高精度連續(xù)可調(diào)高壓開關電源的設計
在醫(yī)用器械、離子加速器、安規(guī)測試、電子設備老化工藝等領域中，經(jīng)常會應用到小功率高壓可調(diào)電源。這類高壓電源既要求輸出電路精度高、電壓可調(diào)，同時又要求電源系統(tǒng)具有重量輕、響應速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點。在目前的電源市場上，大部分電源輸出一般都在200 V 以內(nèi)，而輸出10 kV 以上的電源基本都是一些大功率、高價位產(chǎn)品，且能實現(xiàn)輸出可調(diào)的高電壓的電源產(chǎn)品更少。為此，研制了一種基于可控增益放大器的連續(xù)可調(diào)高壓開關電源。該電源輸出電壓可由1 kV~25 kV可調(diào)，輸出電流達1 mA。該電源具有體積小、穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點，具有較廣闊的市場應用前景[1]。
1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。220 V交流電通過AC/DC開關變換器，將交流電壓變換為電壓為100 V的固定直流電，供后級電源使用。高頻變壓器在PWM驅(qū)動電路驅(qū)動下，將100 V的直流電轉(zhuǎn)換成輸出電壓可調(diào)的高頻高壓的脈沖交流電，經(jīng)過高壓整流電路整流后，由濾波器濾波，實現(xiàn)高壓直流輸出。由于輸出直流電壓較高,所以通過特制的取樣電路對輸出電壓進行取樣,再經(jīng)隔離放大器放大后，送A/D轉(zhuǎn)換電路及可控增益放大器。單片機通過A/D獲得直流高壓的取樣電壓,與設定值進行比較；然后經(jīng)PID調(diào)節(jié)，輸出誤差信號送至可控增益放大器，以調(diào)節(jié)誤差電壓;最后由誤差信號調(diào)節(jié)PWM控制器，控制輸出占空比，實現(xiàn)對輸出直流電壓的調(diào)節(jié)。
2 硬件電路設計
2.1 主拓撲電路設計
開關電源拓撲結(jié)構(gòu)有全橋、半橋、推挽等多種結(jié)構(gòu)。該主電路采用半橋式拓撲結(jié)構(gòu)。半橋拓撲結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、開關管承受壓力小、抗不平衡能力強、不易直通等優(yōu)點。同時，變壓器初級在整個周期中都流過電流，磁芯利用充分，且沒有偏磁的問題，所使用的功率開關管耐壓要求較低，開關管的飽和壓降減少至最小，對輸入濾波電容使用電壓要求也較低。因此，半橋拓撲是中小功率電源常用的結(jié)構(gòu)。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)動變壓器驅(qū)動Q1、Q2。PWM輸出的驅(qū)動電壓在驅(qū)動變壓器兩端設有死區(qū)時間,有利于MOSFET管中電荷的消耗,起到保護MOSFET的作用。在Q1導通時，電源經(jīng)Q1、C0、T1對C2充電，同時對電容C3放電；Q2導通時，電源對通過C1、T1、C0對C1充電，對C2放電。在一個開關周期內(nèi)，高壓變壓器初級上形成25 kHz的交變矩形波，經(jīng)過升壓整流后對負載提供高壓。通過調(diào)節(jié)開關管的占空比，可改變輸出高壓值。R3、C3、R4、C4構(gòu)成吸收電路，用來吸收高頻尖峰電壓，達到保護MOS管的作用。為防止兩個開關管導通時間不對稱引起高壓變壓器偏磁和直流磁飽和，在電路中串入隔直電容C0來自動平衡變壓器一次電壓側(cè)的直流分量。R1、R2作為平衡電阻，可使C1與C2充電電壓相等[2]。
2.2 控制電路設計
控制電路由PWM控制、高壓采樣、可控增益放大器、A/D及CPU等部分組成。
2.2.1 PWM控制電路
PWM控制電路是實現(xiàn)電壓調(diào)整的核心電路，對整機性能有較大的影響，所以采用性價比較高的SG3525，控制方式采用恒頻脈寬調(diào)制。PWM控制電路如圖3所示。
SG3525芯片內(nèi)部提供5 V精密基準電壓，該電壓通過R13、R12、R10分壓后經(jīng)電壓跟隨器隔離,送至內(nèi)部誤差電壓放大器的同相端，作為基準參考電壓。R13、R12、R10選用金屬膜精密電阻，電壓跟隨器可進一步提高參考電壓精度。輸出的高壓直流電通過高壓采樣電路轉(zhuǎn)換為成比例的低壓取樣電壓，通過可控增放大器放大，再由電壓跟隨器送至SG3525誤差電壓放大器的反相端。在基準電壓及反饋電壓端均采用了電壓跟隨器，可提高PWM波的脈寬精度，從而更好地保證輸出電壓精度。SG3525芯片振蕩頻率的設定范圍為15 kHz～35 kHz，其振蕩頻率可表示為：
2.2.2 電壓調(diào)整與采樣電路
由于直流輸出電壓較高,不能直接采樣用于反饋，該系統(tǒng)采用多個金屬膜功率電阻串聯(lián)構(gòu)成電阻分壓采樣電路，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中,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)氧樹脂密封在一個盒子內(nèi)，可以起到絕緣及保護作用。為防止分壓電阻在高電壓作用下由于高壓拉弧產(chǎn)生尖峰電壓而損壞電壓跟隨器，在電壓跟隨器輸入端加入瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)D5。R13、C11組成RC濾波電路。從采樣電阻兩端取出的電壓信號經(jīng)電壓跟隨器后通過線性光耦IC2隔離，送至IC3組成的電壓跟隨器。線性光耦選用Agilent公司的HCNR200,可以較好地實現(xiàn)隔離，隔離電壓峰值達8 000 V,輸出隨輸入變化，線性度達0.01%[4]。
為了實現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)可調(diào)，系統(tǒng)采用可控增益放大器放大誤差電壓信號。通過改變可控增益放大器的增益，改變送至SG3525反饋端的電壓值，從而實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。
可控增益放大器由D/A轉(zhuǎn)換器AD7520及運算放大器OP07組成。AD7520是10 bit CMOS 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用倒T形電阻網(wǎng)絡，模擬電子開關為CMOS型，集成在芯片上。在圖4所示電路中，OP07運放與AD7520組成反相比例運算放大器。根據(jù)反相比例運算放大器的特點，放大器放大倍數(shù)為式(2)所示：
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件主要完成對輸出電壓的調(diào)整和顯示、軟啟動、過壓和過流保護等。系統(tǒng)主流程如圖6所示。單片機上電或復位后，系統(tǒng)先進行初始化，禁止高壓輸出，延時50 ms， 隨后輸出電壓電源打開。根據(jù)D/A輸出電壓值調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達到輸出電壓精度連續(xù)可調(diào)的目的。
從表中數(shù)據(jù)可得，該電源輸出電壓由1 kV～25 kV調(diào)節(jié)時，輸出電壓最大誤差為1.6%。具有輸出電壓精度高、連續(xù)可調(diào)、調(diào)整范圍寬、功耗小等特點。
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