高精度連續(xù)可調(diào)高壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)
在醫(yī)用器械、離子加速器、安規(guī)測(cè)驗(yàn)、電子設(shè)備老化技術(shù)等領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì)應(yīng)用到小功率高壓可調(diào)電源。這類高壓電源既請(qǐng)求輸出電路精度高、電壓可調(diào)，一起又請(qǐng)求電源體系具有重量輕、呼應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高級(jí)特色。在現(xiàn)在的電源商場(chǎng)上，大多數(shù)電源輸出通常都在200 V 以內(nèi)，而輸出10 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(diào)的高電壓的電源商品更少。為此，研發(fā)了一種依據(jù)可控增益擴(kuò)大器的接連可調(diào)高壓開關(guān)電源。該電源輸出電壓可由1 kV~25 kV可調(diào)，輸出電流達(dá)1 mA。該電源具有體積小、穩(wěn)定性好、呼應(yīng)速度快等長(zhǎng)處，具有較廣闊的商場(chǎng)應(yīng)用遠(yuǎn)景。
1 電路構(gòu)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(jí)電源運(yùn)用。高頻變壓器在PWM驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下，將100 V的直流電變換成輸出電壓可調(diào)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?yàn)檩敵鲋绷麟妷狠^高,所以經(jīng)過(guò)特制的取樣電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行取樣,再經(jīng)阻隔擴(kuò)大器擴(kuò)大后，送A/D變換電路及可控增益擴(kuò)大器。單片機(jī)經(jīng)過(guò)A/D獲得直流高壓的取樣電壓,與設(shè)定值進(jìn)行比較；然后經(jīng)PID調(diào)理，輸出差錯(cuò)信號(hào)送至可控增益擴(kuò)大器，以調(diào)理差錯(cuò)電壓;最后由差錯(cuò)信號(hào)調(diào)理PWM操控器，操控輸出占空比，完成對(duì)輸出直流電壓的調(diào)理。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 主拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)
開關(guān)電源拓?fù)錁?gòu)造有全橋、半橋、推挽等多種構(gòu)造。該主電路選用半橋式拓?fù)錁?gòu)造。半橋拓?fù)錁?gòu)造具有構(gòu)造簡(jiǎn)略、開關(guān)管接受壓力小、抗不平衡能力強(qiáng)、不易直通等長(zhǎng)處。一起，變壓器初級(jí)在全部周期中都流過(guò)電流，磁芯運(yùn)用充沛，且沒(méi)有偏磁的疑問(wèn)，所運(yùn)用的功率開關(guān)管耐壓請(qǐng)求較低，開關(guān)管的飽滿壓降削減至最小，對(duì)輸入濾波電容運(yùn)用電壓請(qǐng)求也較低。因而，半橋拓?fù)涫侵行」β孰娫闯Ｓ玫臉?gòu)造。主電路如圖2所示。
Q1、Q2為高反壓MOS管，它與電容C1、C2構(gòu)成逆變電路,PWM輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)Q1、Q2。PWM輸出的驅(qū)動(dòng)電壓在驅(qū)動(dòng)變壓器兩頭設(shè)有死區(qū)時(shí)刻,有利于MOSFET管中電荷的消耗,起到維護(hù)MOSFET的效果。在Q1導(dǎo)通時(shí)，電源經(jīng)Q1、C0、T1對(duì)C2充電，一起對(duì)電容C3放電；Q2導(dǎo)通時(shí)，電源對(duì)經(jīng)過(guò)C1、T1、C0對(duì)C1充電，對(duì)C2放電。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，高壓變壓器初級(jí)上構(gòu)成25 kHz的交變矩形波，經(jīng)過(guò)升壓整流后對(duì)負(fù)載供給高壓。經(jīng)過(guò)調(diào)理開關(guān)管的占空比，可改動(dòng)輸出高壓值。R3、C3、R4、C4構(gòu)成吸收電路，用來(lái)吸收高頻尖峰電壓，到達(dá)維護(hù)MOS管的效果。為避免兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻不對(duì)稱導(dǎo)致高壓變壓器偏磁和直流磁飽滿，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(cè)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(shè)計(jì)
操控電路由PWM操控、高壓采樣、可控增益擴(kuò)大器、A/D及CPU等部分構(gòu)成。
2.2.1 PWM操控電路
PWM操控電路是完成電壓調(diào)整的核心電路，對(duì)整機(jī)功能有較大的影響，所以選用性價(jià)比較高的SG3525，操控方法選用恒頻脈寬調(diào)制。
