高精度連續可調高壓開(kāi)關(guān)電源的設計
在醫用器械、離子加速器、安規測驗、電子設備老化技術(shù)等領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì )應用到小功率高壓可調電源。這類(lèi)高壓電源既請求輸出電路精度高、電壓可調，一起又請求電源體系具有重量輕、呼應速度快、穩定性好、可靠性高級特色。在現在的電源商場(chǎng)上，大多數電源輸出通常都在200 V 以?xún)�，而輸�?0 kV 以上的電源根本都是一些大功率、高價(jià)位商品，且能完成輸出可調的高電壓的電源商品更少。為此，研發(fā)了一種依據可控增益擴大器的接連可調高壓開(kāi)關(guān)電源。該電源輸出電壓可由1 kV~25 kV可調，輸出電流達1 mA。該電源具有體積小、穩定性好、呼應速度快等長(cháng)處，具有較廣闊的商場(chǎng)應用遠景。
1 電路構造及作業(yè)原理
體系原理框圖如圖1所示。220 V溝通電經(jīng)過(guò)AC/DC開(kāi)關(guān)變換器，將溝通電壓變換為電壓為100 V的固定直流電，供后級電源運用。高頻變壓器在PWM驅動(dòng)電路驅動(dòng)下，將100 V的直流電變換成輸出電壓可調的高頻高壓的脈沖溝通電，經(jīng)過(guò)高壓整流電路整流后，由濾波器濾波，完成高壓直流輸出。因為輸出直流電壓較高,所以經(jīng)過(guò)特制的取樣電路對輸出電壓進(jìn)行取樣,再經(jīng)阻隔擴大器擴大后，送A/D變換電路及可控增益擴大器。單片機經(jīng)過(guò)A/D獲得直流高壓的取樣電壓,與設定值進(jìn)行比較；然后經(jīng)PID調理，輸出差錯信號送至可控增益擴大器，以調理差錯電壓;最后由差錯信號調理PWM操控器，操控輸出占空比，完成對輸出直流電壓的調理。
2 硬件電路設計
2.1 主拓撲電路設計
開(kāi)關(guān)電源拓撲構造有全橋、半橋、推挽等多種構造。該主電路選用半橋式拓撲構造。半橋拓撲構造具有構造簡(jiǎn)略、開(kāi)關(guān)管接受壓力小、抗不平衡能力強、不易直通等長(cháng)處。一起，變壓器初級在全部周期中都流過(guò)電流，磁芯運用充沛，且沒(méi)有偏磁的疑問(wèn)，所運用的功率開(kāi)關(guān)管耐壓請求較低，開(kāi)關(guān)管的飽滿(mǎn)壓降削減至最小，對輸入濾波電容運用電壓請求也較低。因而，半橋拓撲是中小功率電源常用的構造。主電路如圖2所示。
Q1、Q2為高反壓MOS管，它與電容C1、C2構成逆變電路,PWM輸出經(jīng)驅動(dòng)變壓器驅動(dòng)Q1、Q2。PWM輸出的驅動(dòng)電壓在驅動(dòng)變壓器兩頭設有死區時(shí)刻,有利于MOSFET管中電荷的消耗,起到維護MOSFET的效果。在Q1導通時(shí)，電源經(jīng)Q1、C0、T1對C2充電，一起對電容C3放電；Q2導通時(shí)，電源對經(jīng)過(guò)C1、T1、C0對C1充電，對C2放電。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，高壓變壓器初級上構成25 kHz的交變矩形波，經(jīng)過(guò)升壓整流后對負載供給高壓。經(jīng)過(guò)調理開(kāi)關(guān)管的占空比，可改動(dòng)輸出高壓值。R3、C3、R4、C4構成吸收電路，用來(lái)吸收高頻尖峰電壓，到達維護MOS管的效果。為避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導通時(shí)刻不對稱(chēng)導致高壓變壓器偏磁和直流磁飽滿(mǎn)，在電路中串入隔直電容C0來(lái)自動(dòng)平衡變壓器一次電壓側的直流重量。R1、R2作為平衡電阻，可使C1與C2充電電壓持平。
2.2 操控電路設計
操控電路由PWM操控、高壓采樣、可控增益擴大器、A/D及CPU等部分構成。
2.2.1 PWM操控電路
PWM操控電路是完成電壓調整的核心電路，對整機功能有較大的影響，所以選用性?xún)r(jià)比較高的SG3525，操控方法選用恒頻脈寬調制。
