电源电路设计方案范文

导语：如何才能写好一篇电源电路设计方案，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：公路 设计 选线 方案

引言

台山核电厂淡水水源工程的新松水库位于台山市赤溪镇的曹冲河，水库距台山市约60km，距台山核电厂约15km。坝址距新台高速浮石立交出口约28km，距西部沿海高速都斛出口约18km，现有外部交通条件较好。台山核电厂淡水水源工程通过在曹冲河建设水库，用输水管道将淡水输送至核电厂淡水厂，拟建进库道路连接水库坝址与台山核电厂的进场道路。目前，从旧赤溪镇到水库坝址，只有一条长约8km的简易泥结石道路可走。但该现有简易道路等级低，平面弯道多、转弯半径小、会车时错车困难，不能满足本工程施工期与运行管理期的交通使用要求，故须对进库道路进行配套建设。

1进库道路技术标准的确定

1.1道路等级标准的确定

进库道路是台山核电厂淡水水源工程的专用道路。经过对枢纽日常交通量的分析，对于设计水平年，预计对外交通道路的双向通行交通量小于1000辆/日。双车道四级道路可满足本工程施工高峰期的最大交通量。考虑工程的建设规模、重要性和施工期车辆交通情况，根据规范要求，结合当地实际情况，经综合分析，进库道路按四级公路标准设计。

1.2路线主要设计指标确定

进库道路按四级公路标准设计，设计速度为20km/h，设两车道，路面宽为6.0m，每侧土路肩宽为0.5m，路基宽7.0m。根据交通量组成与项目交通量、地质条件及主体工程施工的具体特点，施工期间行驶施工运输车辆较多，故采用高级路面。汽车荷载等级按公路等级采用公路-Ⅱ级，并采用施工运输车辆的实际最大荷载（约50t）进行复核。路基设计洪水频率参照《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）的规定，路基设计洪水频率为1/25。

1.3道路横断面结构型式

进库道路路面结构：采用水泥混凝土路面。路堑挖方边坡根据地质报告资料，按岩体风化程度不同来选取相应的开挖坡比值。挖方边坡高度大于10m时，采用分级边坡，第一级边坡高度为8m，其余每级均为10m。路堤填方边坡填筑坡比值根据路基填料种类、地形等条件而定。第一级边坡坡比采用1:1.5，第二级至起其坡比采用1:1.75。地面横向坡度较陡路段在路堤下方设置挡墙，其中涵洞则与挡墙结合。

2进库道路路线方案设计比选

2.1选线原则

选择路线方案进行初步设计时需要充分利用地形、地势，尽量少出现回头弯；

选择地质稳定、水文地质条件好的地带通过，避开软基、泥沼、排水不良的低洼地等不良地段，避免穿过密集居民区、村庄；少占耕地、少拆迁，多利用山地，有条件的地方结合现有道路，使路线总里程较短、地形坡度较平缓、转弯舒顺；减少开挖量，避开高边坡等地段，减少水土流失；结合主体工程建筑物布置。

2.2路线方案布置

根据以上选线原则，及道路技术标准的约束，结合核电厂规划进场道路、主体工程建筑物布置及现场地形等具体情况，本阶段初步拟定设计了2条进库道路路线方案，其示意图见图2.2-1。

图2.2-1进库道路路线方案示意图

路线1：从核电厂规划进场道路东阳村南曹冲小学附近接入，经约0.2km海边虾蟹塘边后，沿曹冲河约2.2km，绕过新松村沿曹冲河约1.5km，经西坑，沿山边爬坡约0.8km至水库坝址左坝头，经大坝沿库边0.9km至输水隧洞进口。该路线全长约5.6km，其中0.2km为海边路，3.7km为原河边村路改造，1.7km为新建山边公路。

路线2：从核电厂规划进场道路南阳村南附近接入，经约0.2km海边虾蟹塘边后，沿原村路约1.4km至山边村，过村后沿山边小路0.8km，沿山边爬坡约0.7km至水库右岸垭口，沿库边经0.65km至坝址右坝头；另从垭口修支路0.25km至输水隧洞进口。该路线全长约4.0km，其中0.2km 为海边路，2.2km为原村路改造，1.6km为新建山边公路。

依据确定的道路技术标准根据选线原则对两个路线布置方案在已有1：2000地形图上进行设计并计算路面工程、路基土石方工程、路基防护工程等主要工程的工程量并形成工程量清单，对各路线方案估算其投资。

各路线方案特性见表6.5-1，各路线方案估算投资比较见表6.5-2。

表2.2-1进库道路路线方案特性表

2.3路线比选

由表2.1-1及表2.2-1可知：

从布置上看，路线1和路线2均有局部海边道路连接核电厂进场道路，距核电厂均较远，并需要进行软基处理。其中路线1沿曹冲河边，目前现有道路高程在3m～4m之间，曹冲河10年一遇洪水位高程为6.8m，25年一遇洪水位高程为8.0m，路面高程需加高5m左右，且需要按堤防标准建设，涉及水利设施等其他复杂问题；路线2长度最短，并利用现有的村路，线路较顺畅；从征地移民上看，路线1需要征用路边田地，路线2需要拆除少量房屋；从施工条件上看，路线2最短，但道路施工有可能受当地村民交通影响；从投资上看，路线2投资最少，比路线1少1810万元；综上所述，路线1的其中一段经过曹冲河边，其路面需按堤防的防洪标准进行加高，征用农田较多，涉及水利设施等其他复杂问题；路线2的路线需穿过村庄，但结合主体建筑物布置最合理，长度最短，路线较顺畅，投资最少。经综合比较后，推荐路线2为进库道路的首选方案。

3 结语

台山核电厂淡水水源工程进场道路外部交通条件较好，道路功能特殊，在明确道路的功能后由确定的道路技术标准，按照基本选线原则拟定设计出2条进库道路路线方案，通过方案比较发现路线2对结合主体建筑物布置最合理，长度最短，路线较顺畅，投资最少是符合本道路工程投资和运输效率的路线设计方案。

作 者 简 介

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关键词：双极化天线；Altium Designer；信号采集；FPGA

中图分类号：TP274+.2 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

随着科学技术的飞速发展，天线的应用越来越广泛，因此在电子测量、雷达等领域对数据采集、传输速率要求的提高利于高速信号处理技术的快速发展。随着各方面要求的提高，测试系统不仅要完成对整个系统的控制，还要对各分系统进行检测、分析。

传统的信号采集板卡一般使用微控制器控制ADC，然而微控制器的时钟频率低且通过软件编程进行数据采集，难以实现高速、高性能的双通道数据采集。因此本文提出一套针对双极化天线接收双极化信号的硬件电路设计方案[1]，并完成系统调试与性能测试，证实其稳定可靠，完全满足设计要求。本文主要从双极化信号采集板的硬件电路设计以及FPGA的软件设计方案方面来实现双极化信号采集板的设计与测试验证。

