智能稳压电源设计.docx

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智能稳压电源设计

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摘要

本设计的开关电源由脉冲宽度调制器（PWM）和双极型三极管构成，介绍了基于AT89C51单片机的数字化控制的可调开关稳压电源，系统以UC3842、LM2576为核心，其中固定输出部分分别为±5V、±15V，可调部分由高性能单片机为控制核心，通过调节LM2576-ADJ端，实现输出电压的数字化可调，输入采用键盘方式，输出电压采用LCD显示，实现指标纹波系数Um≤5mU，稳定度△V0/V0×100％≤1％，步进0.1，该系统稳定性好、精度高、成本低、效率高、其性能远远优于传统的线性可调稳压电源，大大改善了传统的稳压电源的性能，简单易用，非常适合一般的教学和科研使用。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

关键词:

开关电源；稳压；51MCU；A/D；D/A

ABSTRACT

Thedesignoftheswitchingpowersupplyfromthepulsewidthmodulator（PWM）andbipolartransistorstructure,introducedtheAT89C51microcontrollerbaseddigitalcontrolofadjustableswitchingpowersupply,systemUC3842,LM2576asthecore,someofwhichwerefixedoutput±5V,±15V,adjustabletocontrolinpartbyhigh-performancemicrocontrollercore,byadjustingtheLM2576-ADJ-side,toachievethedigitaloutputvoltageadjustable,theinputmodewiththekeyboard,theoutputvoltagewithLCDdisplay,toachievetargetsripplefactorUm≤5mU,stability△V0/V0×100%≤1%,step0.1,thesystemhasgoodstability,highaccuracy,lowcost,highefficiency,itsperformanceisfarsuperiortothetraditionallinearadjustablepowersupply,greatlyimprovedtheperformanceoftraditionalpowersupply,easytouse,suitedforgeneraluseinteachingandresearch.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

Keyword:

switchingpowersupply；regulators；51MCU；A/D；D/A残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

第一章前言

1.1研究的目的和意义

电源是给所有电子设备电路系统提供能源的部件，是必不可少的。

目前使用的稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性差，操作使用起来不方便，自我的保护功能不够，因而发生故障的几率高。

随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化、高效率、低成本、高可靠性、低电磁干扰、模块化和智能化方向发展，以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能型稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了模拟电路的要求[1]。

懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

1.2稳压电源的分类

目前稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源对于品种繁多的稳压电源可以从不同角度去分。

下面以线性电源和开关电源做介绍。

呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

1.2.1线性电源分类

线性电源一般可分为串联型和并联型，按稳压方式分，有参数稳压电源和反馈调整型电源。

参数稳压电源电路简单，主要是利用元件的非线性实现稳压。

比如，一只电阻和一只稳压二极管即可构成参数稳压器。

反馈调整型稳压电源具有负反馈闭环，是闭环自动调整系统，它的优点是技术成熟，性能优良、稳定，设计简单与制造。

缺点是体积大，效率低[2]。

莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。

1.2.2开关电源的分类

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已技术成熟，性能优良、稳定，并已得到用户的认可，但是AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

以下分别对两类开关电源的结构和特性作以下阐述。

麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。

1.DC/DC变换

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽带及频率。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式，二是频率调制方式。

其具体的电路由以下几类：

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（1）Buck电路—降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。

（2）Boost电路—升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。

（3）Buck-Boost电路—降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。

（4）Cuk电路—降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反，电容传输。

当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。

日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200-300）kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%左右[3]。

灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。

2.AC/DC变换

AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。

铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。

按电源相数可分为单项、三相、多相。

按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。

1.3稳压电源的主要指标

直流稳压电源的指标有两类：

一类是特性指标；另一类是技术指标或质量指标[2]。

1.3.1特性指标

（1）最大输出电流：

它主要取决于主调整管的最大允许消散功率和最大允许工作电流。

（2）输出电压和电压调节范围按照负载的要求来决定。

（3）效率稳压电源本身就是个变换器，在能量转换时有能量损耗，这就存在转换效率问题。

（4）保护特性在稳压电源中，当负载出现过载或短路时，会使调整管损坏，因此，电源中须有快速响应的过流、短路保护电路。

趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。

1.3.2技术指标

电压调整率（Su）：

当市电电网变化时（±10％的变化时在规定允许范围内），输出直流电压也相应变化。

而稳压电源就应尽量减小这种变化。

电压稳定度表征电源对市电电网变化的抑制能力。

夹覡闾辁駁档驀迁锬減。

表征电源对市电电网变化的控制能力也用电压调整率Su表示。

其电压调整率Su的定义：

当电网变化10％时输出电压相对变化量得百分比。

视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

（1-1）

式（1-1）中Su值越小，表示稳压性能越好。

（2）内阻（rn）：

当负载电流变化时，电源的输出电压也会发生变化，变化数值越小越好。

内阻正是表征电源对负载电流变化的抑制能力。

偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。

电源内阻rn的定义：

当市电电网电压不变化情况下，电源输出电压变化量△UO与输出电流变化量△IO之比，即緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。

（1-2）

显然，rn越小，抑制能力越强。

（3）电流调整率（SI）电流调整率是指输入电压Ui恒定的情况下，负载电流IL从零变到最大时，输出电压UO的相对变化量的百分数，即騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。

（1-3）

从（1-3）可以看出，SI越小，说明电流的调整率越好。

（4）纹波系数（SO）电源输出电压中，存在着纹波电压，它是输出电压中包含的交流分量。

如果纹波电压太大，对音响设备可能产生杂音，对电视就可能产生图像扭动、滚动干扰等。

疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。

输出电压中的交流分量的大小，常用纹波系数SO表示，即

（1-4）

式中Umn—输出电压中交流分量基波最大值；

Uo—输出电压中的直流分量。

由式（1-4）可知，So越小说明纹波干扰越小。

（5）温度系数温度系数是用来表示输出电压温度的稳定性。

在输入电压Ui和输出电流Io不变的情况下，由于环境温度T变化引起输出电压Uo的漂移量△Uo，称为温度系数ST，即镞锊过润启婭澗骆讕瀘。

（1-5）

越小，说明电源输出电压随温度变化而产生的漂移量越小，电源工作就越稳定。

1.4稳压电源的发展

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。

任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。

电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。

榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。

传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。

这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。

但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。

由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45％左右[4]。

邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。

另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。

20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。

在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。

20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。

20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。

嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。

开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。

以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零。

所以其功耗小，效率可高达70％－95％。

而功耗小，散热器也随之减小。

开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。

此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。

因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。

该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。

另外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。

而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围220±10％，而开关型稳压电源在电网电压在110－260伏范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。

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开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。

臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。

目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。

为提高开关频率，必须采用高速开关器件。

对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。

它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。

鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。

1.5研究主要内容

设计一个具有设置功能、步进功能和显示功能的开关稳压电源，其指标为：

输出电压：

±5V±15V

输出电流：

Io≥2A

纹波系数：

Vm≤5mV

稳定度：

△Vo/Vo×100％≤1％

任意可预置输出，步进0.1V

第二章开关稳压电源的原理

2.1开关稳压电源的工作原理

2.1.1开关式稳压电源的基本原理框图

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

开关电源的调整管工作在饱和和截止区。

穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。

控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。

这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。

控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

开关式稳压电源的基本电路框图如图2-1所示：

隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。

图2-1开关电源基本电路框图

2.1.2开关电源的控制方式

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。

因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源[5]。

浹繢腻叢着駕骠構砀湊。

图2-2调宽式开关稳压电源的基本原理

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。

直流平均电压Ｕ。

可由公式计算，即Uo=Um×T1/T式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。

从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。

这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。

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2.2开关电源常见电路

1．降压（串联）式开关电源

降压式开关电源的典型电路如图2-3所示。

当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输人的整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。