SG3525芯片內(nèi)部供給5 V精細(xì)基準(zhǔn)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(nèi)部差錯(cuò)電壓擴(kuò)大器的同相端，作為基準(zhǔn)參閱電壓。R13、R12、R10選用金屬膜精細(xì)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(kuò)大器擴(kuò)大，再由電壓跟從器送至SG3525差錯(cuò)電壓擴(kuò)大器的反相端。在基準(zhǔn)電壓及反應(yīng)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(shè)定規(guī)模為15 kHz～35 kHz，其振動(dòng)頻率可表示為：
2.2.2 電壓調(diào)整與采樣電路
因?yàn)橹绷鬏敵鲭妷狠^高,不能直接采樣用于反應(yīng)，該體系選用多個(gè)金屬膜功率電阻串聯(lián)構(gòu)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)氧樹脂密封在一個(gè)盒子內(nèi)，能夠起到絕緣及維護(hù)效果。為避免分壓電阻在高電壓效果下因?yàn)楦邏豪‘a(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(gòu)成RC濾波電路。從采樣電阻兩頭取出的電壓信號(hào)經(jīng)電壓跟從器后經(jīng)過(guò)線性光耦I(lǐng)C2阻隔，送至IC3構(gòu)成的電壓跟從器。線性光耦選用Agilent公司的HCNR200,能夠較好地完成阻隔，阻隔電壓峰值達(dá)8 000 V,輸出隨輸入變化，線性度達(dá)0.01%。
為了完成輸出電壓的接連可調(diào)，體系選用可控增益擴(kuò)大器擴(kuò)大差錯(cuò)電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)改動(dòng)可控增益擴(kuò)大器的增益，改動(dòng)送至SG3525反應(yīng)端的電壓值，然后完成輸出電壓的可調(diào)。
可控增益擴(kuò)大器由D/A變換器AD7520及運(yùn)算擴(kuò)大器OP07構(gòu)成。AD7520是10 bit CMOS 數(shù)模變換器，選用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)，模仿電子開關(guān)為CMOS型，集成在芯片上。OP07運(yùn)放與AD7520構(gòu)成反相份額運(yùn)算擴(kuò)大器。依據(jù)反相份額運(yùn)算擴(kuò)大器的特色，擴(kuò)大器擴(kuò)大倍數(shù)為式所示：
3 體系軟件設(shè)計(jì)
體系軟件首要完成對(duì)輸出電壓的調(diào)整和顯示、軟啟動(dòng)、過(guò)壓和過(guò)流維護(hù)等。單片機(jī)上電或復(fù)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。依據(jù)D/A輸出電壓值調(diào)理輸出電壓，然后到達(dá)輸出電壓精度接連可調(diào)的意圖。
從表中數(shù)據(jù)可得，該電源輸出電壓由1 kV～25 kV調(diào)理時(shí)，輸出電壓最大差錯(cuò)為1.6%。具有輸出電壓精度高、接連可調(diào)、調(diào)整規(guī)模寬、功耗小等特色。
1 電路構(gòu)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(jí)電源運(yùn)用。高頻變壓器在PWM驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下，將100 V的直流電變換成輸出電壓可調(diào)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?yàn)檩敵鲋绷麟妷狠^高,所以經(jīng)過(guò)特制的取樣電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行取樣,再經(jīng)阻隔擴(kuò)大器擴(kuò)大后，送A/D變換電路及可控增益擴(kuò)大器。單片機(jī)經(jīng)過(guò)A/D獲得直流高壓的取樣電壓,與設(shè)定值進(jìn)行比較；然后經(jīng)PID調(diào)理，輸出差錯(cuò)信號(hào)送至可控增益擴(kuò)大器，以調(diào)理差錯(cuò)電壓;最后由差錯(cuò)信號(hào)調(diào)理PWM操控器，操控輸出占空比，完成對(duì)輸出直流電壓的調(diào)理。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 主拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)
開關(guān)電源拓?fù)錁?gòu)造有全橋、半橋、推挽等多種構(gòu)造。該主電路選用半橋式拓?fù)錁?gòu)造。半橋拓?fù)錁?gòu)造具有構(gòu)造簡(jiǎn)略、開關(guān)管接受壓力小、抗不平衡能力強(qiáng)、不易直通等長(zhǎng)處。一起，變壓器初級(jí)在全部周期中都流過(guò)電流，磁芯運(yùn)用充沛，且沒(méi)有偏磁的疑問(wèn)，所運(yùn)用的功率開關(guān)管耐壓請(qǐng)求較低，開關(guān)管的飽滿壓降削減至最小，對(duì)輸入濾波電容運(yùn)用電壓請(qǐng)求也較低。因而，半橋拓?fù)涫侵行」β孰娫闯Ｓ玫臉?gòu)造。主電路如圖2所示。