SG3525芯片內部供給5 V精細基準電壓，該電壓經(jīng)過(guò)R13、R12、R10分壓后經(jīng)電壓跟從器阻隔,送至內部差錯電壓擴大器的同相端，作為基準參閱電壓。R13、R12、R10選用金屬膜精細電阻，電壓跟從器可進(jìn)一步進(jìn)步參閱電壓精度。輸出的高壓直流電經(jīng)過(guò)高壓采樣電路變換為成份額的低壓取樣電壓，經(jīng)過(guò)可控增擴大器擴大，再由電壓跟從器送至SG3525差錯電壓擴大器的反相端。在基準電壓及反應電壓端均選用了電壓跟從器，可進(jìn)步PWM波的脈寬精度，然后非常好地保證輸出電壓精度。SG3525芯片振動(dòng)頻率的設定規模為15 kHz～35 kHz，其振動(dòng)頻率可表示為：
2.2.2 電壓調整與采樣電路
因為直流輸出電壓較高,不能直接采樣用于反應，該體系選用多個(gè)金屬膜功率電阻串聯(lián)構成電阻分壓采樣電路。RS為16只4 MΩ的2 W型電阻串聯(lián)，R12為采樣電阻,該電壓采樣電路用環(huán)氧樹(shù)脂密封在一個(gè)盒子內，能夠起到絕緣及維護效果。為避免分壓電阻在高電壓效果下因為高壓拉弧產(chǎn)生尖峰電壓而損壞電壓跟從器，在電壓跟從器輸入端參加瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)D5。R13、C11構成RC濾波電路。從采樣電阻兩頭取出的電壓信號經(jīng)電壓跟從器后經(jīng)過(guò)線(xiàn)性光耦I(lǐng)C2阻隔，送至IC3構成的電壓跟從器。線(xiàn)性光耦選用Agilent公司的HCNR200,能夠較好地完成阻隔，阻隔電壓峰值達8 000 V,輸出隨輸入變化，線(xiàn)性度達0.01%。
為了完成輸出電壓的接連可調，體系選用可控增益擴大器擴大差錯電壓信號。經(jīng)過(guò)改動(dòng)可控增益擴大器的增益，改動(dòng)送至SG3525反應端的電壓值，然后完成輸出電壓的可調。
可控增益擴大器由D/A變換器AD7520及運算擴大器OP07構成。AD7520是10 bit CMOS 數模變換器，選用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò )，模仿電子開(kāi)關(guān)為CMOS型，集成在芯片上。OP07運放與AD7520構成反相份額運算擴大器。依據反相份額運算擴大器的特色，擴大器擴大倍數為式所示：
3 體系軟件設計
體系軟件首要完成對輸出電壓的調整和顯示、軟啟動(dòng)、過(guò)壓和過(guò)流維護等。單片機上電或復位后，體系先進(jìn)行初始化，制止高壓輸出，延時(shí)50 ms， 隨后輸出電壓電源打開(kāi)。依據D/A輸出電壓值調理輸出電壓，然后到達輸出電壓精度接連可調的意圖。
從表中數據可得，該電源輸出電壓由1 kV～25 kV調理時(shí)，輸出電壓最大差錯為1.6%。具有輸出電壓精度高、接連可調、調整規模寬、功耗小等特色。
1 電路構造及作業(yè)原理
體系原理框圖如圖1所示。220 V溝通電經(jīng)過(guò)AC/DC開(kāi)關(guān)變換器，將溝通電壓變換為電壓為100 V的固定直流電，供后級電源運用。高頻變壓器在PWM驅動(dòng)電路驅動(dòng)下，將100 V的直流電變換成輸出電壓可調的高頻高壓的脈沖溝通電，經(jīng)過(guò)高壓整流電路整流后，由濾波器濾波，完成高壓直流輸出。因為輸出直流電壓較高,所以經(jīng)過(guò)特制的取樣電路對輸出電壓進(jìn)行取樣,再經(jīng)阻隔擴大器擴大后，送A/D變換電路及可控增益擴大器。單片機經(jīng)過(guò)A/D獲得直流高壓的取樣電壓,與設定值進(jìn)行比較；然后經(jīng)PID調理，輸出差錯信號送至可控增益擴大器，以調理差錯電壓;最后由差錯信號調理PWM操控器，操控輸出占空比，完成對輸出直流電壓的調理。
2 硬件電路設計
2.1 主拓撲電路設計
開(kāi)關(guān)電源拓撲構造有全橋、半橋、推挽等多種構造。該主電路選用半橋式拓撲構造。半橋拓撲構造具有構造簡(jiǎn)略、開(kāi)關(guān)管接受壓力小、抗不平衡能力強、不易直通等長(cháng)處。一起，變壓器初級在全部周期中都流過(guò)電流，磁芯運用充沛，且沒(méi)有偏磁的疑問(wèn)，所運用的功率開(kāi)關(guān)管耐壓請求較低，開(kāi)關(guān)管的飽滿(mǎn)壓降削減至最小，對輸入濾波電容運用電壓請求也較低。因而，半橋拓撲是中小功率電源常用的構造。主電路如圖2所示。
