高精度连续可调高压开关电源的设计

    在医用器械、离子加速器、安规测验、电子设备老化技术等领域中,经常会应用到小功率高压可调电源。这类高压电源既请求输出电路精度高、电压可调,一起又请求电源体系具有重量轻、呼应速度快、稳定性好、可靠性高级特色。在现在的电源商场上,大多数电源输出通常都在200 V 以内,而输出10 kV 以上的电源根本都是一些大功率、高价位商品,且能完成输出可调的高电压的电源商品更少。为此,研发了一种依据可控增益扩大器的接连可调高压开关电源。该电源输出电压可由1 kV~25 kV可调,输出电流达1 mA。该电源具有体积小、稳定性好、呼应速度快等长处,具有较广阔的商场应用远景。
1 电路构造及作业原理
    体系原理框图如图1所示。220 V沟通电经过AC/DC开关变换器,将沟通电压变换为电压为100 V的固定直流电,供后级电源运用。高频变压器在PWM驱动电路驱动下,将100 V的直流电变换成输出电压可调的高频高压的脉冲沟通电,经过高压整流电路整流后,由滤波器滤波,完成高压直流输出。因为输出直流电压较高,所以经过特制的取样电路对输出电压进行取样,再经阻隔扩大器扩大后,送A/D变换电路及可控增益扩大器。单片机经过A/D获得直流高压的取样电压,与设定值进行比较;然后经PID调理,输出差错信号送至可控增益扩大器,以调理差错电压;最后由差错信号调理PWM操控器,操控输出占空比,完成对输出直流电压的调理。
2 硬件电路设计
2.1 主拓扑电路设计
    开关电源拓扑构造有全桥、半桥、推挽等多种构造。该主电路选用半桥式拓扑构造。半桥拓扑构造具有构造简略、开关管接受压力小、抗不平衡能力强、不易直通等长处。一起,变压器初级在全部周期中都流过电流,磁芯运用充沛,且没有偏磁的疑问,所运用的功率开关管耐压请求较低,开关管的饱满压降削减至最小,对输入滤波电容运用电压请求也较低。因而,半桥拓扑是中小功率电源常用的构造。主电路如图2所示。
    Q1、Q2为高反压MOS管,它与电容C1、C2构成逆变电路,PWM输出经驱动变压器驱动Q1、Q2。PWM输出的驱动电压在驱动变压器两头设有死区时刻,有利于MOSFET管中电荷的消耗,起到维护MOSFET的效果。在Q1导通时,电源经Q1、C0、T1对C2充电,一起对电容C3放电;Q2导通时,电源对经过C1、T1、C0对C1充电,对C2放电。在一个开关周期内,高压变压器初级上构成25 kHz的交变矩形波,经过升压整流后对负载供给高压。经过调理开关管的占空比,可改动输出高压值。R3、C3、R4、C4构成吸收电路,用来吸收高频尖峰电压,到达维护MOS管的效果。为避免两个开关管导通时刻不对称导致高压变压器偏磁和直流磁饱满,在电路中串入隔直电容C0来自动平衡变压器一次电压侧的直流重量。R1、R2作为平衡电阻,可使C1与C2充电电压持平。
2.2 操控电路设计
    操控电路由PWM操控、高压采样、可控增益扩大器、A/D及CPU等部分构成。
2.2.1 PWM操控电路
    PWM操控电路是完成电压调整的核心电路,对整机功能有较大的影响,所以选用性价比较高的SG3525,操控方法选用恒频脉宽调制。
    SG3525芯片内部供给5 V精细基准电压,该电压经过R13、R12、R10分压后经电压跟从器阻隔,送至内部差错电压扩大器的同相端,作为基准参阅电压。R13、R12、R10选用金属膜精细电阻,电压跟从器可进一步进步参阅电压精度。输出的高压直流电经过高压采样电路变换为成份额的低压取样电压,经过可控增扩大器扩大,再由电压跟从器送至SG3525差错电压扩大器的反相端。在基准电压及反应电压端均选用了电压跟从器,可进步PWM波的脉宽精度,然后非常好地保证输出电压精度。SG3525芯片振动频率的设定规模为15 kHz~35 kHz,其振动频率可表示为:
 
2.2.2 电压调整与采样电路
     因为直流输出电压较高,不能直接采样用于反应,该体系选用多个金属膜功率电阻串联构成电阻分压采样电路。RS为16只4 MΩ的2 W型电阻串联,R12为采样电阻,该电压采样电路用环氧树脂密封在一个盒子内,能够起到绝缘及维护效果。为避免分压电阻在高电压效果下因为高压拉弧产生尖峰电压而损坏电压跟从器,在电压跟从器输入端参加瞬态电压抑制器(TVS)D5。R13、C11构成RC滤波电路。从采样电阻两头取出的电压信号经电压跟从器后经过线性光耦IC2阻隔,送至IC3构成的电压跟从器。线性光耦选用Agilent公司的HCNR200,能够较好地完成阻隔,阻隔电压峰值达8 000 V,输出随输入变化,线性度达0.01%。
 为了完成输出电压的接连可调,体系选用可控增益扩大器扩大差错电压信号。经过改动可控增益扩大器的增益,改动送至SG3525反应端的电压值,然后完成输出电压的可调。
 可控增益扩大器由D/A变换器AD7520及运算扩大器OP07构成。AD7520是10 bit CMOS 数模变换器,选用倒T形电阻网络,模仿电子开关为CMOS型,集成在芯片上。OP07运放与AD7520构成反相份额运算扩大器。依据反相份额运算扩大器的特色,扩大器扩大倍数为式所示:
 
3 体系软件设计
    体系软件首要完成对输出电压的调整和显示、软启动、过压和过流维护等。单片机上电或复位后,体系先进行初始化,制止高压输出,延时50 ms, 随后输出电压电源打开。依据D/A输出电压值调理输出电压,然后到达输出电压精度接连可调的意图。
    从表中数据可得,该电源输出电压由1 kV~25 kV调理时,输出电压最大差错为1.6%。具有输出电压精度高、接连可调、调整规模宽、功耗小等特色。

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