(U-IR)/(1-D)

將I=U/R，I/I=(1-D)

代入得U/U=(1-D)/((1-D)+R/R)

3 軟件模塊

本章節(jié)主要對設(shè)計的軟件編程方面進(jìn)行分析，主要分為承接上一章的基于Matlab 的PID 控制仿真，以及關(guān)于單片機(jī)系統(tǒng)的各類程序設(shè)計。

3.1 PID控制設(shè)計

上一章提到Boost 電路可以提高輸出電壓，通過放大輸入電流的電壓從而為輸出端提供高壓直流電壓。Boost 電路PID 的參數(shù)選取可以很大程度的影響輸出電壓，本文通過將程序燒入單片機(jī)，利用PID 調(diào)制系統(tǒng)脈寬。

下面對PID 控制器進(jìn)行介紹。

常見的PID 控制分為三類：比例—微分環(huán)節(jié)；比例—積分環(huán)節(jié)；比例—積分—微分環(huán)節(jié)。

PID 控制屬于線性控制，其中比例，微分，積分環(huán)節(jié)的引入可在一定程度上改善系統(tǒng)的性能。比例環(huán)節(jié)（P）可改善開環(huán)增益，但會降低系統(tǒng)的平穩(wěn)性；微分環(huán)節(jié)（I）可增加阻尼比，但會引入高頻噪聲；微分環(huán)節(jié)（D）能降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但會降低系統(tǒng)動態(tài)特性。

所以，比例，微分，積分環(huán)節(jié)的引用會在對系統(tǒng)進(jìn)行改善的同時，對系統(tǒng)某一方面帶來不好的影響，以此需要將比例—積分—微分以合適的系數(shù)進(jìn)行運(yùn)用，達(dá)到一個最優(yōu)解。

PID 控制的輸入環(huán)節(jié)與輸出環(huán)節(jié)的關(guān)系為：

其中輸出環(huán)節(jié)以u(t)表示，e(t)=e(k)-y(k)表示的是輸入環(huán)節(jié)至輸出環(huán)節(jié)的誤差。

3.1.1 增量式PID 控制原理

不同控制方式采用的PID 控制不同，本文選取的是增量式PID 控制。增量式 PID 控制較傳統(tǒng)PID 控制的誤差是一次周期一清，并不是全動作累計的，所以誤差較低。

確定的首要目標(biāo)是確定A，B，C 的值，而ABC都與比例系數(shù)k相關(guān)。所以利用軟件編程，在實際情況中進(jìn)行多次更改參數(shù)得到最佳系數(shù)。

3.1.2 選定控制參數(shù)

在控制過程中，確定參數(shù)是控制過程中的重點與難點，如何確定k和T 是一大問題。實操時，可以根據(jù)現(xiàn)有的k以及T 的值，去對D 和I 進(jìn)行調(diào)參，一步步修改，最終完成實驗調(diào)參。具體步驟為：1 計算參量ABC；2 設(shè)初值e(k)=e(k-1)=0；3 設(shè)采樣輸入c(k)；4 計算偏差e(k)=e(k)-c(k)；5 計算控制量Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)；6 輸出Δu(k)；7 準(zhǔn)備e(k)→e(k-1),e(k-1)→e(k-2)；

3.1.3 仿真參數(shù)計算

通過增量式PID 控制，根據(jù)本次設(shè)計要求12V-16V，12V-24V，12V-36V。

根據(jù)UT=(U-U)T得D 分別等于0.25,0.5,2/3，則L△I=V/（1/T+1/T）

△I=0.2I開關(guān)頻率設(shè)為50kHz，得L 分別為6×10H，1.2×10H，106×10H。

根據(jù)式C=U(1-D)T/(8L△U）得C 分別為2.5×10F，4.17×10F，1.5625×10F。

由于要求輸出的電壓分別為16V，24V，36V，要輸出的電流為0.5A。通過歐姆定律計算，三路負(fù)載電阻為32Ω，48Ω，72Ω。

所設(shè)定的驅(qū)動電路開關(guān)條件以及輸出電壓與輸入電壓以及PWM 占空比關(guān)系，由此傳遞函數(shù)G(s)為：

3.1.4 Matlab 仿真結(jié)果

利用上述傳遞函數(shù)在MATLAB 環(huán)境下進(jìn)行仿真，通過不斷改變PID 環(huán)節(jié)的數(shù)值可以得到不同的圖像，將這些圖像進(jìn)行對比，選取所有圖像中最為平穩(wěn)的圖像，次圖像所代表的PID 的數(shù)值即最佳比例積分微分參數(shù)。