Q1、Q2為高反壓MOS管，它與電容C1、C2構成逆變電路,PWM輸出經(jīng)驅動(dòng)變壓器驅動(dòng)Q1、Q2。PWM輸出的驅動(dòng)電壓在驅動(dòng)變壓器兩頭設有死區時(shí)刻,有利于MOSFET管中電荷的消耗,起到維護MOSFET的效果。在Q1導通時(shí)，電源經(jīng)Q1、C0、T1對C2充電，一起對電容C3放電；Q2導通時(shí)，電源對經(jīng)過(guò)C1、T1、C0對C1充電，對C2放電。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，高壓變壓器初級上構成25 kHz的交變矩形波，經(jīng)過(guò)升壓整流后對負載供給高壓。經(jīng)過(guò)調理開(kāi)關(guān)管的占空比，可改動(dòng)輸出高壓值。R3、C3、R4、C4構成吸收電路，用來(lái)吸收高頻尖峰電壓，到達維護MOS管的效果。為避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導通時(shí)刻不對稱(chēng)導致高壓變壓器偏磁和直流磁飽滿(mǎn)，在電路中串入隔直電容C0來(lái)自動(dòng)平衡變壓器一次電壓側的直流重量。R1、R2作為平衡電阻，可使C1與C2充電電壓持平。
2.2 操控電路設計
操控電路由PWM操控、高壓采樣、可控增益擴大器、A/D及CPU等部分構成。
2.2.1 PWM操控電路
PWM操控電路是完成電壓調整的核心電路，對整機功能有較大的影響，所以選用性?xún)r(jià)比較高的SG3525，操控方法選用恒頻脈寬調制。
SG3525芯片內部供給5 V精細基準電壓，該電壓經(jīng)過(guò)R13、R12、R10分壓后經(jīng)電壓跟從器阻隔,送至內部差錯電壓擴大器的同相端，作為基準參閱電壓。R13、R12、R10選用金屬膜精細電阻，電壓跟從器可進(jìn)一步進(jìn)步參閱電壓精度。輸出的高壓直流電經(jīng)過(guò)高壓采樣電路變換為成份額的低壓取樣電壓，經(jīng)過(guò)可控增擴大器擴大，再由電壓跟從器送至SG3525差錯電壓擴大器的反相端。在基準電壓及反應電壓端均選用了電壓跟從器，可進(jìn)步PWM波的脈寬精度，然后非常好地保證輸出電壓精度。SG3525芯片振動(dòng)頻率的設定規模為15 kHz～35 kHz，其振動(dòng)頻率可表示為：
2.2.2 電壓調整與采樣電路
因為直流輸出電壓較高,不能直接采樣用于反應，該體系選用多個(gè)金屬膜功率電阻串聯(lián)構成電阻分壓采樣電路。RS為16只4 MΩ的2 W型電阻串聯(lián)，R12為采樣電阻,該電壓采樣電路用環(huán)氧樹(shù)脂密封在一個(gè)盒子內，能夠起到絕緣及維護效果。為避免分壓電阻在高電壓效果下因為高壓拉弧產(chǎn)生尖峰電壓而損壞電壓跟從器，在電壓跟從器輸入端參加瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)D5。R13、C11構成RC濾波電路。從采樣電阻兩頭取出的電壓信號經(jīng)電壓跟從器后經(jīng)過(guò)線(xiàn)性光耦I(lǐng)C2阻隔，送至IC3構成的電壓跟從器。線(xiàn)性光耦選用Agilent公司的HCNR200,能夠較好地完成阻隔，阻隔電壓峰值達8 000 V,輸出隨輸入變化，線(xiàn)性度達0.01%。
為了完成輸出電壓的接連可調，體系選用可控增益擴大器擴大差錯電壓信號。經(jīng)過(guò)改動(dòng)可控增益擴大器的增益，改動(dòng)送至SG3525反應端的電壓值，然后完成輸出電壓的可調。
可控增益擴大器由D/A變換器AD7520及運算擴大器OP07構成。AD7520是10 bit CMOS 數模變換器，選用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò )，模仿電子開(kāi)關(guān)為CMOS型，集成在芯片上。OP07運放與AD7520構成反相份額運算擴大器。依據反相份額運算擴大器的特色，擴大器擴大倍數為式所示：
3 體系軟件設計
體系軟件首要完成對輸出電壓的調整和顯示、軟啟動(dòng)、過(guò)壓和過(guò)流維護等。單片機上電或復位后，體系先進(jìn)行初始化，制止高壓輸出，延時(shí)50 ms， 隨后輸出電壓電源打開(kāi)。依據D/A輸出電壓值調理輸出電壓，然后到達輸出電壓精度接連可調的意圖。
從表中數據可得，該電源輸出電壓由1 kV～25 kV調理時(shí)，輸出電壓最大差錯為1.6%。具有輸出電壓精度高、接連可調、調整規模寬、功耗小等特色。
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