摘  要： 提出了一種高精度連續(xù)可調(diào)的高壓開關(guān)電源設(shè)計方案,。電源采用基于SG3525的恒頻脈寬調(diào)制技術(shù),，通過單片機(jī)控制可控增益放大器實現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)調(diào)整，該電源具有高電壓輸出精度高,、連續(xù)可調(diào),、功耗小等特點(diǎn)。實驗結(jié)果表明,，當(dāng)該電源輸出電壓由1 kV～25 kV可調(diào)輸出時,，輸出電壓誤差最大為1.6%,。
關(guān)鍵詞： 高壓開關(guān)電源,； SG3525； 可控增益放大,； AD7520

    在醫(yī)用器械,、離子加速器、安規(guī)測試,、電子設(shè)備老化工藝等領(lǐng)域中,，經(jīng)常會應(yīng)用到小功率高壓可調(diào)電源。這類高壓電源既要求輸出電路精度高,、電壓可調(diào),，同時又要求電源系統(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)。在目前的電源市場上,，大部分電源輸出一般都在200 V 以內(nèi),，而輸出10 kV 以上的電源基本都是一些大功率、高價位產(chǎn)品,，且能實現(xiàn)輸出可調(diào)的高電壓的電源產(chǎn)品更少,。為此，研制了一種基于可控增益放大器的連續(xù)可調(diào)高壓開關(guān)電源,。該電源輸出電壓可由1 kV~25 kV可調(diào),，輸出電流達(dá)1 mA,。該電源具有體積小、穩(wěn)定性好,、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),，具有較廣闊的市場應(yīng)用前景[1]。
1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理
    系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,。220 V交流電通過AC/DC開關(guān)變換器,，將交流電壓變換為電壓為100 V的固定直流電，供后級電源使用,。高頻變壓器在PWM驅(qū)動電路驅(qū)動下,，將100 V的直流電轉(zhuǎn)換成輸出電壓可調(diào)的高頻高壓的脈沖交流電，經(jīng)過高壓整流電路整流后,，由濾波器濾波,，實現(xiàn)高壓直流輸出。由于輸出直流電壓較高,所以通過特制的取樣電路對輸出電壓進(jìn)行取樣,再經(jīng)隔離放大器放大后,，送A/D轉(zhuǎn)換電路及可控增益放大器,。單片機(jī)通過A/D獲得直流高壓的取樣電壓,與設(shè)定值進(jìn)行比較；然后經(jīng)PID調(diào)節(jié),，輸出誤差信號送至可控增益放大器,，以調(diào)節(jié)誤差電壓;最后由誤差信號調(diào)節(jié)PWM控制器，控制輸出占空比,，實現(xiàn)對輸出直流電壓的調(diào)節(jié),。

2 硬件電路設(shè)計
2.1 主拓?fù)潆娐吩O(shè)計
    開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有全橋、半橋,、推挽等多種結(jié)構(gòu),。該主電路采用半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單,、開關(guān)管承受壓力小,、抗不平衡能力強(qiáng)、不易直通等優(yōu)點(diǎn),。同時,，變壓器初級在整個周期中都流過電流，磁芯利用充分,，且沒有偏磁的問題,，所使用的功率開關(guān)管耐壓要求較低，開關(guān)管的飽和壓降減少至最小,，對輸入濾波電容使用電壓要求也較低,。因此，半橋拓?fù)涫侵行」β孰娫闯Ｓ玫慕Y(jié)構(gòu),。主電路如圖2所示,。

    Q1,、Q2為高反壓MOS管，它與電容C1,、C2構(gòu)成逆變電路,PWM輸出經(jīng)驅(qū)動變壓器驅(qū)動Q1,、Q2。PWM輸出的驅(qū)動電壓在驅(qū)動變壓器兩端設(shè)有死區(qū)時間,有利于MOSFET管中電荷的消耗,起到保護(hù)MOSFET的作用,。在Q1導(dǎo)通時,，電源經(jīng)Q1、C0,、T1對C2充電,，同時對電容C3放電；Q2導(dǎo)通時,，電源對通過C1,、T1、C0對C1充電,，對C2放電,。在一個開關(guān)周期內(nèi)，高壓變壓器初級上形成25 kHz的交變矩形波,，經(jīng)過升壓整流后對負(fù)載提供高壓,。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比，可改變輸出高壓值,。R3,、C3、R4,、C4構(gòu)成吸收電路，用來吸收高頻尖峰電壓,，達(dá)到保護(hù)MOS管的作用,。為防止兩個開關(guān)管導(dǎo)通時間不對稱引起高壓變壓器偏磁和直流磁飽和，在電路中串入隔直電容C0來自動平衡變壓器一次電壓側(cè)的直流分量,。R1,、R2作為平衡電阻，可使C1與C2充電電壓相等[2],。
2.2 控制電路設(shè)計
    控制電路由PWM控制,、高壓采樣、可控增益放大器,、A/D及CPU等部分組成,。
2.2.1 PWM控制電路
    PWM控制電路是實現(xiàn)電壓調(diào)整的核心電路，對整機(jī)性能有較大的影響,，所以采用性價比較高的SG3525,，控制方式采用恒頻脈寬調(diào)制,。PWM控制電路如圖3所示。