1 双极化信号采集板系统结构

该方案主要由双极化天线接收243 MHz和406 MHz信号，通过模拟接收机得到中频信号，AD采集板对中频信号进行采集，最后经FPGA处理。由于双极化信号有水平极化和垂直极化之分，故采用双通道采样电路。ADC的性能指标[2]必须满足设计要求，因此选用AD9226高速A/D芯片。该芯片理论上最高采样率可达65 MSPS，采用12位双通道高速采集端。双极化采样电路主要硬件设计如图1所示。

2 关键硬件模块设计

2.1 信号衰减电路

衰减电路的作用是将输入电压的范围（-5 V+5 V）变换到（1 V3 V）。电路采用145 MHz的运算放大器AD8065，其性能优越，且AD8065电源电压的范围较宽，在5 V24 V之间，它的带宽为145 MHz，可以只用一个电源供电。由于AD8065具有0.02%的差分增益和0.02度的相位误差等优势，因此AD8065是该电路的最佳选择。该电路首先通过两级TL072构成的电压跟随器和由AD8065构成的减法运算电路[3]。在电路中，D4、D5起输入电压保护作用，由AD8065构成的减法运算电路的+IN接的下拉电阻R30为2 kΩ，输入电阻R6为18 kΩ，-IN接的输入电阻R18为2 kΩ，反馈电阻R17为

2 kΩ。V6B为两级电压跟随器的最后输出，衰减电路需满足公式（2）。AD8065构成的衰减电路如图2所示。

（1）

计算可得：

（2）

2.2 采样电路方案

在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再将这些取样值转换成输出的数字量[4]。我们选择的AD芯片是AD9226，在AD9226中，VREF是基准电压输出端口，可提供1 V和 2 V两种基准电压，通过SENSE来选择，当SENSE与GND连接时，提供2 V基准电压；当SENSE与VREF连接时，提供 1 V基准电压。我们选择提供2 V基准电压的连接方式。在电路中利用该2 V基准电压来设计衰减电路，当AD9226配置为单端输入时，此时的输入电压为（+1 V～+3 V），在此模式下，VREF的基准电压为2 V。AD9226的配置电路如图3所示。

2.3 电源电路

由于该电路板需要3.3 V电源以及-5 V电源，3.3 V电源可以采用5 V电源通过AMS1117获得，由于AMS1117[5]是一个正向低压降稳压器，在1 A电流下压降为1.2 V， AMS1117内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机供电的最佳选择。-5 V通过MC34063A组成电压反向电路获得。该器件包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜，它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器、R-S触发器和大电流输出开关电路等组成。因此，该电源电路采用该芯片作为电源电路的设计方案。电源电路如图4所示。

2.4 PCB电路图布局

一块好性能的PCB[6]离不开优秀的布局，在PCB设计中，只有先做好布局工作，才能完成后面的PCB布线工作。在PCB布局时，遵守以功能电路的核心组件为中心，保证零部件离电路板边缘的距离不小于2 mm等规范。双极化信号采集板PCB图如图5所示。

3 FPGA软件设计

可编程逻辑器件FPGA为Altera公司的Cyclone iV E系列EP4CE40F23C8N型号的FPGA，其核心工作电压为1.2 V，逻辑单元39 600个，可自定义I/O端口多达329个，记忆单元1 161 216个，锁相环4个，全局时钟20个。FPGA设计的软件模块如图6所示。

USB

FPGA内部功能模块主要包括时钟模块、AD控制模块、数字滤波器模块、FIFO数据缓冲模块、数据处理模块等。时钟模块由FPGA的ip核pll模块产生时钟，AD控制模块得到时钟，将双极化天线的水平信号和垂直信号进行采样。最后通过nios配置的JTAG模块[7]下载至开发板，进行在线逻辑分析。

4 测试结果

由于测试条件有限，采用实验室的信号发生器产生正弦信号进行测试，该仪器产生两个信号，频率为456 kHz，通过AD采集板采集后送至FPGA开发板，将控制程序通过JTAG下载至开发板经在线逻辑分析仪可得结果。测试图如图7所示。

5 结 语

通过图7可以得到，双极化信号首先通过信号发生器模拟产生正弦数据，数据通过AD采集板采集后传入FPGA，经FPGA主控板控制，用在线逻辑分析仪得到的数据如信号发生器所得数据。该结果说明该双通道的采集板具有良好的采集功能。

参考文献

[1] 叶云裳.双极化天线的设计和测量考虑[J].中国空间科学技术，1985（2）：9-17.

[2]胡东方.多通道高速信号采集与传输技术的研究与应用[D].北京：北京理工大学，2015.

[3]华成英.模拟电子技术基础（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006：330-338.

[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006：524-548.

[5]王帅.基于FPGA的数据采集模块设计[D].贵州：贵州大学，2015.

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【关键词】LED恒流驱动 高压

LED光源的稳定性、低耗能、耐用性等特点比起传统电源来讲优势明显，使得高压LED恒流电路的研究更加具有非凡的价值。对驱动电路的研发过程中，驱动芯片的开发、设计显得尤为关键。驱动IC在研发设计中，必须考虑到电压的不稳定性给电路工作带来的挑战。从另一个方面来讲，驱动IC在高压LED电路施工过程中决定着是否能研发成功。在LED工作过程中，驱动电路设计的架构都会影响电路工作的过程，对其电路的研发设计都具有很广泛的市场前景。

1 高压LED恒流驱动芯片发展现状

高压LED恒流驱动IC在整个电路的施工设计过程中的关键性都使得国内厂商在此领域热情高涨。生产厂家为了自身的LED光源质量的提高，对驱动芯片的研发都投入了巨大的资金。跟国外产品比起来，从产品的特性、造型等方面依然有一定的差距。这也是受制于LED驱动芯片研发周期长的性质所决定的。随着国内厂家研发过程的持续，这些产品陆续投入到实际生产中，高质量的LED高压电路驱动芯片会不断研发出来。

高压LED电路在工作的过程中，其成本及能耗很大程度上取决于其驱动IC的质量及特性。驱动IC的研发对降低LED光源的成本有着非常现实的意义。驱动IC在工作过程中主要承受40V电压，这就必须将平常电压220V转换成驱动IC 能承受及工作的电压，这就无形中提高了驱动IC的使用成本。在这一研发过程中，驱动芯片当中的电压转换器及稳定器的研发设计都是关键中的关键。驱动芯片在工作过程中，其耐压性如何都决定了LED光源的质量，也从一定程度上决定了驱动电路的成功与否。

国外许多值得借鉴的经验教训非常值得我们学习，这对驱动芯片的研发设计是非常重要的一环。随着LED 光源应用越来越广泛，LED电路驱动IC的研发还将进一步深入，这对建设节约型能源的社会需求是一致的。

2 高压LED恒流驱动电路的设计方案

高压LED恒流电路设计的过程中，对工作电压的要求相对较高。一般来讲，需要将控制电压稳定在3.6V，这样才能稳定的控制高压LED电路的正常运转。在这一过程中，常用的电池供电都达不到持久的将电压稳定在这一范围，这就对恒压电路的研发设计提出了挑战。LED光源的稳定性取决于电路设计的质量高低，在此，稳定的控制电压决定了电路工作的稳定性。对于LED光源来讲，驱动电路设计方案必须符合LED光源的大致需求，并且要对其稳定性、耐压性进行严格的检测，经过长时间的工作数据及大量案例分析，设计出理想的工作电路。

