高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

針對(duì)精密電子設(shè)備中所要求的高電壓、低電流的小功率電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作了一種高壓開關(guān)電源。并對(duì)高壓電源的響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試。制作出的電源系統(tǒng)具有體積小、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

1、引 言

在復(fù)印設(shè)備、醫(yī)學(xué)儀器等精密電子系統(tǒng)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(tǒng)具有重量輕、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。為了上述滿足精密電子系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)制作了一種新型高壓開關(guān)電源。該電源具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于復(fù)印設(shè)備、醫(yī)學(xué)儀器等精密電子系統(tǒng)中。

2、電路原理

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。高壓電源的輸入信號(hào)來自220V的交流市電，經(jīng)整流濾波后與PWM脈沖調(diào)制器的輸出信號(hào)一起驅(qū)動(dòng)高頻變壓器，通過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(hào)經(jīng)光電隔離后反饋給脈沖調(diào)制器，通過與脈沖調(diào)制器中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較，控制脈沖調(diào)制器的輸出占空比，以調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3、電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 PWM控制電路

系統(tǒng)采用的PWM調(diào)制器為SG3524型號(hào)[4]的芯片，電路如圖2所示。在芯片的電源信號(hào)入口端并聯(lián)一電容C2構(gòu)成一個(gè)軟啟動(dòng)電路。設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路的目的是防止在電源突然開通時(shí)產(chǎn)生的過大電流對(duì)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(duì)其充電而逐漸升高，經(jīng)過一段時(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，確保芯片不受損壞。輸出電路的開關(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(yīng)盡量減少與功率管各管腳的連線長(zhǎng)度，特別是柵極引線的長(zhǎng)度。若無法減少其長(zhǎng)度，可以串聯(lián)小電阻，且盡量靠近管子?xùn)艠O。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(qū)動(dòng)電路

高壓變壓器驅(qū)動(dòng)電路見圖3。

圖3 高壓變壓器驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用單端驅(qū)動(dòng)工作方式，這種電路簡(jiǎn)單、工作可靠性高。功率管由來自SG3524芯片的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。11、14腳的單端并聯(lián)輸出。當(dāng)SG3524輸出高電平時(shí)，功率管導(dǎo)通，在電感L中儲(chǔ)能;輸出低電平時(shí)，功率管截止，導(dǎo)致流過電感L上的電流突然下降為零，L產(chǎn)生反電勢(shì)。該反電勢(shì)的脈沖電壓加在高頻變壓器的輸入端，驅(qū)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(duì)輸出電壓信號(hào)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(xiàn)。

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(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。其穩(wěn)壓原理是：若輸出電壓偏高，采樣反饋的信號(hào)也偏高，與SG3524中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較后的電壓偏低，導(dǎo)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(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)RW來調(diào)節(jié)輸出電壓。

4、性能測(cè)試

系統(tǒng)的輸出電壓通過取樣電阻RW來調(diào)節(jié)，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(yīng)時(shí)間為0.5s左右，電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。同時(shí)，由圖(b)中的電壓波形局部放大圖可見，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(yīng)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(dāng)RW調(diào)節(jié)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(yīng)速度有所提高，而穩(wěn)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(diào)節(jié)電阻成線性關(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(jié) 論

采用單端反激式變換器，設(shè)計(jì)制作了一高壓開關(guān)電源。通過對(duì)所制作電源的性能測(cè)試可以得出，此高壓開關(guān)電源具有體積小、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。能廣泛應(yīng)用于要求高電壓、低電流的小型電源系統(tǒng)中。