基于单片机的高压驱动电源设计

 

    压电陶瓷作为一种微位移器件,在精密工程应用领域里有着广泛的应用前景。压电陶瓷材料的工作特性很大程度上取决于驱动电源的性能,驱动电源必须输出稳定性好的高幅值电压,并具有较好的动态性能,可适应外界条件的突变。传统的高压驱动电源通常以模拟脉宽调制芯片为核心控制开关电路、整流电路等完成稳定电压输出。随着数字控制技术的发展,单片机、数字信号处理器等数字芯片也逐渐参与到开关电源的设计,带来了可编程性、高集成度、高扩展性等优点。本文提出了一种基于MC68HC9O8JK3芯片的高压开关电源,在低压(9~18V)输入下能输出高精度频率可调输出电压,可满足压电陶瓷驱动电源的应用需求。

    高压开关电源的设计

    高压电源输入9~18V,输出150V方波电压,频率可控。电路结构采用单片机控制开关电源的方式,原理框图如图1所示。主功率回路采用准谐振反激式开关电源拓扑结构,控制芯片为MC33O60,直流电压经H桥逆变电路转换后得到150V方波电压。负载电压和电流采样信号经A/D转换后,输入单片机(MCU)控制芯片MC68HC908JK3,单片机根据软件算法完成恒流或恒压控制,同时输出频率可调的驱动信号到H桥逆变电路,实现直流电压到方波信号的转换。电路以MCU芯片为控制核心,不仅能完成高精度精确的受控电压和电流输出,还能实现过压保护、过流保护、上位机通讯等一些重要的辅助功能。

    反激式开关变换电路,MC33060是低功耗固定频率的脉宽调制(PWM)控制芯片,内部集成了振荡器、误差放大器、5V基准源等,主要用来实现单端电压模式控制。开关管Q1导通时,输入向变压器储能,次级整流管D1处于关断状态;Q1关断时,整流管D1导通,变压器储能输出到次级,为C4充电。振荡电阻R1、振荡电容C3与内部振荡器一起产生振荡三角波,振荡波形与引脚3接收的MCU电压基准信号比较,产生PWM信号驱动功率开关管Q1。为了降低开关管和整流管的电压应力,输出采用了倍压整流电路结构,通过整流管D1、D2和电容C4、C5实现了二倍压整流。 


    尽管反激式主回路具有结构简单,成本低等优点,但在高压输出下,其电压尖峰高和纹波噪声大显得更突出。为了减少高压电源的输出纹波噪声,电路设计引入了准谐振技术,使反激变换器工作在软开关状态,从而降低电磁干扰噪声(EMI),提高电源转换效率。
 

    准谐振反激式变换器的工作频率为:

 MCU控制电路核心采用MC68HC908芯片,其内

引言

   压电陶瓷作为一种微位移器件,在精密工程应用领域里有着广泛的应用前景。压电陶瓷材料的工作特性很大程度上取决于驱动电源的性能,驱动电源必须输出稳定性好的高幅值电压,并具有较好的动态性能,可适应外界条件的突变。传统的高压驱动电源通常以模拟脉宽调制芯片为核心控制开关电路、整流电路等完成稳定电压输出。随着数字控制技术的发展,单片机、数字信号处理器等数字芯片也逐渐参与到开关电源的设计,带来了可编程性、高集成度、高扩展性等优点。本文提出了一种基于MC68HC9O8JK3芯片的高压开关电源,在低压(9~18V)输入下能输出高精度频率可调输出电压,可满足压电陶瓷驱动电源的应用需求。

    1高压开关电源的设计

    高压电源输入9~18V,输出150V方波电压,频率可控。电路结构采用单片机控制开关电源的方式,原理框图如图1所示。主功率回路采用准谐振反激式开关电源拓扑结构,控制芯片为MC33O60,直流电压经H桥逆变电路转换后得到150V方波电压。负载电压和电流采样信号经A/D转换后,输入单片机(MCU)控制芯片MC68HC908JK3,单片机根据软件算法完成恒流或恒压控制,同时输出频率可调的驱动信号到H桥逆变电路,实现直流电压到方波信号的转换。电路以MCU芯片为控制核心,不仅能完成高精度精确的受控电压和电流输出,还能实现过压保护、过流保护、上位机通讯等一些重要的辅助功能。