对于LED光源的控制来讲，电路设计方案的产生都会面临极大的挑战，电路设计是采用串联还是并联都或多或少的对电路的工作的稳定性有影响。LED光源的型号、规模的多样性，使得驱动电路设计方案的不同。在实际设计过程中，还要对多种方案进行必要的工作测试，这样才能应用到实际的LED光源当中。

LED驱动电路结构通常为三类，下面对这几种结构进行简单说明。

2.1 线性结构

线性结构（LDO结构）的基本构件包括：调整管、稳压电源、比例电阻、误差测算器。这种结构往往涉及简单、易操作。并且这种结构构件成本较低，非常受市场的欢迎。但是这样的结构也有明显的缺陷。线性结构由于电路设计的特殊性只能对增压有着明显的效果，反之对降低电压明显不足。在输出电压的过程中，当电压升高时，调整管中电压电流会明显减小，从而降低电压输出，这就在一定程度上达到了稳压的目的。

2.2 电容式开关结构

电容式开关结构是以元器件电容为结构基础的一种电路结构，这也决定了该结构具有体积小、高效能的特点。在电路的实际工作过程中，该结构能适应多种LED电路的结构布置。这提高了LED光源的应用市场，使得LED光源的低耗能特性得到应用推广。输入电压往往对于电路来讲具有明显的不确定性，也就是说电压的不稳定性对于电容式开关结构来讲是种考验，如何在电路导通的时候，对电压的稳定性起到关键性的支持作用，决定了该设计结构的成功与否。

2.3 电感式开关结构

这一部分可通过3种结构来实现，分别为升压、降压和反转型的，不管是哪种类型的，均是为了保证电流的灵活控制和电路输出端的及时保护。尤其对于反转型的电感式开关结构来说，需要加入一定的反馈作用机制，促成电路反馈环形结构的实现，在电压调整过程发挥稳定作用。

3 高压LED恒流驱动电路的验证分析

通过笔者对上文中LED恒流驱动电路的设计方案进一步分析，并对电路中所用的芯片HV9911进行研究可知，整体的横流电路可以分为以下几个部分，比如线性稳压器、上电复位、DC一DC电路、过爪保护等具体作用模块。为了保证横流电路设计的科学有效，还进行了一定的验证分析。

可以说这整个电路部分的作用机理中最为重要的就是内部的线性稳压器模块，这一部分通过对系统外部的高电压进行一定的恒压处理，使之能够稳定在8.IV左右，当然这样一个数值仍然与我们所用芯片的具体性能参数存在着些许出入，不过已经可以稳定地为芯片提供电量需要，当然为了进一步实现其横流高压功能，还设计了斜坡补偿电路，这部分在进行功能验证时发挥重要作用。另外的电压是基准电压模块所产生的，能够分去1.27V的压力；而功耗最小的就是上电复位电路，在整个电路没有耗电之前，这部分电路也处于完全无压力状态，不需要开启。

进一步的仿真结果也充分说明了本电路可以实现对系统的恒流驱动以及各种调光、保护功能，当然还能显示出一定的电流控制效果。除了实现芯片对电压的需求外，电路整体性能也达到了预设方案的效果，证明本研究的可行性和科学性。

参考文献

[1]周志敏，周纪海，纪爱华等.LED驱动电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[2]朱正涌著.半导体集成电路[M].北京：清华大学出版社，2001.

[3]攀磊，戴宇杰，张子兴等一种用于斜坡补偿的振荡器设计[J].微电子器件与术.2009，46（5）.

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关键词： DC?DC； 不间断电源； LM2596； 切换电路

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）17?0107?03

0 引 言

本设计为参加学院电子制作比赛而作。指标要求：蓄电池为4.2 V，负载为5 V。为此利用开关电压调节器LM2596进行DC?DC变换，具有驱动能力强，线性较好的特点。该不间断直流电源的主要特点如下：主电源正常时，除可以给设备供电外，还可以以不同模式给蓄电池充电，当电压大于4.2 V时，切断恒流充电电路，接通恒压充电电路；当电压低于4.2 V时，保持恒流充电；恒压充电由W117和运放LM324构成，具有输出稳定，波纹小等特点。恒流充电由大功率场管IRF640和运放LM324组成，具有输出电流精度高，纹波小，输出电流受负载影响小等特点；若主电源断电，则自动将蓄电池切入，保持电源不间断。

1 系统设计方案

1.1 系统总体框图

根据系统设计要求，该不间断直流电源具有：在无交流电源时，不间断给设备供电；交流电源正常时，有恒压充电和恒流充电两种模式；综合设计要求，形成系统框图如图1所示。

1.2 DC?DC变换器方案的选择

采用开关电压调节器LM2596，能够输出3 A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，可固定输出3.3 V，5 V，12 V三种电压， 也可实现在1.2～37 V之间的可调输出。

该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150 kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更简化了LM2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内。可以用仅80 μA 的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。

DC?DC变换器电路如图2所示。

1.3 恒压充电电路设计

1.4 压控恒流充电电路设计

1.5 直流升压电路设计

设置直流升压电路的目的是将4.2 V升压为5 V。直流升压器的电路如图5所示，电路主要由新颖的DC?DC升压变换集成电路组成。

LTC1872是一种超小型DC?DC直流变换集成电路，效率高达90%，低功耗状态电流为270 μA，本电路实现输入4.2 V直流电压变换为输出5 V、最大负载电流为1 A的直流电压。该电路输出电压精度可为±4%。

1.6 电压采样电路设计

1.7 继电器切换电路

切换电路采用继电器控制，简洁易控，性价比高，电路如图7所示。电网电压正常时，继电器吸合K1接通，K2断开，由LM2596供电；当电网断电时，继电器释放K1断开，K2闭合，由蓄电池供电。选用的继电器型号为HRS2H?S?DC5V?N，线圈额定工作电压为5 V，触点最大耐压值直流电压为24 V，电流为3 A。

2 系统测试

3 结 语

本文不间断直流电源的设计利用LM2596和W117等芯片，较成功地实现了设计要求的功能，电路易于实现，测试结果表明电路性能较好，符合系统设计要求，具有较好的应用价值。

参考文献

[1] 全国大学生电子设计竞赛组委会.大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 侯崇升.采用MX107实现的循环定时开关控制电路[J].电子测量技术，2008（4）：72?74.

[3] 张晓杰，姜同敏，王栋.红外遥控节能开关插座的设计定型[J].现代电子技术，2010，33（11）：188?192.

[4] 刘青青，朱清芳.基于C8051F020单片机的数据采集电路设计[J].现代电子技术，2012，35（9）：135?136.