Q1、Q2為高反壓MOS管，它與電容C1、C2構(gòu)成逆變電路,PWM輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)變壓器驅(qū)動(dòng)Q1、Q2。PWM輸出的驅(qū)動(dòng)電壓在驅(qū)動(dòng)變壓器兩頭設(shè)有死區(qū)時(shí)刻,有利于MOSFET管中電荷的消耗,起到維護(hù)MOSFET的效果。在Q1導(dǎo)通時(shí)，電源經(jīng)Q1、C0、T1對(duì)C2充電，一起對(duì)電容C3放電；Q2導(dǎo)通時(shí)，電源對(duì)經(jīng)過(guò)C1、T1、C0對(duì)C1充電，對(duì)C2放電。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，高壓變壓器初級(jí)上構(gòu)成25 kHz的交變矩形波，經(jīng)過(guò)升壓整流后對(duì)負(fù)載供給高壓。經(jīng)過(guò)調(diào)理開關(guān)管的占空比，可改動(dòng)輸出高壓值。R3、C3、R4、C4構(gòu)成吸收電路，用來(lái)吸收高頻尖峰電壓，到達(dá)維護(hù)MOS管的效果。為避免兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻不對(duì)稱導(dǎo)致高壓變壓器偏磁和直流磁飽滿，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(cè)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(shè)計(jì)
操控電路由PWM操控、高壓采樣、可控增益擴(kuò)大器、A/D及CPU等部分構(gòu)成。
2.2.1 PWM操控電路
PWM操控電路是完成電壓調(diào)整的核心電路，對(duì)整機(jī)功能有較大的影響，所以選用性價(jià)比較高的SG3525，操控方法選用恒頻脈寬調(diào)制。
SG3525芯片內(nèi)部供給5 V精細(xì)基準(zhǔn)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(nèi)部差錯(cuò)電壓擴(kuò)大器的同相端，作為基準(zhǔn)參閱電壓。R13、R12、R10選用金屬膜精細(xì)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(kuò)大器擴(kuò)大，再由電壓跟從器送至SG3525差錯(cuò)電壓擴(kuò)大器的反相端。在基準(zhǔn)電壓及反應(yīng)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(shè)定規(guī)模為15 kHz～35 kHz，其振動(dòng)頻率可表示為：
2.2.2 電壓調(diào)整與采樣電路
因?yàn)橹绷鬏敵鲭妷狠^高,不能直接采樣用于反應(yīng)，該體系選用多個(gè)金屬膜功率電阻串聯(lián)構(gòu)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)氧樹脂密封在一個(gè)盒子內(nèi)，能夠起到絕緣及維護(hù)效果。為避免分壓電阻在高電壓效果下因?yàn)楦邏豪‘a(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(gòu)成RC濾波電路。從采樣電阻兩頭取出的電壓信號(hào)經(jīng)電壓跟從器后經(jīng)過(guò)線性光耦I(lǐng)C2阻隔，送至IC3構(gòu)成的電壓跟從器。線性光耦選用Agilent公司的HCNR200,能夠較好地完成阻隔，阻隔電壓峰值達(dá)8 000 V,輸出隨輸入變化，線性度達(dá)0.01%。
為了完成輸出電壓的接連可調(diào)，體系選用可控增益擴(kuò)大器擴(kuò)大差錯(cuò)電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)改動(dòng)可控增益擴(kuò)大器的增益，改動(dòng)送至SG3525反應(yīng)端的電壓值，然后完成輸出電壓的可調(diào)。
可控增益擴(kuò)大器由D/A變換器AD7520及運(yùn)算擴(kuò)大器OP07構(gòu)成。AD7520是10 bit CMOS 數(shù)模變換器，選用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)，模仿電子開關(guān)為CMOS型，集成在芯片上。OP07運(yùn)放與AD7520構(gòu)成反相份額運(yùn)算擴(kuò)大器。依據(jù)反相份額運(yùn)算擴(kuò)大器的特色，擴(kuò)大器擴(kuò)大倍數(shù)為式所示：
3 體系軟件設(shè)計(jì)
體系軟件首要完成對(duì)輸出電壓的調(diào)整和顯示、軟啟動(dòng)、過(guò)壓和過(guò)流維護(hù)等。單片機(jī)上電或復(fù)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。依據(jù)D/A輸出電壓值調(diào)理輸出電壓，然后到達(dá)輸出電壓精度接連可調(diào)的意圖。
從表中數(shù)據(jù)可得，該電源輸出電壓由1 kV～25 kV調(diào)理時(shí)，輸出電壓最大差錯(cuò)為1.6%。具有輸出電壓精度高、接連可調(diào)、調(diào)整規(guī)模寬、功耗小等特色。
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