    反激式开关变换电路,MC33060是低功耗固定频率的脉宽调制(PWM)控制芯片,内部集成了振荡器、误差放大器、5V基准源等,主要用来实现单端电压模式控制。开关管Q1导通时,输入向变压器储能,次级整流管D1处于关断状态;Q1关断时,整流管D1导通,变压器储能输出到次级,为C4充电。振荡电阻R1、振荡电容C3与内部振荡器一起产生振荡三角波,振荡波形与引脚3接收的MCU电压基准信号比较,产生PWM信号驱动功率开关管Q1。为了降低开关管和整流管的电压应力,输出采用了倍压整流电路结构,通过整流管D1、D2和电容C4、C5实现了二倍压整流。 


    尽管反激式主回路具有结构简单,成本低等优点,但在高压输出下,其电压尖峰高和纹波噪声大显得更突出。为了减少高压电源的输出纹波噪声,电路设计引入了准谐振技术,使反激变换器工作在软开关状态,从而降低电磁干扰噪声(EMI),提高电源转换效率。
 

    准谐振反激式变换器的工作频率为:

 MCU控制电路核心采用MC68HC908芯片,其内部总线速度8M,集成了12路8位模数转换器(ADc)、4kFlash存储器、2通道16位定时器等模块,控制电路如图3所示。电压电流采样信号经信号调理电路处理后,输入到单片机的ADC端口引脚6和引脚8,得到采样信号的数字量值。内置的算法程序进行计算处理后,生成电压基准值,经D/A变换器处理由引脚l9输出电压基准信号给电源管理芯片MC33060。如果输入电压、负载环境发生变化,单片机根据采样信号的偏差计算,将实时改变电压基准值,从而调整PWM信号的频率和脉宽,稳定输出电压。单片机内部的定时器产生两路PWM驱动信号DR1和DR2,由引脚9、10输出到H桥逆变电路驱动功率管。

 

    H桥逆变电路如图4所示。DR1和DR2为2路反相驱动信号,由单片机的定时器模块输出。DR驱动功率管Q2、Q5导通时,DR2驱动功率管Q3、Q4关断,负载供电150V;DR1驱动Q2、Q5关断时,DR2驱动Q3、Q4导通,负载供电-150V。因此,输入直流电压经H桥电路作用后,在负载两端形成方波交流波形,改变定时器程序设置的频率参数就可调节方波电压的工作频率。为了减少功率管关断瞬间产生的电压尖峰,4个开关管都并联了滤波电容。

 

部总线速度8M,集成了12路8位模数转换器(ADc)、4kFlash存储器、2通道16位定时器等模块,控制电路如图3所示。电压电流采样信号经信号调理电路处理后,输入到单片机的ADC端口引脚6和引脚8,得到采样信号的数字量值。内置的算法程序进行计算处理后,生成电压基准值,经D/A变换器处理由引脚l9输出电压基准信号给电源管理芯片MC33060。如果输入电压、负载环境发生变化,单片机根据采样信号的偏差计算,将实时改变电压基准值,从而调整PWM信号的频率和脉宽,稳定输出电压。单片机内部的定时器产生两路PWM驱动信号DR1和DR2,由引脚9、10输出到H桥逆变电路驱动功率管。

    H桥逆变电路如图4所示。DR1和DR2为2路反相驱动信号,由单片机的定时器模块输出。DR驱动功率管Q2、Q5导通时,DR2驱动功率管Q3、Q4关断,负载供电150V;DR1驱动Q2、Q5关断时,DR2驱动Q3、Q4导通,负载供电-150V。因此,输入直流电压经H桥电路作用后,在负载两端形成方波交流波形,改变定时器程序设置的频率参数就可调节方波电压的工作频率。为了减少功率管关断瞬间产生的电压尖峰,4个开关管都并联了滤波电容。

 


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