[5] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

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【关键词】二线制；电源；TLC5615；MAX409A；功耗

1.引言

二线制仪表，是将工业现场的检测信号，如温度、压力、速度、流量等参数，转换为4-20mA的电流信号，传送到远距离外的控制室，以便于对生产过程进行控制。由于电流信号对噪声不敏感，不易受寄生热电偶和温漂的影响，普通双绞线上可以传输几百米距离，利用250Ω取样电阻就可以将4-20mA电流信号变为1-5V的电压信号，不受传输线的电阻影响。同时，二线制仪表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的电流通断不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤矿、石油天然气等领域的应用越来越广泛。同时二线制变送器具有布线简单的特点。

由于二线制仪表，本身由电流环路供电，所以电流环仅能提供4mA以下的电流为仪表供电，所以对仪表的功耗提出苛刻要求，不能采用常规的方法进行电路设计，为设计人员带来了困难，如何能设计出高性能、高精度的二线制智能仪表，是目前国内许多厂家迫切需要解决的问题。

本文对二线制仪表通用的电源设计和电流环电路设计，进行了详尽的理论分析，结合多年的工业现场的实际应用，提供了简洁实用的应用电路，采用此电路设计生产的二线制超声波物位计，经多家工业现场实际验证，性能稳定，产品输出电流精度满足设计要求。

2.二线制变送器系统方框图

如图1所示，4-20mA电流环路输入的24V电压，经过电源单元转换为5V精密电源，为整个系统供电。主控单元控制超声波的发射和回波信号处理，然后将处理的测量数据，通过D/A和V/I转换单元，输出4-20mA电流，接收端通过负载电阻（250欧姆）取出电压信号，同时与电流环24V电源地相连构成回路。

图1 二线制超声波测量系统框图

3.二线制变送器电源设计理论分析

二线制仪表的原理是利用了4-20mA信号为自身提供电能。如果仪表自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求二线制仪表自身耗电（包括传感器在内的全部电路）小于4mA。

（1）电压条件：在仪表电流环路中，一般取样电阻R=250Ω。当电流I=4-20mA变化时，取样电压为U=1-5V之间变化。考虑到可能会串接其他仪表，以及传输电缆的阻抗，线路阻抗R的最大值可取350Ω，因此在20mA时，仪表两端电压为（24V-20mA×350Ω）=17V.4mA时，仪表两端电压为（24V-4mA×350Ω）=22.6V，所以仪表的工作电压不能大于17V。

（2）电流条件：仪表中总功耗电流要小于4mA。

（3）功率条件：

20mA时，电流环提供的功率最大：

P=20mA×17V=340mW。

4mA时，电流环提供的功率最小：

P=4mA×22.6V=90.4mW。

所以仪表消耗的功率理论上不能大于90.4mw。

4.变送器电源单元设计

电路设计的关键是降低电源电压转换的功耗，转换效率要高，静态电流要小。

将电流环仪表两端的17V-22.6V电压，降压处理，有两种方法。

第一种是直接采用线性稳压芯片，将输入电压稳压到5V，这样会造成稳压芯片本身功耗太大，无法满足其它电路的功率要求。

第二是采用开关型DC/DC芯片，又称为BUCK降压开关电源，电源效率一般高于85%以上，但开关型电源芯片是利用储能电感储能，输出的5V电压是脉动的，电压纹波噪声不能满足D/A及CPU控制芯片的要求。

综合考虑，本电路设计采用“开关型DC/DC芯片+LDO线性稳压器”方式，即利用开关型DC/DC芯片，将电流环提供的高电压降低，然后利用低压差线性稳压器来提高仪表电源的纹波抑制比。同时选择的芯片器件要少，减少能量损耗；

设计电路如图2所示：

图2 电源模块电路图

图2中，L1为储能电感33μH，D1续流二极管，FB=1.25V。开关型降压DC/DC芯片为MAX1776，是MAXIM公司的新型低功耗芯片，静态电流为15uA电压转换效率为95%以上，输入电压范围：Vin=4.5V～24V，输出电压可以通过电阻R1和R2进行调节，输出电压可在1.25V～Vin之间变化。

Vout=1.25×（1+R1/R2）

本设计中，MAX1776输出电压为7V，按电源效率95%计算，可用功率=90.4mw×95%=85.8mW。

低压差线性稳压器，选择为MAX603，是MAXIM公司的超低功耗器件，静态电流15uA。MAX603输入电压范围是2.7V-11.5V，将引脚SET接地时，典型的输出电压为5V，输出电流200mA时，典型压差0.5V，为保证稳压电路可靠工作，考虑脉动成分，所以设定MAX1776输出电压为7V。

5.4-20mA电流环电路设计

4-20mA电流环输出信号，是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度。

本部分电路由D/A和V/I变换部分组成，D/A部分选用美国德州仪器公司的具有串行接口的模数转换芯片TLC5615，它是超低功耗（1.75mW MAX）10位数据、3线串行接口，5V单电源工作，输出电压范围是基准电压的两倍，1.2MHZ更新速率的高精度D/A转换芯片；

V/I变换部分采用MAX409A芯片，是美国MAXIM公司的单电源、微功耗精密单运放，是现今唯一能以1.2μA供电电流工作的运算放大器。MAX409A主要参数：单电源供电2.5V-10V，增益带宽积150，稳定增益10，工作时静态电流1.2μA。

电流环输出模块原理图如图3所示：

图3 4-20mA电流输出电路

工作流程如下，主控CPU芯片将超声波测量单元，测得的二进制数据，通过D/A变换为0.5V～2.5V直流电压值，分别代表量程0和满量程，然后通过V/I变换电路实现4-20mA电流信号输出。

V/I变换原理：设定TLC5615输出电压为V，R3与R5的节点电压为V1，根据运放虚短原理及输入阻抗为无穷大，MAX409A的输入端电压为零电位，有，由于V1=-I×R5当R2=200KΩ，R5=50Ω，，通过调整R3阻值（80KΩ），将0.5V-2.5V输出电压转换成4-20mA电流输出；

经产品测试，采用此电路的超声波物位计的测量精度达到0.2%。

6.结论

二线制仪表的设计，是工业设计的一大难题，本文通过对二线制仪表的理论分析，提供了实用的电源设计方案，以及电流环的应用电路，通过采用超低功耗新型芯片，电路简洁，器件少，极大地降低了功耗，为整个系统的稳定工作和优化设计，提供了保证。采用此电路的二线制超声波物位计，经过工业现场实际应用，性能稳定，精度达到国际先进水平。

参考文献

[1]赵海鸣，英勇，王纪婵.一种高精度超声测距系统的研制[J].矿业研究与开发，2006（3）：62-65.

[2]王利军，田亮.二线制4-20mA仪表的电源设计[J].电力科学与工程，2010，26（5）：47-50.

[3]吴叶兰等.基于MSP430的二线制多功能表头[J].2011 （10）：59-60.