    SG3525芯片內(nèi)部提供5 V精密基準(zhǔn)電壓,，該電壓通過R13,、R12、R10分壓后經(jīng)電壓跟隨器隔離,送至內(nèi)部誤差電壓放大器的同相端,，作為基準(zhǔn)參考電壓,。R13、R12,、R10選用金屬膜精密電阻,，電壓跟隨器可進(jìn)一步提高參考電壓精度。輸出的高壓直流電通過高壓采樣電路轉(zhuǎn)換為成比例的低壓取樣電壓,，通過可控增放大器放大,，再由電壓跟隨器送至SG3525誤差電壓放大器的反相端。在基準(zhǔn)電壓及反饋電壓端均采用了電壓跟隨器,，可提高PWM波的脈寬精度,，從而更好地保證輸出電壓精度。SG3525芯片振蕩頻率的設(shè)定范圍為15 kHz～35 kHz,，其振蕩頻率可表示為：
  
2.2.2 電壓調(diào)整與采樣電路
     由于直流輸出電壓較高,不能直接采樣用于反饋,，該系統(tǒng)采用多個金屬膜功率電阻串聯(lián)構(gòu)成電阻分壓采樣電路，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示,。圖中,RS為16只4 MΩ的2 W型電阻串聯(lián),，R12為采樣電阻,該電壓采樣電路用環(huán)氧樹脂密封在一個盒子內(nèi)，可以起到絕緣及保護(hù)作用,。為防止分壓電阻在高電壓作用下由于高壓拉弧產(chǎn)生尖峰電壓而損壞電壓跟隨器,，在電壓跟隨器輸入端加入瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)D5。R13,、C11組成RC濾波電路,。從采樣電阻兩端取出的電壓信號經(jīng)電壓跟隨器后通過線性光耦I(lǐng)C2隔離，送至IC3組成的電壓跟隨器,。線性光耦選用Agilent公司的HCNR200,可以較好地實現(xiàn)隔離,，隔離電壓峰值達(dá)8 000 V,輸出隨輸入變化，線性度達(dá)0.01%[4],。

　為了實現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)可調(diào),，系統(tǒng)采用可控增益放大器放大誤差電壓信號。通過改變可控增益放大器的增益,，改變送至SG3525反饋端的電壓值,，從而實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)。
　可控增益放大器由D/A轉(zhuǎn)換器AD7520及運(yùn)算放大器OP07組成,。AD7520是10 bit CMOS 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,，采用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò),，模擬電子開關(guān)為CMOS型，集成在芯片上,。在圖4所示電路中,，OP07運(yùn)放與AD7520組成反相比例運(yùn)算放大器。根據(jù)反相比例運(yùn)算放大器的特點(diǎn),，放大器放大倍數(shù)為式(2)所示：
 
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    系統(tǒng)軟件主要完成對輸出電壓的調(diào)整和顯示,、軟啟動、過壓和過流保護(hù)等,。系統(tǒng)主流程如圖6所示,。單片機(jī)上電或復(fù)位后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化,，禁止高壓輸出,，延時50 ms， 隨后輸出電壓電源打開,。根據(jù)D/A輸出電壓值調(diào)節(jié)輸出電壓,，從而達(dá)到輸出電壓精度連續(xù)可調(diào)的目的。

    從表中數(shù)據(jù)可得,，該電源輸出電壓由1 kV～25 kV調(diào)節(jié)時,，輸出電壓最大誤差為1.6%。具有輸出電壓精度高,、連續(xù)可調(diào),、調(diào)整范圍寬、功耗小等特點(diǎn),。
參考文獻(xiàn)
[1] 徐成前,董戈.1 kW行波管高壓開關(guān)電源設(shè)計與仿真[J].電源技術(shù),2008,24(10):219-221.
[2] 趙艷雷,童建忠,齊智平. 25 kV高精度直流負(fù)高壓源設(shè)計[J].高電壓技術(shù),2006,32(4):88-90.
[3]  游利兵,梁勖,黃德文,等. 高重復(fù)率小型準(zhǔn)分子激光開關(guān)電源設(shè)計[J].激光雜志, 2009,30(4):15-16.
[4] 皇金鋒,董鋒斌. SG3525在Buck-Boost直流變換器中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2009,35(8):82-84.
[5] 趙修良,俞紅,趙艷輝,等. 一種基于AD7542和OP467設(shè)計的與微機(jī)接口的可變增益放大電路[J].電測與儀表,
2005,42(4):45-47.
[6] JIPRAPHAI T, COSTELLO M. Dispersion reduction of direct fire rocket using lateral pulse jets[M]. US: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2001.