一種高壓開關電源的設計

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(tǒng)，設計制作了一種高壓開關電源。并對高壓電源的響應特性進行了測試。制作出的電源系統(tǒng)具有體積小、穩(wěn)定性好、響應速度快等特點。


1、引 言

在復印設備、醫(yī)學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]。同時要求電源系統(tǒng)具有重量輕、響應速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點。為了上述滿足精密電子系統(tǒng)的要求，設計制作了一種新型高壓開關電源。該電源具有穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點，能廣泛應用于復印設備、醫(yī)學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來自220V的交流市電，經整流濾波后與PWM脈沖調制器的輸出信號一起驅動高頻變壓器，通過高頻變壓器得到的高壓電源再經整流濾波后，輸出直流高壓。輸出反饋信號經光電隔離后反饋給脈沖調制器，通過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(jié)輸出電壓。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3、電路設計要點

3.1 PWM控制電路

系統(tǒng)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構成一個軟啟動電路。設計軟啟動電路的目的是防止在電源突然開通時產生的過大電流對芯片造成沖擊。在剛通電時，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，經過一段時間后，電路進入正常工作狀態(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)下工作會產生振蕩。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長度，特別是柵極引線的長度。若無法減少其長度，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產生的寄生振蕩。

圖2 PWM電路圖

3.2 變壓器驅動電路

高壓變壓器驅動電路見圖3。

圖3 高壓變壓器驅動電路

驅動電路采用單端驅動工作方式，這種電路簡單、工作可靠性高。功率管由來自SG3524芯片的信號驅動。11、14腳的單端并聯(lián)輸出。當SG3524輸出高電平時，功率管導通，在電感L中儲能；輸出低電平時，功率管截止，導致流過電感L上的電流突然下降為零，L產生反電勢。該反電勢的脈沖電壓加在高頻變壓器的輸入端，驅動變壓器工作。同時，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二極管VD2、VD3進行整流倍壓后，再經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，再將高壓經電阻串聯(lián)衰減的方法實現(xiàn)。

R3、R4、RW為電壓取樣反饋電阻。電壓經隔離反饋后，從SG3524芯片的1腳輸入，控制占空比，進而調節(jié)輸出電壓，達到穩(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，通過調節(jié)RW來調節(jié)輸出電壓。

4、性能測試

系統(tǒng)的輸出電壓通過取樣電阻RW來調節(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的響應時間為0.5s左右，電源系統(tǒng)具有較快的響應速度。同時，由圖（b）中的電壓波形局部放大圖可見，輸出電壓為5000V時，其最大電壓波動小于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時的電壓輸出波形圖

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

圖5 可變電阻為10kΩ時的電壓輸出波形圖

5、結 論

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