綜合仿真結(jié)果，最終調(diào)參結(jié)果為 P=15；I=7.9；D=4.9。

3.2 單片機(jī)程序編譯

3.2.1 單片機(jī)初始化程序

ATmega16 單片機(jī)的編程在GCCAVR 環(huán)境下利用C 語言進(jìn)行。

將各類程序的位定義進(jìn)行模塊的初始化，在C 語言系統(tǒng)中，模塊標(biāo)頭均以void XXXXXX_Init (void)格式，其中XXXXXX 表示的是各個模塊的名稱，例如輸入/輸出模塊以I/O port 表示，看門狗模塊以WDT 表示，定時器T/C0，1 均以Timer 表示，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器也以ADC 表示。

3.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換功能

在對模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行編譯時，需將通道設(shè)置為整型通道，可用adc_value 來表示，與定義模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊初始化類似的是，在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器功能定義時也需要將多工選擇寄存器ADMUX 與控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA 進(jìn)行編譯，得以確定程序的參考電壓以及對齊方式，編譯循環(huán)語句確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，以中斷位的高低電平，判斷轉(zhuǎn)換過程，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時對控制和狀態(tài)寄存器編譯設(shè)置中斷位為高電平，并將結(jié)果返回至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的寄存器中。

3.2.3 PID 控制功能

根據(jù)公式：ADC=U×1024/U可知模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換前后的差別。

增量式PID 控制將轉(zhuǎn)換值與設(shè)定值進(jìn)行一對一比較，根據(jù)誤差一步步調(diào)整PWM 波的輸出，從而減小誤差使本次實驗更接近于目標(biāo)值。

本此設(shè)計的輸出電壓分別為16V，24V，36V。根據(jù)公式可對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的值與在GCCAVR 編譯環(huán)境下的代碼進(jìn)行相應(yīng)替換，其中 16V，24V，36V 代表的設(shè)定值分別為0X012A，0X01BF，0X029D。在第三章中通過MATLAB 得到的PID 最優(yōu)參數(shù)分別為：P=15，I=7.9，D=4.9。將此PID參數(shù)輸入程序完成對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的編譯。

3.2.4 程序主函數(shù)

基于GCCAVR 環(huán)境下的單片機(jī)C 語言編程主要完成的目的是將所需的電壓數(shù)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將此數(shù)字量同理想狀態(tài)下的設(shè)定值進(jìn)行比較，在比較之后，經(jīng)過PID 控制之后得到調(diào)整過的，誤差較小的數(shù)字量。并以此數(shù)字量為參考對象對PWM 波的占空比進(jìn)行控制，從而使輸出值與所需的電壓值漸漸接近。

程序主函數(shù)在本節(jié)編程中需要起到的作用為：

（1）對所有程序的中斷禁止指令，以代碼CLI()實現(xiàn)，以次預(yù)防在運(yùn)行程序時產(chǎn)生不需要的中斷致使程序的崩壞。

（2）將本章第一節(jié)所定義的各模塊初始化程序通過XXXXX_Init()代碼進(jìn)行調(diào)用，在開始程序前對各模塊初始化處理，消除之前運(yùn)行所產(chǎn)生的誤差影響。

（3）對控制寄存器與中斷控制寄存器進(jìn)行編譯，并打開全局中斷允許標(biāo)志，通過代碼SEI()實現(xiàn)。

（4）通過PID 對三路電壓進(jìn)行控制，通過與設(shè)定值相比較改變波形的占空比，從而得到理想的電壓輸出，通過代碼PID_XXV()實現(xiàn)，XX 代表之前設(shè)定的電壓值。

4 電路仿真過程

本章節(jié)為全篇設(shè)計的制作仿真章節(jié)，講述的是如何制作電源的過程，以及元器件的測試，利用Altium Designer 仿真軟件將電路原理圖作出。

