高壓開(kāi)關(guān)電源的設計方案

高壓開(kāi)關(guān)電源設計方案

針對精密電子設備中所要求的高電壓、低電流的小功率電源系統，設計制作了一種高壓開(kāi)關(guān)電源。并對高壓電源的響應特性進(jìn)行了測試。制作出的電源系統具有體積小、穩定性好、響應速度快等特點(diǎn)。

1、引 言

在復印設備、醫學(xué)儀器等精密電子系統中，廣泛使用高電壓、低電流的小功率電源[1]。同時(shí)要求電源系統具有重量輕、響應速度快、穩定性好、可靠性高等特點(diǎn)。為了上述滿(mǎn)足精密電子系統的要求，設計制作了一種新型高壓開(kāi)關(guān)電源。該電源具有穩定性好、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛應用于復印設備、醫學(xué)儀器等精密電子系統中。

2、電路原理

系統原理框圖如圖1所示。高壓電源的輸入信號來(lái)自220V的交流市電，經(jīng)整流濾波后與PWM脈沖調制器的輸出信號一起驅動(dòng)高頻變壓器，通過(guò)高頻變壓器得到的高壓電源再經(jīng)整流濾波后，輸出直流高壓。輸出反饋信號經(jīng)光電隔離后反饋給脈沖調制器，通過(guò)與脈沖調制器中誤差放大器的基準電壓比較，控制脈沖調制器的輸出占空比，以調節輸出電壓。

圖1 系統原理框圖

3、電路設計要點(diǎn)

3.1 PWM控制電路

系統采用的PWM調制器為SG3524型號[4]的芯片，電路如圖2所示。在芯片的電源信號入口端并聯(lián)一電容C2構成一個(gè)軟啟動(dòng)電路。設計軟啟動(dòng)電路的目的是防止在電源突然開(kāi)通時(shí)產(chǎn)生的過(guò)大電流對芯片造成沖擊。在剛通電時(shí)，電容兩端電壓不能突變，它的電壓隨外部電源對其充電而逐漸升高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。這樣保證了輸入電壓緩慢地建立起來(lái)，確保芯片不受損壞。輸出電路的開(kāi)關(guān)功率管選用MOS功率管。由于功率管是在高頻狀態(tài)下工作會(huì )產(chǎn)生振蕩。為了消除這種寄生振蕩，應盡量減少與功率管各管腳的連線(xiàn)長(cháng)度，特別是柵極引線(xiàn)的長(cháng)度。若無(wú)法減少其長(cháng)度，可以串聯(lián)小電阻，且盡量靠近管子柵極。圖中R3既是功率管的柵極限流電阻，又與R4一起消除功率管工作時(shí)產(chǎn)生的寄生振蕩。

圖2 PWM電路圖

3.2 變壓器驅動(dòng)電路

高壓變壓器驅動(dòng)電路見(jiàn)圖3。

圖3 高壓變壓器驅動(dòng)電路

驅動(dòng)電路采用單端驅動(dòng)工作方式，這種電路簡(jiǎn)單、工作可靠性高。功率管由來(lái)自SG3524芯片的信號驅動(dòng)。11、14腳的單端并聯(lián)輸出。當SG3524輸出高電平時(shí)，功率管導通，在電感L中儲能；輸出低電平時(shí)，功率管截止，導致流過(guò)電感L上的電流突然下降為零，L產(chǎn)生反電勢。該反電勢的脈沖電壓加在高頻變壓器的輸入端，驅動(dòng)變壓器工作。同時(shí)，電感L作變壓器的阻抗匹配元件。

由高頻變壓器輸出的交流電壓經(jīng)二極管VD2、VD3進(jìn)行整流倍壓后，再經(jīng)C2濾波，得到高壓輸出。

3.3 采樣反饋電路

反饋回路中，對輸出電壓信號的取樣，采用在輸出端并聯(lián)電阻，再將高壓經(jīng)電阻串聯(lián)衰減的方法實(shí)現。

R3、R4、RW為電壓取樣反饋電阻。電壓經(jīng)隔離反饋后，從SG3524芯片的1腳輸入，控制占空比，進(jìn)而調節輸出電壓，達到穩壓的目的。其穩壓原理是：若輸出電壓偏高，采樣反饋的信號也偏高，與SG3524中誤差放大器的基準電壓比較后的電壓偏低，導致占空比的寬度變窄，引起輸出電壓下降；反之亦然。RW是可調電阻，通過(guò)調節RW來(lái)調節輸出電壓。

4、性能測試

系統的輸出電壓通過(guò)取樣電阻RW來(lái)調節，改變可變電阻的值可以改變輸出電壓。圖4是取樣電阻RW為20kΩ時(shí)的輸出電壓波形圖。由圖中可以看出，輸出電壓從0V上升到5kV的響應時(shí)間為0.5s左右，電源系統具有較快的響應速度。同時(shí)，由圖（b）中的電壓波形局部放大圖可見(jiàn)，輸出電壓為5000V時(shí)，其最大電壓波動(dòng)小于5%。

(a) 輸出電壓響應圖 (b) 電壓波形局部放大

圖4 可變電阻為20kΩ時(shí)的電壓輸出波形圖

當RW調節至10kΩ時(shí)，電壓輸出如圖5，此時(shí)輸出電壓約為2500V。與圖4（a）比較可以看出，此時(shí)高壓電源的響應速度有所提高，而穩定性基本不變。同時(shí)，由圖4與圖5還可以看出，輸出電壓與調節電阻成線(xiàn)性關(guān)系，高壓電源具有良好的可控性。

圖5 可變電阻為10kΩ時(shí)的電壓輸出波形圖

5、結 論

采用單端反激式變換器，設計制作了一高壓開(kāi)關(guān)電源。通過(guò)對所制作電源的性能測試可以得出，此高壓開(kāi)關(guān)電源具有體積小、穩定性好、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)。能廣泛應用于要求高電壓、低電流的小型電源系統中。

參考文獻

[1] 陳緒勝。SH412高壓開(kāi)關(guān)電源的設計。微電子學(xué)，1996，26（2）：75-78

[2] 戴曉明，李振國。新型高壓開(kāi)關(guān)電源的研制。原子能科學(xué)技術(shù)，2000，34（2）：125-127

[3] 魏海明，揚興瑤。實(shí)用電子電路500例[M]，化學(xué)工業(yè)出版社，2000

[4] 沙占友等編．特種集成電源最新應用技術(shù)[M]．北京：人民郵電出版社，2000.