高精度連續可調高壓開關電源的設計
在醫用器械、離子加速器、安規測驗、電子設備老化技術等領域中，經常會應用到小功率高壓可調電源。這類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。在現在的電源商場上，大多數電源輸出通常都在200 V 以內，而輸出10 kV 以上的電源根本都是一些大功率、高價位商品，且能完成輸出可調的高電壓的電源商品更少。為此，研發了一種依據可控增益擴大器的接連可調高壓開關電源。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、呼應速度快等長處，具有較廣闊的商場應用遠景。
1 電路構造及作業原理
體系原理框圖如圖1所示。220 V溝通電經過AC/DC開關變換器，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驅動電路驅動下，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，經過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,所以經過特制的取樣電路對輸出電壓進行取樣,再經阻隔擴大器擴大后，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
開關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略、開關管接受壓力小、抗不平衡能力強、不易直通等長處。一起，變壓器初級在全部周期中都流過電流，磁芯運用充沛，且沒有偏磁的疑問，所運用的功率開關管耐壓請求較低，開關管的飽滿壓降削減至最小，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輸出經驅動變壓器驅動Q1、Q2。PWM輸出的驅動電壓在驅動變壓器兩頭設有死區時刻,有利于MOSFET管中電荷的消耗,起到維護MOSFET的效果。在Q1導通時，電源經Q1、C0、T1對C2充電，一起對電容C3放電；Q2導通時，電源對經過C1、T1、C0對C1充電，對C2放電。在一個開關周期內，高壓變壓器初級上構成25 kHz的交變矩形波，經過升壓整流后對負載供給高壓。經過調理開關管的占空比，可改動輸出高壓值。R3、C3、R4、C4構成吸收電路，用來吸收高頻尖峰電壓，到達維護MOS管的效果。為避免兩個開關管導通時刻不對稱導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來自動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，所以選用性價比較高的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，該電壓經過R13、R12、R10分壓后經電壓跟從器阻隔,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，電壓跟從器可進一步進步參閱電壓精度。輸出的高壓直流電經過高壓采樣電路變換為成份額的低壓取樣電壓，經過可控增擴大器擴大，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芯片振動頻率的設定規模為15 kHz～35 kHz，其振動頻率可表示為：
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，該體系選用多個金屬膜功率電阻串聯構成電阻分壓采樣電路。RS為16只4 MΩ的2 W型電阻串聯，R12為采樣電阻,該電壓采樣電路用環氧樹脂密封在一個盒子內，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電壓跟從器后經過線性光耦IC2阻隔，送至IC3構成的電壓跟從器。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8 000 V,輸出隨輸入變化，線性度達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。經過改動可控增益擴大器的增益，改動送至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形電阻網絡，模仿電子開關為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、過壓和過流維護等。單片機上電或復位后，體系先進行初始化，制止高壓輸出，延時50 ms， 隨后輸出電壓電源打開。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，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 電路構造及作業原理
體系原理框圖如圖1所示。220 V溝通電經過AC/DC開關變換器，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驅動電路驅動下，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，經過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,所以經過特制的取樣電路對輸出電壓進行取樣,再經阻隔擴大器擴大后，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
開關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略、開關管接受壓力小、抗不平衡能力強、不易直通等長處。一起，變壓器初級在全部周期中都流過電流，磁芯運用充沛，且沒有偏磁的疑問，所運用的功率開關管耐壓請求較低，開關管的飽滿壓降削減至最小，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輸出經驅動變壓器驅動Q1、Q2。PWM輸出的驅動電壓在驅動變壓器兩頭設有死區時刻,有利于MOSFET管中電荷的消耗,起到維護MOSFET的效果。在Q1導通時，電源經Q1、C0、T1對C2充電，一起對電容C3放電；Q2導通時，電源對經過C1、T1、C0對C1充電，對C2放電。在一個開關周期內，高壓變壓器初級上構成25 kHz的交變矩形波，經過升壓整流后對負載供給高壓。經過調理開關管的占空比，可改動輸出高壓值。R3、C3、R4、C4構成吸收電路，用來吸收高頻尖峰電壓，到達維護MOS管的效果。為避免兩個開關管導通時刻不對稱導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來自動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，所以選用性價比較高的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，該電壓經過R13、R12、R10分壓后經電壓跟從器阻隔,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，電壓跟從器可進一步進步參閱電壓精度。輸出的高壓直流電經過高壓采樣電路變換為成份額的低壓取樣電壓，經過可控增擴大器擴大，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芯片振動頻率的設定規模為15 kHz～35 kHz，其振動頻率可表示為：
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，該體系選用多個金屬膜功率電阻串聯構成電阻分壓采樣電路。RS為16只4 MΩ的2 W型電阻串聯，R12為采樣電阻,該電壓采樣電路用環氧樹脂密封在一個盒子內，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電壓跟從器后經過線性光耦IC2阻隔，送至IC3構成的電壓跟從器。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8 000 V,輸出隨輸入變化，線性度達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。經過改動可控增益擴大器的增益，改動送至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形電阻網絡，模仿電子開關為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、過壓和過流維護等。單片機上電或復位后，體系先進行初始化，制止高壓輸出，延時50 ms， 隨后輸出電壓電源打開。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，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。
| 【上一個】 為開關電源提供了廣闊的發展空間 | 【下一個】 開關電源降噪用于高靈敏度的模擬電路 |
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