基于單片機的高壓驅(qū)動電源設(shè)計

標簽：高壓開關(guān)電源 壓電陶瓷 驅(qū)動電源

引言

壓電陶瓷作為一種微位移器件，在精密工程應(yīng)用領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用前景。壓電陶瓷材料的工作特性很大程度上取決于驅(qū)動電源的性能，驅(qū)動電源必須輸出穩(wěn)定性好的高幅值電壓，并具有較好的動態(tài)性能，可適應(yīng)外界條件的突變。傳統(tǒng)的高壓驅(qū)動電源通常以模擬脈寬調(diào)制芯片為核心控制開關(guān)電路、整流電路等完成穩(wěn)定電壓輸出。隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，單片機、數(shù)字信號處理器等數(shù)字芯片也逐漸參與到開關(guān)電源的設(shè)計，帶來了可編程性、高集成度、高擴展性等優(yōu)點 。本文提出了一種基于MC68HC9O8JK3芯片的高壓開關(guān)電源，在低壓(9～18 V)輸入下能輸出高精度頻率可調(diào)輸出電壓，可滿足壓電陶瓷驅(qū)動電源的應(yīng)用需求。

1 高壓開關(guān)電源的設(shè)計

高壓電源輸入9～18 V，輸出150 V方波電壓，頻率可控。電路結(jié)構(gòu)采用單片機控制開關(guān)電源的方式，原理框圖如圖1所示。主功率回路采用準諧振反激式開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，控制芯片為MC33O60，直流電壓經(jīng)H 橋逆變電路轉(zhuǎn)換后得到150 V方波電壓。負載電壓和電流采樣信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入單片機(MCU)控制芯片MC68HC908JK3，單片機根據(jù)軟件算法完成恒流或恒壓控制，同時輸出頻率可調(diào)的驅(qū)動信號到H橋逆變電路，實現(xiàn)直流電壓到方波信號的轉(zhuǎn)換。電路以MCU 芯片為控制核心，不僅能完成高精度精確的受控電壓和電流輸出，還能實現(xiàn)過壓保護、過流保護、上位機通訊等一些重要的輔助功能。

圖1 高壓開關(guān)電源原理框圖

反激式開關(guān)變換電路如圖2所示。MC33060是低功耗固定頻率的脈寬調(diào)制(PWM)控制芯片，內(nèi)部集成了振蕩器、誤差放大器、5 V 基準源等，主要用來實現(xiàn)單端電壓模式控制。開關(guān)管Q1導通時，輸入向變壓器儲能，次級整流管D1處于關(guān)斷狀態(tài);Q1關(guān)斷時，整流管D1導通，變壓器儲能輸出到次級，為C4充電。振蕩電阻R1、振蕩電容C3與內(nèi)部振蕩器一起產(chǎn)生振蕩三角波，振蕩波形與引腳3接收的MCU電壓基準信號比較，產(chǎn)生PWM 信號驅(qū)動功率開關(guān)管Q1。為了降低開關(guān)管和整流管的電壓應(yīng)力，輸出采用了倍壓整流電路結(jié)構(gòu)，通過整流管D1、D2和電容C4、C5實現(xiàn)了二倍壓整流。

圖2 反激式開關(guān)變換電路

盡管反激式主回路具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點，但在高壓輸出下，其電壓尖峰高和紋波噪聲大顯得更突出。為了減少高壓電源的輸出紋波噪聲，電路設(shè)計引入了準諧振技術(shù)，使反激變換器工作在軟開關(guān)狀態(tài)，從而降低電磁干擾噪聲(EMI)，提高電源轉(zhuǎn)換效率。

開關(guān)管的導通時間：

式中：Lp為初級繞組電感量;Ip為初級峰值電流;Vin為輸入電壓。

變壓器復位時間：

式中 VOR為次級到初級的折射電壓。當次級繞組中的能量釋放完畢后，VOR也將消失。Lp、開關(guān)管漏極電容Cp和繞組電阻Rp構(gòu)成一個RLC諧振電路，因此折射電壓隨時間t的變化關(guān)系為：

開關(guān)管的漏源電壓為：

由此可得到準諧振反激式變換器的一個完整工作周期：

準諧振反激式變換器的工作頻率為：