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【关键词】高中实验；电路知识；电路设计

引言

高中电学实验是同学们较难掌握的一系列知识点。很多同学反映由于知识结构不清晰，对基础知识的把握不到位，往往对于老师讲过的内容不能形成一个系统整体的认识，而对其中需要注意的细节问题又经常做不到全面考虑，导致理论知识不清晰，实验设计和操作就不容易把握。因此，学习理解电路设计实验要从练习掌握必要的知识，熟悉常见问题，关注实验设计的思路和步骤入手。在诸多电学实验中，电阻的测量是一个主要实验方面，下面就举例陈述测量电阻中的一些知识问题。

1.电路实验需要的基本知识

1.1选择合适的元件

在进行电路实验的过程中，首先要选择适合的元件，其中包括元件的量程、型号。主要是电源和电表的选择，电源和电表的量程选择首先考虑要大于电路的最大电流或电压，然后在不超过量程的前提下，尽量选择小量程以提高精确度。

1.2准确把握各个电路元件的使用方法和规则

电表的读数是一个易错点，因其表盘的特殊性，两个量程的读数在同一表盘上，在读数时容易看错量程和估读值。滑动变阻器的使用也需要注意，下面两个加上面一个接线柱是分压接，一下一上是限流接，分压时使用的是全部电阻，限流时只使用部分电阻，其余是闲置的。而由于电流表的分压作用和电压表的分流作用，电表的读数并不总是准确的，在不可避免的误差前，我们需要通过计算分析，选择误差产生较小的方案，于是电流表什么时候需要外接，什么时候需要内接，都需要具体分析。在待测电阻阻值远小于电压表的内阻阻值时，可以忽略电压表的分流作用，选择电流表外接电路，而在待测电阻阻值远大于电流表内阻时，电流表的分压作用就可以忽略，于是选择电流表内接电路。

1.3熟悉电路构成，加强对特殊电路的记忆与理解

伏安法测电阻的电路是非常重要的一个知识点，其中涉及分压电路的选择和使用。这里展开分压式的适应情况和不适情况，一般来说，限流式电路更为简单有效，而分压式电路误差更小，用途更广，在一些特定情况下必须要选择分压式电路设计。必须选择分压式电路的情况有：当要求电路中的电压或电流从0变化时；当待测电阻的估计值远大于滑动变阻器的最大量程时；当限流的最小值仍大于待测电阻的额定最大值时。在这些情况下都是必须选择分压式。而在没有这些特殊要求时，一般来说限流分压都是可以选择的。

1.4常用测量方法

测电阻的常用方法主要有：欧姆表，替代法，伏安法，比例法，半偏法等。欧姆表是最直接的方法，在多个电阻的测量中最常用。替代法也是很有效的一种方法，基本思想是等效替代，可以采用电流等效也可以采用电压等效原则，在有合适电阻箱的情况下可以很容易测量出电阻值。伏安法是最常用最重要的一种方法，原理是欧姆定律，这种方法可以有多种变式，如可以选择限流法和分压法电路，在只有一个电表时，可以用标准电阻代替，如果已知了电表内阻，还可以把电流表当做电压表使用，把电压表当做电流表使用而只需进行一些简单变式计算。比例法的思想在许多地方都有应用，如曹冲称象，原则是在已知标准量的情况下，找出待测量与标准量之间的比例关系，就可以得出待测量的具体数值。

2.电路设计的一般思路

2.1确定实验目的

在实验设计前，前提是首先确定实验目的。实验目的给了设计者一个目标和方向，更是检验实验是否成功的对照标准，没有目的的实验是没有意义的。

2.2选择设计方案

根据实验目的，依据相关的物理知识选择实验方案并作出原理结构图。在设计实验方案的过程中要进行相关的计算分析，这些对于电路的结构设计，元件的选择都是必要的。包括电流表应设计内接还是外接，滑动变阻器应采取分压式接法还是限流式接法，路结构原理选择伏安法还是半偏法等等。

2.3选择合适的实验器材

确定了实验的目的和方案，就可以依据计算和设计方案进行器材的选择了。器材的选择要遵循几个原则，分别为安全性原则，准确性原则，操作实用性原则。安全原则主要是避免烧毁现象，需要考虑到哪些部分可能会出现烧毁现象，一般最主要的是看量程和电路结构的合理性。准确性原则是为了保证实验结果的最大可靠性，尽量减少实验器材引起的误差，包括选择更精确的量程电表。操作实用性原则是指实验设计方案需要考虑实际操作，如滑动变阻器的选择中，当使用限流式电路时，滑动变阻器的一部分是使用不到的，这时候如果选用不适合的滑动变阻器，就会出现电阻变化不易控制的问题，这种问题在设计方案时是不需要考虑的，但在器材选择中就需要注意了。

3.结束语

电路实验的设计是对于电学知识的一种检验也是一种深化。实验设计的前提是知识的掌握，而设计的成功需要同学们在头脑中形成一个清晰的知识脉络。实验设计是对基础知识的一个整体反映，设计的思路是来源于知识的网络结构的。正如你需要了解电路结构和原理，才能去选择合适的方法，你能够计算出测量的理论数值，才能够去选择合适的实验器材。因此，实验设计首先要扎实知识基本功，这一点是同学们进行实验设计的过程中需要时刻牢记的。

【参考文献】

[1]王心应.高中物理电学实验中的电路设计分析[J].中学生数理化（教与学），2015-04-20

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关键词：连续可调；直流电源电路；软启动；电压补偿；LM317

中图分类号：TN710

文献标识码：B

文章编号：1004―373X(2008)04―012―03

1 引 言

电子电路要正常工作，电源必不可少，并且电源性能对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带有感性负载的电路和设备(如电机)中，对电源的性能要求更高。在很多应用直流电机的场合中，要求为电机驱动电路提供1个其输出能从0 V开始连续可调(0～24 v)的直流电源，并且要求电源有保护功能。实际上就是要求设计一个具有足够调压范围和带负载能力的直流稳压电源电路。该电路的设计关键在于稳压电路的设计，其要求是输出电压从0 V开始连续可调；所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；输出电压应能够适应所带负载的启动性能。此外，电路还必须简单可靠，能够输出足够大的电流。

2　电路的设计

符合上述要求的电源电路的设计方法有很多种，比较简单的有3种：

(1)晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图1所示，该电路中，输出电压Uo经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压u1。发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压Uo为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从0 V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0 V开始调节。

单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。

(2)采用三端集成稳压器电路。如图2所示，他采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。

(3)用单片机制作的可调直流稳压电源。该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的参数，并加上软启动电路，获得0～24 V，0.1 V步长，驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。

正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。稳压电路由三端稳压芯片LM317(负压用LM337)及器件组成，输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样，以修正输出电压值。掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值，可以方便用户在重新上电后不用设置，而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。

该电源稳定性好、精度高，并且能够输出±24 V范围内的可调直流电压，且其性能优于传统的可调直流稳压电源，但是电路比较复杂，成本较高，使用于要求较高的场合。在实际中，如果对电路的要求不太高(这种情况较多)，多采用第二种设计方案。

3　实际电路的设计

电路采用三端集成稳压器电路方案，电路原理图如图4所示。其中IC为三端集成稳压器。晶体管T，阻R3和电容器C组成软启动电路。电阻R4和二极管D组成电压补偿电路。电容C2为输出滤波电容。

