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)試、電子設(shè)備老化工藝等領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì)應(yīng)用到小功率高壓可調(diào)電源。這類高壓電源既要求輸出電路精度高、電壓可調(diào)，同時(shí)又要求電源系統(tǒng)具有重量輕、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。在目前的電源市場(chǎng)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(jià)位產(chǎn)品，且能實(shí)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(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、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，具有較廣闊的市場(chǎng)應(yīng)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(guān)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(jí)電源使用。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(shí)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(duì)輸出電壓進(jìn)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(jī)通過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)節(jié)，輸出誤差信號(hào)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(hào)調(diào)節(jié)PWM控制器，控制輸出占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出直流電壓的調(diào)節(jié)。
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)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)管承受壓力小、抗不平衡能力強(qiáng)、不易直通等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，變壓器初級(jí)在整個(gè)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(guān)管耐壓要求較低，開關(guān)管的飽和壓降減少至最小，對(duì)輸入濾波電容使用電壓要求也較低。因此，半橋拓?fù)涫侵行」β孰娫闯Ｓ玫慕Y(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(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)變壓器兩端設(shè)有死區(qū)時(shí)間,有利于MOSFET管中電荷的消耗,起到保護(hù)MOSFET的作用。在Q1導(dǎo)通時(shí)，電源經(jīng)Q1、C0、T1對(duì)C2充電，同時(shí)對(duì)電容C3放電；Q2導(dǎo)通時(shí)，電源對(duì)通過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)上形成25 kHz的交變矩形波，經(jīng)過升壓整流后對(duì)負(fù)載提供高壓。通過調(diào)節(jié)開關(guān)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(dá)到保護(hù)MOS管的作用。為防止兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)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(dòng)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(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整的核心電路，對(duì)整機(jī)性能有較大的影響，所以采用性價(jià)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(zhǔn)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(zhǔn)參考電壓。R13、R12、R10選用金屬膜精密電阻，電壓跟隨器可進(jìn)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(zhǔn)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(shè)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(gè)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(gè)盒子內(nèi)，可以起到絕緣及保護(hù)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(hào)經(jīng)電壓跟隨器后通過線性光耦I(lǐng)C2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(shí)現(xiàn)隔離，隔離電壓峰值達(dá)8 000 V,輸出隨輸入變化，線性度達(dá)0.01%[4]。
為了實(shí)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(hào)。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(shí)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(yùn)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(luò)，模擬電子開關(guān)為CMOS型，集成在芯片上。在圖4所示電路中，OP07運(yùn)放與AD7520組成反相比例運(yùn)算放大器。根據(jù)反相比例運(yùn)算放大器的特點(diǎn)，放大器放大倍數(shù)為式(2)所示：
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)輸出電壓的調(diào)整和顯示、軟啟動(dòng)、過壓和過流保護(hù)等。系統(tǒng)主流程如圖6所示。單片機(jī)上電或復(fù)位后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，禁止高壓輸出，延時(shí)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(dá)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(shí)，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(diǎn)。
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