高壓小功率開關(guān)電源研制

作者 李剛 海華電子企業(yè)(中國(guó))有限公司(廣東 廣州 510656)

摘要：本文介紹了高壓小功率開關(guān)電源的工作原理，并基于SG3525 PWM調(diào)制芯片設(shè)計(jì)了3 KV輸出的電源樣機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了分析研究，給出了測(cè)試數(shù)據(jù)。

0 引言

　　高壓小功率開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)儀器等各種精密電子系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。本課題基于SG3525 PWM調(diào)制芯片研制了一種DC48V輸入，DC3kV輸出的新型高壓開關(guān)電源，并給出了實(shí)際電路設(shè)計(jì)原理和工作原理分析。

1 電路原理

　　高壓小功率電源系統(tǒng)原理如圖1所示。輸入48V的直流電經(jīng)電容濾波儲(chǔ)能，SG3525 PWM調(diào)制器調(diào)制出相位相反的2路PWM波驅(qū)動(dòng)高頻開關(guān)管從而驅(qū)動(dòng)高頻變壓器，在變壓器原邊把直流48 V變換成48 V方波，通過高頻變壓器進(jìn)行高頻方波變換，并利用變壓器原副邊匝比得到高壓方波，再經(jīng)4倍壓整流濾波后，輸出3kV直流高壓。輸出經(jīng)輸出采樣變換后送到環(huán)路控制電路，環(huán)路控制電路控制SG3525芯片的輸出PWM方波的占空比，從而控制變壓器原邊的方波占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。

2 電源主電路工作原理

　　電源主電路工作原理如圖2所示。其中由PWM調(diào)制芯片SG3525產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電阻R1和R2分別驅(qū)動(dòng)開關(guān)管Q1和Q2，開關(guān)管Q1和Q2對(duì)變壓器原邊分別導(dǎo)通，從而輸入電源經(jīng)過高頻變壓器和開關(guān)管在變壓器原邊產(chǎn)生高頻脈沖電壓，經(jīng)過高頻變壓器隔離變換后產(chǎn)生高頻的方波電壓，再經(jīng)過后級(jí)的4倍壓整流電路濾波得到高電壓輸出。RL為負(fù)載電阻。

　　由芯片SG3525產(chǎn)生約50 kHz的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),經(jīng)驅(qū)動(dòng)電阻加至開關(guān)管的柵極。當(dāng)OUTA驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，OUTB驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，Q1開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通，Q2開關(guān)管關(guān)閉，電流由初級(jí)NP1線圈通過開關(guān)管流向地，輸入電源通過變壓器轉(zhuǎn)換為副邊NS繞組的A點(diǎn)為正，B點(diǎn)為負(fù)的方波電壓，然后通過4倍壓整流電路整流濾波;當(dāng)OUTB驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，OUTA驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，Q2開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通，Q1開關(guān)管關(guān)閉，電流由初級(jí)NP2線圈通過開關(guān)管流向地，輸入電源通過變壓器轉(zhuǎn)換為副邊NS繞組的A點(diǎn)為負(fù)，B點(diǎn)為正的方波電壓，然后通過4倍壓整流電路整流濾波，最終輸出高壓電壓。

　　由于輸入電壓為DC48 V，為了變壓器副邊得到高壓方波電壓，主電路采用推挽拓?fù)?，推挽拓?fù)溆捎?個(gè)開關(guān)管輪流開通，電流通過開關(guān)管流到地上，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單方便，不用隔離驅(qū)動(dòng)，由SG3525就可直接驅(qū)動(dòng)。推挽拓?fù)鋵?duì)比半橋拓?fù)浜腿珮蛲負(fù)?，它的成本低，?jiǎn)單可靠，直接驅(qū)動(dòng)，非常適合于低壓輸入的場(chǎng)合，故選取推挽拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　倍壓電路可以用較低耐壓的二極管和電容進(jìn)行組合得到高壓輸出，電路簡(jiǎn)單，可靠，成本低，在小功率高壓輸出場(chǎng)合非常適用。

3 倍壓整流電路工作原理

   4倍壓整流電路原理圖如圖3所示。

　　具體工作原理如下：

　　1)第一周期，初級(jí)NP1繞組導(dǎo)通，初級(jí)NP2繞組斷開，副邊NS繞組電壓為U，A點(diǎn)為正，B點(diǎn)為負(fù)，電流從A點(diǎn)經(jīng)二極管D1流到C點(diǎn)，再流進(jìn)電容C1，對(duì)電容C1充電，最后回到B點(diǎn)。電容C1電壓為U。見圖4.

　　2)第二周期，初級(jí)NP2繞組導(dǎo)通，初級(jí)NP1繞組斷開，副邊NS繞組電壓為U，A點(diǎn)為負(fù)，B點(diǎn)為正，電流從B點(diǎn)經(jīng)C1流到C點(diǎn)，再經(jīng)二極管D2，流進(jìn)電容C2，對(duì)電容C2充電，最后回到A點(diǎn)。C2電壓為副邊NS的電壓加上電容C1的電壓，為2U。見圖5。

　　3)第三周期，初級(jí)NP1繞組導(dǎo)通，初級(jí)NP2繞組斷開，副邊NS繞組電壓為U，A點(diǎn)為正，B點(diǎn)為負(fù)，電流從A點(diǎn)經(jīng)二極管D1流到C點(diǎn)，同時(shí)經(jīng)電容C2，流經(jīng)二極管D3對(duì)電容C3充電，經(jīng)電容C3流到C點(diǎn)，最后由C點(diǎn)經(jīng)C1回到B點(diǎn)。C1電壓為U，C2電壓為2U，C3電壓等于C2電壓加上副邊NS的電壓減去電容C1的電壓，為2U。見圖6。

