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、安规测试、电子设备老化工艺等领域中,经常会应用到小功率高压可调电源。这类高压电源既要求输出电路精度高、电压可调,同时又要求电源系统具有重量轻、响应速度快、稳定性好、可靠性高等特点。在目前的电源市场上,大部分电源输出一般都在200 V 以内,而输出10 kV 以上的电源基本都是一些大功率、高价位产品,且能实现输出可调的高电压的电源产品更少。为此,研制了一种基于可控增益放大器的连续可调高压开关电源。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、响应速度快等优点,具有较广阔的市场应用前景[1]。
1 电路结构及工作原理
    系统原理框图如图1所示。220 V交流电通过AC/DC开关变换器,将交流电压变换为电压为100 V的固定直流电,供后级电源使用。高频变压器在PWM驱动电路驱动下,将100 V的直流电转换成输出电压可调的高频高压的脉冲交流电,经过高压整流电路整流后,由滤波器滤波,实现高压直流输出。由于输出直流电压较高,所以通过特制的取样电路对输出电压进行取样,再经隔离放大器放大后,送A/D转换电路及可控增益放大器。单片机通过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调节,输出误差信号送至可控增益放大器,以调节误差电压;最后由误差信号调节PWM控制器,控制输出占空比,实现对输出直流电压的调节。

2 硬件电路设计
2.1 主拓扑电路设计
    开关电源拓扑结构有全桥、半桥、推挽等多种结构。该主电路采用半桥式拓扑结构。半桥拓扑结构具有结构简单、开关管承受压力小、抗不平衡能力强、不易直通等优点。同时,变压器初级在整个周期中都流过电流,磁芯利用充分,且没有偏磁的问题,所使用的功率开关管耐压要求较低,开关管的饱和压降减少至最小,对输入滤波电容使用电压要求也较低。因此,半桥拓扑是中小功率电源常用的结构。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端设有死区时间,有利于MOSFET管中电荷的消耗,起到保护MOSFET的作用。在Q1导通时,电源经Q1、C0、T1对C2充电,同时对电容C3放电;Q2导通时,电源对通过C1、T1、C0对C1充电,对C2放电。在一个开关周期内,高压变压器初级上形成25 kHz的交变矩形波,经过升压整流后对负载提供高压。通过调节开关管的占空比,可改变输出高压值。R3、C3、R4、C4构成吸收电路,用来吸收高频尖峰电压,达到保护MOS管的作用。为防止两个开关管导通时间不对称引起高压变压器偏磁和直流磁饱和,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分量。R1、R2作为平衡电阻,可使C1与C2充电电压相等[2]。
2.2 控制电路设计
    控制电路由PWM控制、高压采样、可控增益放大器、A/D及CPU等部分组成。
2.2.1 PWM控制电路
    PWM控制电路是实现电压调整的核心电路,对整机性能有较大的影响,所以采用性价比较高的SG3525,控制方式采用恒频脉宽调制。PWM控制电路如图3所示。

    SG3525芯片内部提供5 V精密基准电压,该电压通过R13、R12、R10分压后经电压跟随器隔离,送至内部误差电压放大器的同相端,作为基准参考电压。R13、R12、R10选用金属膜精密电阻,电压跟随器可进一步提高参考电压精度。输出的高压直流电通过高压采样电路转换为成比例的低压取样电压,通过可控增放大器放大,再由电压跟随器送至SG3525误差电压放大器的反相端。在基准电压及反馈电压端均采用了电压跟随器,可提高PWM波的脉宽精度,从而更好地保证输出电压精度。SG3525芯片振荡频率的设定范围为15 kHz~35 kHz,其振荡频率可表示为:
 
2.2.2 电压调整与采样电路
     由于直流输出电压较高,不能直接采样用于反馈,该系统采用多个金属膜功率电阻串联构成电阻分压采样电路,电路结构如图4所示。图中,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,可以起到绝缘及保护作用。为防止分压电阻在高电压作用下由于高压拉弧产生尖峰电压而损坏电压跟随器,在电压跟随器输入端加入瞬态电压抑制器(TVS)D5。R13、C11组成RC滤波电路。从采样电阻两端取出的电压信号经电压跟随器后通过线性光耦IC2隔离,送至IC3组成的电压跟随器。线性光耦选用Agilent公司的HCNR200,可以较好地实现隔离,隔离电压峰值达8 000 V,输出随输入变化,线性度达0.01%[4]。

 为了实现输出电压的连续可调,系统采用可控增益放大器放大误差电压信号。通过改变可控增益放大器的增益,改变送至SG3525反馈端的电压值,从而实现输出电压的可调。
 可控增益放大器由D/A转换器AD7520及运算放大器OP07组成。AD7520是10 bit CMOS 数模转换器,采用倒T形电阻网络,模拟电子开关为CMOS型,集成在芯片上。在图4所示电路中,OP07运放与AD7520组成反相比例运算放大器。根据反相比例运算放大器的特点,放大器放大倍数为式(2)所示:
 
3 系统软件设计
 

    系统软件主要完成对输出电压的调整和显示、软启动、过压和过流保护等。系统主流程如图6所示。单片机上电或复位后,系统先进行初始化,禁止高压输出,延时50 ms, 随后输出电压电源打开。根据D/A输出电压值调节输出电压,从而达到输出电压精度连续可调的目的。

    从表中数据可得,该电源输出电压由1 kV~25 kV调节时,输出电压最大误差为1.6%。具有输出电压精度高、连续可调、调整范围宽、功耗小等特点。


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