(1)三端集成稳压器LM317及其调压原理。图4中IC采用了LM317系列三端集成稳压器，其输出电压调节范围可达1.25～37 V，输出电流可达1.5 A，内部带有过

(3)软启动电路设计。软启动电路由晶体管T，电阻R3，R和电容器C组成。其作用是使电路输出电压U0有一个缓慢的上升过程，以适应感性负载(如直流电机)的启动特性。当输入电压U1接入时，因C上的电压不能突变，故T因基极电位较高而饱和导通，使U2(LM317的2脚电位)和U3都很低，故U0很小，随着C的充电，T的基极电位下降，其集电极电位(即U2)升高，使U3升高(因U32为一稳定电压)，所以U0也升高。当C充满电时，T被截止，启动电路失去作用，U0也达到设定值。启动的时间可以通过改变C和R的值进行调整。

(4)改进方案。由于该电路的输出电压的调整完全依赖电电位器R2的改变，因此R2的改变范围较大，这样在输出电压的调整过程中，容易调过头或调不足，要准确地实现0～24 V宽范围的电压任一电压有些调整比较麻烦，必须反复调整，只依赖R2是比较困难的，如果将电位器R2用一个电位器R′2和电阻R档串联实现，通过一个开关实现电阻R档的改变从而改变输出电压的范围，并在所选择的输出电压范围内通过改变电位器R′2的阻值得到所需要的准确的直流电压输出。电路如图6所示。

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关键词：Atmega16单片机；DA转换器；开关稳压芯片；BUCK电路

数控直流电压源，就是输出电压可控的直流电压源。如今，电子设备己成为人们日常工作和生活中必不可少的一部分，而电源恰恰是电子设备的心脏，为电子设备提供所必需的能量，起着万分关键的作用。电源系统对安全性、可靠性、便捷性以及实用性的要求正变得越来越高，数控直流电压源也因此逐渐受到人们的青睐。传统可调电源往往通过电位器来达到目的，虽然这样的电源有很大的输出功率，但很难做到精确调整，效率也不高。而数控直流电压源输出精确可调，亦有较高的输出功率以及转换效率，且更加轻便。本文的目的就是研究和实现高效低耗的数控直流电压源。

1数控直流电压源基本组成及工作原理

本文所设计的数控直流电压源的基本组成结构框图如图1所示，系统中，MCU选用AVR单片机Atmega16，它内部资源丰富，功耗低，可以保证系统稳定、可靠运行。DA转换器选用TLC5615，其基准源由基准源芯片REF5020产生。模拟电路模块包括开关稳压芯片LM2596_ADJ，运放芯片TL082，开关型电压转换芯片LMC7660以及功率电感等器件，共同构成一个BUCK电路。输出电压、电流经采样电路采入MCU并由液晶LCD5110进行显示。按键作为输入设备，对输出电压进行设置。

本设计工作原理是将单片机与DA转换器进行SPI通信，使DA输出可调的控制电压，送到运放TL082反相端。而以开关稳压芯片LM2596_ADJ为核心的BUCK电路上电后即输出电压，经分压后送到运放同相端，此时TL082作为比较器使用以比较上述两个电压。运放输出信号经二极管IN4148送入LM2596-ADJ的反馈脚（FB端）控制输出电压，由于LM2596-ADJ内部有1.235V基准电压以及比较器，当FB脚处电压小于基准时，会抬高输出电压；反之，则会降低，最终达到稳定从而达到数控的功能。接上负载后，输出电压、电流经采样点路送入MCU，就能在LCD5110上显示输出电压与输出电流。当采得电流值大于额定值，则将软件关闭LM2596_ADJ的使能端，进行过流保护。

2系统硬件电路设计

2.1 单片机最小系统电路设计

单片机最小系统是利用最少的器件而使单片机工作的电路组织形式。 最小系统电路原理图如图2，包括单片机、振荡电路、复位电路及供电电路。

2.2 DA转换器及其基准源电路设计

DA转换器及其基准源电路设计如图3所示， REF5020电路简单，在其2脚（Vin）与4脚（Gnd）之间加上18V以下直流电压，再在6脚（Vout）接小电容即可得到基准电压。TLC5615为10位DA转换器，其1～4脚可与单片机标准SPI口PB4～7相连，通过收到的10位数字码控制输出电压。它的5脚与8脚加上供电电压，6脚（REFIN）接来自基准源的2.048V电压，就能在7脚获取DA的输出电压。

2.3 稳压电路及其后级滤波电路设计

LM2596系列是降压型开关稳压芯片，其电路为一标准BUCK电路。稳压电路及其后级滤波电路设计如图4所示，输入电压从其1脚（IN）与3脚（GND）接入，输入电压为40V以下直流电压。开关信号由其2脚（OUT）输出，加到电感与吸纳二极管上。5脚（ON/OFF）为芯片使能端，低电平有效。4脚（FB）为反馈端，接入反馈信号以控制输出电压。图中上半部分为5.0V稳压输出，为单片机供电。下半部分为主稳压电路，输出可数控的电压。PCB设计要点，输出电感、电容以及后级滤波电路参数设计可按实际设计要求参考芯片技术手册。

2.4 负电压产生电路设计

由于需为运放提供双电源，故需产生一负电压，可利用开关型电压转换芯片LMC7660。负电压产生电路设计如图5，在芯片8脚（V+）与3脚（GND）加入一正直流电压，并在2脚与4脚之间串上一10～22μF电容，即可在5脚得到对应正电压的负电压。

2.5 比较电路设计

比较电路设计如图6所示，本部分电路的核心思想是将输出电压（经分压后）与DA输出的控制电压进行比较，若输出电压小，则抬高输出电压；反之，则降低，使两个电压达到动态平衡以达到数控目的。本电路中，运放与反相端之间的电容，与反馈端的电阻构成一个类似积分器的结构，当平衡时，正负偏移量相等，故系统输出将很稳定。

3系统软件设计

系统软件总流程图如图7所示，本部分设计包括单片机与DAC的SPI通信子程序、AD采样子程序、掉电保持子程序、液晶显示子程序以及键盘扫描子程序，从而达到控制DA输出电压、获取实时电压电流、掉电保持、实时显示以及键盘控制等多项功能，具体见下文分析。

3.1 单片机SPI通信程序设计

AVR单片机Atmega16的标准SPI口为PB4～PB7，当直接使用时，只需配置若干相关寄存器即可进行数据的主从机传输，且由于本程序无需从DA传数据到单片机，故实际上MISO（PB6）口是不需工作的。工作时，需要配置SPI相关寄存器，即SPCR寄存器以及确定主机模式、时钟频率等。当使能端（PB4）有效，将一个字节数据赋给数据寄存器SPDR，就可传送一个字节的数据到TLC5615，完成后状态寄存器SPSR中的SPI完成标志位置位，在下次传送时需软件清零，完成后PB4拉高以停止SPI数据传输。

