設計方案
　　
方案係統設計框圖如圖1所示
，輸入為220 V，50 Hz交流電壓，經電壓變換，整流濾波後得到18 V的直流電壓，送入Boost電路，經濾波輸出直流。CPLD與單片機組成的數字控製模塊輸出脈寬調製信號(PWM)
，由按鍵控製改變PWM占空比，從而控製Boost電路的輸出電壓。該輸出電壓可在30~36 V範圍內步進調節，實現多路電壓輸出。最大輸出電流高達2 A。
　　
輸出電壓經MAXl97 A/D采樣，送至控製模塊
，通過PID算法計算調整下一次傳送的控製信號
，形成反饋回路，實現寬電壓輸入，穩壓輸出的功能。

圖1：係統設計框圖

硬件電路設計

硬件電路圖
　　
係統硬件電路如圖2所示。交流電壓經變壓器轉換，其幅值按一定比例降低。降低的交流電壓經扁橋式整流電路整流為18 V直流
，經2 200μF電容濾波後進入主轉換電路與Boost電路。

圖2：硬件電路圖

在Boost轉換電路中，增加MOSFET和二極管緩衝吸收電路，減小過壓或過流引起的損耗。由於電源功率較小，則采用RC吸收電路。當過流
、過壓產生時，電流通過電阻以熱能的形式將能量散發出去，降低對MOSFET的影響，減小其損耗，延長使用壽命。根據多次試驗

，保護吸收電路的電阻應取kΩ級，電容取nF級。直流信號再經低通濾波器濾除紋波，驅動負載。　
　
主要功能電路原理
　　
硬件電路部分的主要電路是Boost電路，它由功率開關管VT、儲能電感L、續流二極管VD和濾波電容C組成。開關管按一定頻率工作，轉換周期為T，導通時間為Ton，截止時間為Toff
，占空比D=Ton/T。其工作原理為：當VT導通時，電感L儲能，VD反偏截止，負載由電容C提供電能；VT截止時，L兩端電壓極性相反，VD正偏，同時為負載和濾波電容C提供能量。
　　
由儲能電感L導通和截止期間
，電流變化量相等可得

，輸出電壓U0和輸入電壓U1之間關係為：
U0/Ui=1/(1一D) (1)

器件選取
　　
根據理論計算
，功率開關采用晶體管即可滿足要求，故係統采用IRF540型MOS管，其VDS=100 V
，IDS=17 A。采用MOS管專用驅動器件IR2110完成驅動功能。IR2110是一款高低電平驅動器件，其邏輯輸入電壓隻需3．3 V，輸出電壓最大可達20 V，驅動電流最大可達到2 A。其延遲時間為10ns，上升沿和下降沿時間分別為120 ns和94 11s。由於IR2110可同時驅動雙MOS管
，因而係統隻涉及一個MOS管
，故隻使用一路驅動即可。
　　
由於普通二極管的反向恢複時間過長，而肖特基整流管無電荷儲存問題，可改善開關特性。其反向恢複時間縮短到10 11s以內。但其反向耐壓值較低，一般不超過100 V。因此肖特基二極管適用於低壓、大電流狀態下工作
，並可利用其低壓降提高低壓、大電流整流(或續流)電路的效率。

重要參數的計算
　　
濾波電容的選取，可根據
　　
當開關管工作頻率取F=40 kHz時，設紋波電壓約為30～50 mV
，則計算得到C數量級為1 000μF。實際調試後取電容為2 200μF。　　

儲能電感的選取，可根據：
　　
設計過程中，設置紋波電流△iL=O．4 A
，計算得到L數量級為l mH，實際調試後取電感為0．79 mH。

軟件設計
　　
選擇CPLD和51係列單片機組合設定數字控製和輸出電壓步進。用單片機控製整個係統。軟件設計除設定初始電壓值，還包含PID算法程序，以及調整PWM占空比。可編程邏輯器件CPLD可直接生成PWM波控製開關管驅動器。

PWM波產生
　　
PWM波的產生采用Verilog HDL硬件描述語言在CPLD中實現。信號頻率設定為40 kHz，采用DDS方式步進頻率可精確至1 Hz。使用QuartusⅡ自帶的工具生成PLL器件，將外界晶體振蕩器輸入的頻率倍頻至100 MHz。由DDS公式，可得：

式中：k為累加係數；Fin為輸入頻率
；n為計數器位數。
　　
當鍵盤鍵入所需電壓U0，單片機內轉化為占空比DY=1一(Ui／U0)。累加器開始累加時輸出高電平，當DY達到計數值時變為低電平
，最終可得精確頻率下占空比可調的PWM控製信號。

PI控製算法
 
為通過反饋調節控製信號實現穩壓
，係統軟件設計中加入了PID控製算法
，即單片機中將給定電壓值與采樣反饋電壓值比較，利用偏差的比例
、積分、微分線性組合調整PWM信號的占空比，進而達到穩壓。常用的PID算法形式為：

式中：KP、Ki、Kd分別為比例係數
、積分係數、微分係數；e(k)為偏差；u(k)為所需控製信號的調整值。
　　
該係統設計選擇PI算法(PID算法的一種簡單形式)，即令Kd為零，隻考慮比例係數和積分係數。因此，係統穩壓控製的優劣取決於參數Kp、Ki。Kp 越大
，係統反應越靈敏，但Kp偏大會導致輸出振蕩大，調節時間延長
，所以應謹慎選擇。積分係數的運用可以消除係統的穩態誤差，提高係統的控製精度。PI算法流程如圖3所示。圖3中引入了積分分離式算法，減少積分校正對控製係統動態性能的影響。即在控製開始階段或電壓值大幅度變化時
，取消積分校正
；而er當dang實shi際ji電dian壓ya值zhi與yu設she定ding值zhi的de誤wu差cha小xiao於yu一yi定ding值zhi時shi，恢hui複fu積ji分fen校xiao正zheng作zuo用yong。積ji分fen分fen離li式shi算suan法fa既ji保bao持chi積ji分fen作zuo用yong，又you減jian小xiao超chao調tiao量liang
，改gai善shan控kong製zhi係xi統tong的de性xing能neng。經jing實shi驗yan確que定ding，可ke實shi現xian穩wen壓ya功gong能neng。

圖3：PI算法的流程圖

仿真驗證
　　
Simulink是MATLAB提供的實現動態係統建模仿真的一個軟件包。采用powersystem庫模型，將係統設計的仿真電路連接如圖4所示。脈衝產生器產生固定頻率和占空比方波，控製MOS開關管。電流和電壓測量器將模擬的電流和電壓量化送至示波器。仿真中器件參數根據實際設計選取：輸入電壓為 18 V，開關管的控製脈衝(PWM波)頻率為40 kHz，占空比60％，電容取2 200μF
，電感為1 mH，電阻為18 Ω。得到的電流電壓波形圖如5所示。通過仿真可看出，在不考慮損耗時電壓可以升36 V以上，電流也可以達到2．4A
；在實際電路中因存在損耗，通過調整占空比達到了輸出電壓30～36 V步進調整．最大輸出電流2 A。

圖4：仿真電路圖

圖5：電流電壓波形圖

利用Boost電路實現了係統設計的升壓轉換，采用CPLD和單片機完成數字控製
，軟件編程得到PWM信號，通過調整占空比實現輸出電壓數字調節。而運用PI算法則是本係統設計的亮點
，完美實現了寬輸入，穩壓輸出。