4.1 電路仿真過程

4.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)仿真

單片機(jī)運(yùn)行的最低條件即最小系統(tǒng)，模擬在單片機(jī)三個輸出端口PB3、PD4、PD5 上連接示波器，運(yùn)行后通過輸出的波形計算占空比。以36V 的波形為例，輸出波形，其占空比約為 67%。

根據(jù)伏秒平衡公式：UD=(U-U)(1-D)可計算36V 波形的占空比理論值：輸入電壓為12V，輸出電壓為36V，即D=0.67，實驗值與理論值吻合。

4.1.2 升壓電路仿真

在Altium Designer 仿真軟件是將Boost 電路的前緩沖電路，驅(qū)動電路，后緩沖電路，采樣電路依次畫出。以36V的電壓輸出為例，向前緩沖電路輸入D=0.67 的PWM 波，采樣電路連接電流檢測與電壓檢測，并與單片機(jī)的PA4,PA5相連，作為電流/電壓的采樣輸入到單片機(jī)仿真電路中。

4.1.3 總電路仿真

根據(jù)Boost 電路的相似性，在系統(tǒng)中添加兩路分別為16V，24V 的Boost 電路，電路連接基本相同，但需要對不同輸出的Boost 電路中輸入占空比不同的PWM 波，其中16V 輸出的占空比為0.25，24V 的為0.5，在三路系統(tǒng)中都連接上模擬電壓表，測得的三路輸出分別為16.08V，23.91V，和35.89V,與理論值基本相同。

但仿真環(huán)境與現(xiàn)實情況還是有很大的不同，在現(xiàn)實中的測量存在更大誤差，例如電路串聯(lián)等效電阻的影響，實操時外界環(huán)境的影響等，需要在實際操作中進(jìn)一步研究與克服。

5 展望

隨著軟件硬件的繼續(xù)發(fā)展，電子電氣技術(shù)也將越發(fā)先進(jìn)，本文所提到的升壓電源采用的是ATmega16 單片機(jī)，實際上該單片機(jī)的初步開發(fā)距今已有很長的時間了，期間各類新型更加先進(jìn)的單片機(jī)層出不窮，例如STM32 系列，STC 系列等，現(xiàn)今先進(jìn)的32 位單片機(jī)的性能可以與上世紀(jì)九十年代的專用處理器相比。但是單片機(jī)類型中沒有最好的，只有最適合電路的，本次設(shè)計選取的是AT16 芯片，在完成電路的設(shè)計仿真等過程中也有所感悟，在這里對未來數(shù)字化升壓電源方向作出以下幾點展望。

（1）關(guān)于單片機(jī)，未來的單片機(jī)行業(yè)必然會繼續(xù)發(fā)展，而單片機(jī)的類型也會變得更加專業(yè)化，即不同系統(tǒng)要求會有不同的單片機(jī)，會產(chǎn)生在某某領(lǐng)域中最好的單片機(jī)的說法，這也可以讓使用者在選擇滿足自己電路的單片機(jī)時有一個較好的概念。

（2）關(guān)于升壓電路及硬件方面，Boost 電路在升壓電路中依舊擁有其不可替代的地位，升壓電路在許多行業(yè)中都會用到，大到電能的傳輸，小到變壓器，如何減小變壓電路元器件對電路的影響以及如何節(jié)約成本應(yīng)是一個從開發(fā)至將來都需面對的問題，將來電路中元器件的選取應(yīng)當(dāng)使電路的輸出更加穩(wěn)定，損耗也應(yīng)相應(yīng)降低,使閉環(huán)帶寬增加，提升動態(tài)響應(yīng)等。

（3）關(guān)于軟件及仿真方面，EDA 技術(shù)從上世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的CAD 至現(xiàn)階段作者所采用的Altium Designer 軟件，已經(jīng)產(chǎn)生了極大的提高，而隨著PC 技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的軟件方向也會有越來越多的功能出現(xiàn)，從最初的只能畫電路圖到現(xiàn)今的自動排線，各類器件的仿真等，將來的仿真也會更貼近實際，能減小更多誤差，且操作手段也會貼近使用者，達(dá)到便捷高效的目的。