3.2 AD采样程序设计

Atmega16单片机内部集成了一个8通道10位的AD转换器。使用时，首先需要配置AD模式寄存器ADMUX以确定AD的参考电压选取、采样通道、放大倍数等。下面要配置ADC控制和状态寄存器ADCSRA寄存器以决定分频率，AD中断是否使能，AD是否启动等。另外，若要使用AD中断，还要配置全局中断寄存器SREG。完成后就会开始进行AD转换，转换得到的10位数字码存在两个寄存器ADCH与ADCL，在程序中取出两个寄存器内容后进行一定的转换即可。

3.3 掉电保持程序设计

Atmega16内部具有512字节EEPROM，地址范围为0～511。EEPROM的读写方便，ROM的每个地址可存储一个字节。每当用于控制的10位数字码变化，就将其按高低8位拆分，存入ROM中，当开机时再取出相应地址里的内容，重组10位数字码，即可完成掉电保持功能。

3.4 液晶显示程序设计

LCD5110是84*48点阵液晶显示屏，它采用串行接口与MCU进行通信且支持多种串行通信协议。液晶显示字符的原理就是将每个6*8的点阵进行选择性点亮，使其显示出相应字符的形状。本设计需显示电压、电流，当得到AD采样结果后，将数据按位拆分，并显示在不同位置即可。

4结论

通过测试，本文所设计的数控直流电压源性能稳定可靠，设计电路实用、简单，效率高，带负载能力较强，该系统有如下特点：

（1）本系统输出电压在0～24V可调，步进为0.1V，输出电流最大可达3A，输出电压值、电流值由液晶LCD5110显示。

（2）最大输出功率45W以上，电源效率在80%以上，纹波不大于100mV。

（3）具有掉电保持、过流保护、常用电压预置等多种功能。

本数控直流电压源设计方案巧妙、电路及控制原理简单，输出可调且具有不错的带负载能力、很高的转换效率，可应用于供电电压在24V以下的各类电子设备供电。

参考文献：

[1]左现刚，张志霞.基于AVR单片机的数控直流稳压电源的设计[J].微型机与应用2012，31（8）：84-86.

[2]蔡宣三，倪本来.开关电源设计与制作基础[M].北京：电子工业出版社，2012.6

[3]陈学清，黄世震.一种新型数控直流稳压电源的设计[J].通信电源技术2006，23（2）：17-20.

[4]路秋生.开关电源技术与典型应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

作者简介：

沈瀚祺，男，（1991～）浙江桐乡人，杭州电子科技大学电子信息学院本科生，研究方向：数字图像处理与DSP芯片设计。

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关键词：H桥逆变 SPWM控制 N沟道MOS管

1 概述

根据输入逆变电路的电源性质，可以将逆变电路分为电流型和电压型两种电路形式，通常采用电压型逆变电路。本设计为单相逆变系统的设计，单相电压型逆变电路有半桥逆变电路和全桥逆变电路两种，其中半桥逆变电路有两个桥臂，只有上桥臂，由两个开关器件构成；而全桥逆变电路有上下两个桥臂，由四个开关器件构成。相对而言，半桥逆变电路更好控制，但却较难实现输入侧两个电容的均压问题，输入侧不均压导致输出交流电的质量低，并且输出交流电的幅值只能为输入直流电的一半；而对于全桥逆变电路则存在上桥臂开关管控制问题，由于P沟道的耐压相对N沟道较低，当选择耐压较高的N沟道开关管作为上桥臂的开关器件时，存在寄生电容充放电等问题，针对以上问题，本文主要研究设计单相全桥逆变系统的控制。

2 系统方案确定

根据设计要求，本部分首先给出单相全桥逆变电路的主电路结构并计算主电路参数，再给出控制驱动电路方案。

2.1 主电路设计 本设计要求输出电能的质量高，并有一定的实际应用价值，因此选择单相全桥逆变电路作为主电路，其结构如图1所示。单相全桥逆变电路的工作原理可以简单概括为：当开关管M3和M2导通、M1和M4闭合时，负载上的输出电压U0为负值；当开关管M1和M4导通、M3和M2闭合时，负载上的输出电压U0为正值；这样输出电压U0就从直流电变成了交流电。通过改变各开关管的开关频率，对四个开关管进行时间上的配合控制，就可以实现输出交流电的功能。

对于全桥逆变电路的主电路，主要选择的器件是开关管型号。而对于阻感性负载的电路，为防止电感中储存的能量回流，导致同一个桥臂的两个开关管同时导通，造成短路，常在开关管两侧并联一个续流二极管。现如今，逆变电路常用的全控型器件是电力MOSFET和IGBT，其中IGBT多用在大功率的场合，且内部没有寄生二极管；考虑到本设计对输出功率要求不大，且MOSFET内部已经集成了寄生二极管，可以不用再额外设计续流二极管，因此，为了方便设计，简化计算，本设计采用MOSFET作为全桥逆变电路的开关管。

2.2 控制电路设计 逆变电路常采用PWM和SPWM控制方式。PWM控制技术，就是对脉冲的宽度进行控制的技术，而SPWM控制技术基于PWM控制繁衍而生，原理相似，根据面积等效原理，将要求输出的波形用一系列等副不等宽的脉冲代替，得到作用效果相同的新波形。现今，人们已经不满足于方波，而是希望输出纯净的正弦波，也就是采用以正弦波作为调制信号、三角波作为载波的SPWM控制技术，故本设计采用以EG8010作为逆变电路控制芯片的SPWM控制技术作为全桥逆变电路的控制手段。

由于所采用的MOSFET是电压驱动型开关管，因此加在MOSFET栅极上的驱动信号的电压值应大于栅极和源极之间的开启电压。对于所选型号为FQPF8N90C的MOS管导通信号电压应该在10V左右。然而，EG8010芯片的供电电压仅为+5V，驱动能力不够，应考虑在控制电路与主电路之间加上一个驱动电路，增加输出信号的驱动能力，保证MOS管正常工作。实际应用中，往往还要考虑在控制信号与MOS管的栅极之间设置隔离，常用的隔离方法有光耦隔离与变压器隔离。考虑到本设计既需要增强控制信号的驱动能力，又需要设置隔离，因此驱动部分采用较常用的半桥驱动芯片IR2110，它可以使输出信号达到15V，又兼有电磁隔离和光耦隔离的优点，对于驱动电路来说是一个很好的选择。由于IR2110是半桥驱动芯片，而本设计需要驱动的是全桥电路，故采用两个IR2110芯片配合使用，实现全桥逆变电路的驱动，如图2所示。为保证电压平滑无波动，需在IR2110的+5V、+15V的直流电经过一个0.1uF的普通电容和一个10uF的电解电容滤波后再供给IR2110的VDD和VCC引脚。

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图2 IR2110驱动单相全桥逆变电路结构图

IR2110芯片的VB引脚与VS引脚之间的自举电容可以根据经验值来选取，本设计采用10uF的电解电容作为自举电容；VB引脚与VCC引脚间的自举二极管选取FR107作为快恢复二极管。当上半桥选择N沟道的MOS管时，驱动信号不能直接驱动MOS管，而是在驱动信号与MOS管的栅极之间接一个栅极电阻，栅极电阻阻值与驱动速度成反比，实际硬件电路中，需在栅极电阻上并联一个二极管加快驱动速度。而且为了消耗掉MOS管中的寄生电容并防止同一桥臂的两个MOS管同时导通，需在栅极与源极之间接一个下拉电阻。