　　4)第四周期，初級(jí)NP2繞組導(dǎo)通，初級(jí)NP1繞組斷開，副邊NS繞組電壓為U，A點(diǎn)為負(fù)，B點(diǎn)為正，電流從B點(diǎn)經(jīng)C1流到C點(diǎn)，再經(jīng)D2二極管，流進(jìn)電容C2，對(duì)電容C2充電，最后回到A點(diǎn)，同時(shí)由C點(diǎn)流經(jīng)電容C3，再經(jīng)二極管D4，流進(jìn)電容C4，對(duì)電容C4充電，回到D點(diǎn)，流進(jìn)電容C2，對(duì)電容C2充電，最后回到A點(diǎn)。C1電壓為U，C2電壓為2U，C3電壓為2U，C4電壓等于C1電壓加上C3電壓加上副邊NS的電壓減去電容C2的電壓，為2U。見圖7。

　　5)第五周期，初級(jí)NP1繞組導(dǎo)通，初級(jí)NP2繞組斷開，工作原理跟第三周期一樣。第六周期，初級(jí)NP2繞組導(dǎo)通，初級(jí)NP1繞組斷開，工作原理跟第四周期一樣。然后后續(xù)的周期不斷的在循環(huán)。

　　6)輸出從A點(diǎn)和F點(diǎn)引出，A點(diǎn)為負(fù)，F(xiàn)點(diǎn)為正，輸出電壓等于電容C2電壓加電容C4電壓，為4U，等于4倍副邊繞組NS的電壓，為4倍壓升壓。

4 環(huán)路控制工作原理

　　本電路采用TL431、光耦、電阻、電容組成隔離反饋電壓環(huán)控制電路，為二階控制電路，用光耦進(jìn)行隔離，通過R8電阻來(lái)控制SG3525芯片的第9腳COMP腳，從而控制SG3525的輸出驅(qū)動(dòng)波形的占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓。通過合理選取電容和電阻值，使電源工作穩(wěn)定。

5 主要參數(shù)計(jì)算

　　1)匝比計(jì)算

　　倍壓整流電路為4倍壓整流電路，在理想的情況下,輸出端電壓為:

　　V_o=4×V_NS=4×N×V_in×D_有效

　　式中N為變壓器副邊與原邊的匝數(shù)比，N=Ns:Np1(Np2的匝數(shù)跟Np1一樣)，V_in為輸入電壓，D_有效為有效占空比，一般設(shè)計(jì)選取為0.8。

　　要得到3 KV的輸出電壓，則可計(jì)算出匝比N為：

　　取整數(shù)20。

　　2)變壓器磁芯確定：

　　確定變壓器磁芯，由于開關(guān)頻率為50 KHZ，輸出功率為50W，可通過查常用磁芯對(duì)應(yīng)的功率表，可以查出PQ26/20磁芯在48 KHZ下輸出功率為82 W，可滿足設(shè)計(jì)要求。磁芯的A_e為119 mm²。

　　3)變壓器原邊匝數(shù)NP計(jì)算：

　　其中V_in為48 V，f為50KHZ，A_e為119 mm²，D_有效為0.8，ΔB為0.25 T(常用)。

　　結(jié)果取整流，得到N_P為26匝。

　　4)變壓器副邊匝數(shù)N_S計(jì)算:

　　N_s=N×N_p=520

　　其中N為20，NP為26匝，計(jì)算得到NS為520匝。

　　5)輸出電流計(jì)算：

　　6)輸出電容計(jì)算：

　　其中I為16.7 mA，T為20μS，a為電容上電壓波動(dòng)比率，因?yàn)橐敵鲭妷壕雀?，所以?.5%。

　　計(jì)算得到電容C為100 nF，考慮到電容有誤差并且電源要有設(shè)計(jì)余量，故選取150nF電容，因輸出是二個(gè)電容串聯(lián)得到3000 V，則電容耐壓要大于1.5 kV，選取2000 V電容。最終采用150 nF/2000 V的聚苯乙烯電容器。

　　7)二極管計(jì)算：

　　由4倍壓整流電路可知，二極管耐壓要大于2倍副邊電壓。

　　副邊電壓 V_副邊=N×V_in=960V

　　得到 V_二極管=2×V_副邊=1920V

　　考慮到要有設(shè)計(jì)余量，故選取3 kV二極管，輸出電流為16.7 mA，選取通用的0.5 A二極管，最終采用0.5 A/3000 V的快速高壓二極管。

6 調(diào)試結(jié)果

　　負(fù)載電阻RL采用180 KΩ/200 W的高壓電阻。對(duì)電流與電壓關(guān)系進(jìn)行了測(cè)試和分析。樣機(jī)電源的電壓和電流的輸出特性見表1。

　　實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果可知，在輸入46 VDC~50 VDC時(shí)，電路都能正常輸出。輸出電壓的精度小于1.5%，效率>75%。

7 結(jié)論

　　本文所述的高壓小功率開關(guān)電源,采用推挽式拓?fù)?，高頻方波信號(hào)經(jīng)變壓器升壓和4倍壓整流后輸出直流高壓電?？刂齐娐酚蒔WM調(diào)制芯片SG3525控制，采用電壓環(huán)隔離控制，具有通用性強(qiáng)、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)高壓電源體積大,效率低的缺點(diǎn)。

　　此電源經(jīng)過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，其性能穩(wěn)定，效果良好，安全可靠，能廣泛應(yīng)用于要求高電壓、低電流的小型電源系統(tǒng)中。這說明本文所述小功率高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第71頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。