当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。

电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定[6]。

惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。

贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。

图2-3降压式开关电源 

这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

2．升压（并联）式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如图2-4所示。

当开关管VT1导通时，电感Ｌ储存能量。

当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。

嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。

 图2-4升压式开关电源

3．自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如2-5所示。

这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。

薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。

图2-5 自激式开关电源

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。

与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。

在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。

这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。

齡践砚语蜗铸转絹攤濼。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。

电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。

这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。

绅薮疮颧訝标販繯轅赛。

4．推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图2-6所示。

它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。

电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。

饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。

烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。

图2-6推挽式开关电源

这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。

电路的输出功率较大，一般在100-500Ｗ范围内。

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5．反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如图2-7所示。

这种电路又称为升降压式开关电源。

无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。

撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。

  踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。

图2-7反转式开关电源

当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。

当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容Ｃ充电。

婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。

2.3开关电源器件

2.3.1开关晶体管

开关晶体管内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。

它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。

输入级和输出级都采用晶体管的逻辑电路，叫做晶体管-晶体管逻辑电路，书刊和实用中都简称为TTL电路，它属于半导体集成电路的一种，其中用得最普遍的是TTL与非门。

TTL与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造在一块很小的硅片上，封装成一个独立的元件。

半导体三极管是电路中应用最广泛的器件之一，在电路中用“V”或“VT”（旧文字符号为“Q”、“GB”等）表示。

譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。

半导体三极管主要分为两大类：

双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。

晶体管有三个极；双极性晶体管的三个极，分别由N型跟P型组成发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）；场效应晶体管的三个极，分别是源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）。

晶体管因为有三种极性，所以也有三种的使用方式，分别是发射极接地（又称共射放大、CE组态）、基极接地、集电极接地。

最常用的用途应该是属于讯号放大这一方面，其次是阻抗匹配、讯号转换等，晶体管在电路中是个很重要的组件，许多精密的组件主要都是由晶体管制成的。

俦聹执償閏号燴鈿膽賾。

三极管的导通，三极管处于放大状态还是开关状态要看给三极管基极加的直流偏置，随这个电流变化，三极管工作状态由截止-线性区-饱和状态变化而变，如果三极管Ib（直流偏置点）一定时，三极管工作在线性区，此时Ic电流的变化只随着Ib的交流信号变化，Ib继续升高，三极管进入饱和状态，此时三极管的Ic不再变化，三极管将工作在开关状态。

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2.3.2PWM控制器

1.PWM控制器发展

20多年来，集成开关电源沿着集成化方向发展，首先是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。

1977年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520,SG3524,芯片。

90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHZ的高速PWM、PFM90（脉冲频率调制）芯片，典型产品有UC1825、UC1864。

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一般时间控制法有三种，即脉冲宽度控制（调宽PWM）、脉冲频率控制（PFM）和混合式控制（调频—调宽）。

用的比较多的还是PWM,近几年变频调速技术获得不断的进步和发展特别是在家用电器行业方面的应用。

低廉、节能、高效、静音以及高可靠性的变频产品成为趋势，各种新型的PWM控制芯片不断涌现。

数字化的PWM控制芯片相对模拟PWM控制芯片（如TL494,SG3525,UC3844等），因其抗干扰、抗温漂等方面的优点成为主流产品[7]。

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2.PWM与微处理技术

典型PWM调速控制芯片特点随着微处理器技术的发展，其与PWM技术相结合，形成了各类特色的控制方案，主要可分为以下几类：

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（1）采用单一的通用微处理器（单片机）来产生SPWM。

该方案只须采用单个芯片，功能强、灵活、易于保密，但所有的PWM信号的产生均需占用CPU大量的工作时间，软件开发周期长，通用性差，不利于产品的更新换代。

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（2）采用专用大规模集成电路产生SPWM信号。

如Mullard公司的HEF4752,无须微处理器配合，属于纯硬件实现方法，使用简单，省去编写软件的麻烦，开发周期短，但欠灵活性，难以实现更多的功能。

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（3）采用微处理器和专用大规模集成电路相结合的方式，可以兼具灵活、简单、易于开发、功能勿、一展的特点，如Siemens公司的SEL4520,Mitel公司的SA4828等，但成本较高。

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（4）采用专用调速控制芯片。

此类芯片内部集成有PWM发生器、A/D转换器、EPROM/EEPROM或快速可擦写存储器FlashMemory等适用于电动泪L调速的外围硬件设备，大大减少CPU的十