3 系统仿真与分析

在前面已经确定了逆变系统的主电路和控制驱动电路方案的基础上，此部分以输出60Hz频率交流电为例，在Saber环境中对已设计方案进行了系统搭建与仿真分析，如图3所示。由于控制信号与MOSFET的栅极之间需要进行隔离，故接线图中采用VCVS实现隔离功能，仿真输出波形如图4所示。由图4可知，按照设计方案原理所做的仿真电路负载两侧的输出电压为正弦波，经测量，波形的频率为60.042HZ，故由仿真结果可知，本文所设计的EG8010控制全桥逆变实现逆变功能的方案可行。并且根据第三章所介绍的控制原理与方法可知，采用本设计方法将能够很容易地实现调频控制。

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图3 单相全桥逆变电路仿真图

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图4 负载两侧电压输出波形图

4 总结

通过对单相全桥逆变系统的工作原理进行分析与探讨，验证了本文所提出的单相逆变系统控制方案具有可行性，解决了上下桥臂均为N沟道MOS管的导通问题，具有一定的实际应用价值。

参考文献：

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[2]吕汀，石红梅.变频技术原理与应用（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]黄峥，古鹏.H桥式逆变器的主电路控制设计[J].机电工程技术，2009，40（1）：75-78.

[5]陈建萍，张文，魏仲华.一种基于IR2113的隔离型MOSFET驱动电路设计[J].赣南师范学院学报，2011（3）：57-59.

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关键词 CMOS电路；噪声问题；抗噪声优化设计

中图分类号 TN432 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)071-0183-01

1 CMOS电路及其噪声

硅半导体的CMOS电路技术因为其容易大规模集成的特点，及其自身的性价比优势和日渐成熟的技术和工艺，得到了广泛的应用，并且在今后相当长的一段时间内在规模集成电路中将会占据主导地位。随着个人数字系统、通讯终端的不断发展，CMOS不断向着高密度、高速率的方向发展。但与此同时，现代CMO系统内部的器件尺寸不断缩小，集成密度扩大，各个金属线之间的间隔缩短，因噪声干扰或电路跳变过程中产生的毛刺都有可能使数字电路出现逻辑故障。因此要尽可能减少噪声，提高系统稳定性和准确性。CMOS的噪声影响到电路系统的稳定性，近几年来对抗噪声的研究设计也层出不穷。笔者将在下文中对现代CMOS电路的抗噪声优化设计做出详细的阐述。

2 现代CMOS电路的抗噪声优化设计

在本次设计研究中，笔者以动态电路噪声问题、同步开关噪声问题以及衬底噪声问题为主要研究对象，针对这几种CMOS中常出现的噪声问题展开分析。

2.1 深亚微米CMOS抗噪声动态电路设计

静态电路本身具有相对较好的抗噪声特性，但是其具有低速、高耗能的缺点，因此在电路的关键部分，还需要动态电路来提高线路的整体性能，尤其是提高速率和降低能耗。伴随着深亚微米工艺水平的发展，器件的尺寸更进一步减小，密度增大，这对动态电路的抗噪声性提出了更大的挑战。

动态电路中的噪声源主要包括了电源噪声、节点噪声、串绕噪声等。改善动态电路的抗噪声性能其中一个方法便是提高逻辑门的阀值电压。但是提高阀值电压就会降低电路的速度，提高功耗，削弱了动态电路的优势，因此在优化方案的设计中减少噪声是目标，但是也不能让电路的其他性能遭到过分损害。针对动态电路，笔者认为可以利用镜像NMOS网络来构建具有高能量效率的抗噪声电路。设计图如图1所示。

由图可见，镜像抗噪声动态线路需要两个相同的NMOS求值网络，附加NMOS管M3，其工作原理大致为：预充电阶段时，时钟信号φ将M1打开，将输出电压Vout充电达到最高水平，Vx的电压达到VDD-Vm。另外由于晶体管体效应，顶端的NMOS网络的开关阀值电压相对应增加，从而达到了改善动态电路抗噪声性能

的目的。

2.2 同步开关噪声优化设计

由于深亚微米电路规模的不断增大，电路系统的中门电路翻转频率逐渐提高，再加上电源电压的降低，低电平电压的开关噪声突显粗来，影响了数字电路的稳定性。同步开关噪声主要由带有大负载电容的I/O缓冲器开关和内部电路的开关这两种开关引起地“跳动”。集成电路的高速高密度化发展使得与I/O输出缓冲器相联的电源和地上出现大量的噪声。其次从内部电路开关噪声来看，要提高同步开关的抗噪声性能，首先需要减小电感，主要办法是通过特殊的地线PAD，将其与衬底直接相离并且连接到地平面上；其次是减小恒定电流，通过恒流电压转换器利用镜像电流源提供恒定的电流。

噪声控制的结构方案主要有三种，一是采用局部倒相器数据总线结构，一般情况下，当所有总线同时开关时，理想情况下是一半是0一半是1，上拉下拉开关电流由旁路电容供给，从而使得较少的AC电流通过电源和地线上的电感，最终达到减小电压跳动的目的。二是采用时钟偏移化方案，其规则大致与动态电路相同，避免所有时钟在同一时刻内开关，减小电压跳动。

2.3 衬底噪声加固设计

伴随着硅器件技术的飞速发展，电路的整体构造和设计变得愈加复杂，在SOC中也已经实现了混合技术，并且将模拟数字集成在了统一衬底上。但随着数字时钟频率的不断上升，复杂性进一步提高，电路系统中工艺器件和单元面积的缩小，集成电路设计中的衬底噪声问题的解决成为了设计中的难点和重点。I/O缓冲器开关以及内部罗继电器的开关也是引起衬底噪声的主要噪声源，另外电离电流也是引起衬底噪声的原因之一。衬底噪声的优化方法主要有四种：一是保护环，保护环是指IC设计中防止衬底噪声常用的方法，其工作原理是指在敏感器件周围形成法拉第隔离，使得敏感器件受到保护，减少衬底噪声对其造成的干扰；二是N阱沟，主要是指可用于噪声电路和敏感电路之间，阻止衬底电流的衬底表面流动；三是较小电源跳动；四是平面布局的方法，在空间电路布局时充分考虑减小衬底噪声的耦合效应。

综上所述，随着电路规模的逐渐扩大，现代CMOS电路的抗噪声优化设计成为了当前电路设计的重点和关键。本文主要针对动态电路的抗噪声性能以及同步开关噪声优化设计和衬底噪声加固设计做了详细阐述，相信随着电路技术的飞速发展，CMOS的抗噪声优化设计会日渐完善。

参考文献

[1]陈曦,庄奕琪,罗宏伟,胡净,韩孝勇.深亚微米CMOS IC抗噪声ESD保护电路的设计[J].微电子学,2003,05.