精選資料可修改編輯單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計摘要高壓電源在日常的生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用，尤其在軍事、醫(yī)療、射線類探測器和靜電噴涂等技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的高壓電源多采用線性技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)形式造成電源變換效率低，體積大，重量沉，操作維修不方便。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，人們對高壓電源的智能化程度、轉(zhuǎn)換效率和帶負載能力提出了更高的要求。智能化開關(guān)電源以線性電源無法比擬的特點和優(yōu)點己經(jīng)成為電源行業(yè)的主流形式。該技術(shù)的應(yīng)用使高壓電源變得體積小、重量輕、效率高、智能化更強。本論文研究工作針對X射線熒光分析裝置對供電高壓電源在效率、體積和智能控制等方面的要求，研制了一種以單片機和脈寬調(diào)制（PMW）技術(shù)為基礎(chǔ)的高壓電源。該電源由STC89C51單片機控制脈寬調(diào)制芯片TL494，采用單端式推動，經(jīng)變壓器和倍壓整流升壓，輸出0~50kV連續(xù)可調(diào)電壓。該電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)、閉環(huán)實時監(jiān)控、模數(shù)電路相互配合，具有通用性強、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良等特點。關(guān)鍵詞：單片機，開關(guān)電源，TL494，高壓電源IDesignofthehigh-voltageswitchingmode-powersupplybasedonSCMAbstractHigh-voltagepowersupplyisappliedbroadlyindailylifeandproduction,especiallyusedinmilitary,medical,class-raydetectorandelectrostaticspraying.Tradltionalhigh-voltagepowersupplymainlyadaoptstechnologyoflinearpowerspuplysuchtypeofstructuremakesthewholeeffieieneyofpowersupplybelow,large,heavyandoperationandmaintenancewhichisnotconvenient.withthedevelopomentandadvancementofpowersupplytechnology,theintelligentlevel,conversionefficiencyandloadcapacityishigherrequirementsforthehigh-voltagepowersupply.Intelligentswitchingpowersupplyhasbecomethemainstreamform.ofthepowerindustrywiththeunmatchedfeaturesandadvantages.Applicationofthetechnologyhasmadethehghvoltagepowertobecomethesmallsize,lightweight,highefficiencyandmoreintelligent.Withtherequirementsoftheefficiency,volumesizeandintelligentcontrolofthepowersupplyforthex-rayfluorescenceanalysis,ahigh-voltagepowersupplybasedonthetechniqueofSCMandPWMhasbeendeveloped.ItusesSTC89C51SCMtocontrolTL494,adoptssingleendedtypepromote,andputsoutchangeablevoltageafteritboostedbyatransformerandvoltagemultiplyingrectifier.Thepoweradoptsdigitalregulationandclosedloopreal-timemonitoringtocooperatedwithaanalogcircuit,andthepowerhasadvantagesofstronggenerality,wideoutputrange,highstablevoltageaccuracy,excellentcontrolproperty,etc.Keywords:SCM,Switchingmode-powersupply,TL494,High-voltagepowersupplyII單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計第一章引言單片機控制的高壓開關(guān)電源具有通用性強、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良等特點。彌補了傳統(tǒng)高壓電源體積大，效率低等缺點，受到人們的極大關(guān)注。一、高壓直流電源基本原理和應(yīng)用高壓直流電源是將工頻電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)變成特種形式高壓的一種電子儀器設(shè)備，高壓直流電源按輸出電壓極性可分為正極性和負極性兩種。高壓直流電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于當今的軍事、工業(yè)、日常生活等領(lǐng)域?；仡櫢邏褐绷麟娫窗l(fā)展歷史，高壓直流電源最初是將工頻電壓直接經(jīng)高壓變壓器升壓后整流濾波[1]，或升壓后再倍壓整流后得到高壓的，其基本原理如圖1.1所示。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高壓直流電源采用了線性技術(shù)。圖1.1高壓直流電源基本原理圖二、開關(guān)電源發(fā)展歷史隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā)展。開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展相關(guān)[2]，高頻化的實現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁器件。因此開關(guān)電源可以按照作為開關(guān)元件的半導(dǎo)體功率器件分成幾個階段：最早的半導(dǎo)體功率器件，起始于1958年的晶閘管，又稱SCR可控硅整流器，是第一個階段；60年1單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計代出現(xiàn)了快速晶閘管，到70年代又研制成功了高壓大電流的門級可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力巨型晶體管(GTR)，它們都是雙極型電力半導(dǎo)體器件，逐漸取代了傳統(tǒng)的SCR。這些大功率器件與微處理機相互結(jié)合，開關(guān)電源進入了“自關(guān)斷器件”的第二個階段；由于微電子學(xué)科的快速發(fā)展，70年代中后期又出現(xiàn)了MOS場效應(yīng)晶體管，特別是80年代問世的功率場效應(yīng)管VDMOS(又稱“功率MOSFET”)，以及派生的MOS型絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，其特性和功能更新發(fā)展使功率變換和穩(wěn)壓電源技術(shù)發(fā)生了新的飛躍，使開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展到高頻化、智能化的第三個階段。三、高壓開關(guān)電源簡介20世紀70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命，即脈寬調(diào)制技術(shù)在電源領(lǐng)域的應(yīng)用。到目前為止，電源的頻率已經(jīng)達到數(shù)千Hz，應(yīng)用先進的準諧振技術(shù)甚至可以達到兆Hz水平。高頻化使高壓電源體積大幅度的減小，輕巧便攜，實用性和使用方便性明顯得到改善。近幾年，隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)的逐步成熟，出現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源，同線性電源相比較高頻開關(guān)電源的突出特點是：效率高、體積小、重量輕、反應(yīng)快、儲能少、設(shè)計和制造周期短。由于它的優(yōu)越特性，現(xiàn)在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。圖1.2高壓開關(guān)電源基本原理圖圖1.2是高壓開關(guān)電源示意圖。同圖1.1相比較，它采用了脈寬調(diào)制技術(shù)，PMW2單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計技術(shù)和逆變器技術(shù)結(jié)合[3]，實現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源輸出電壓穩(wěn)壓、調(diào)壓和保護功能。它的工作原理是：交流電經(jīng)整流單元整流、濾波后，變成直流，逆變單元由控制單元控制，使直流電壓逆變成高頻方波電壓，經(jīng)高頻變壓器形成方波電壓，然后經(jīng)高壓整流輸出變成直流高壓，電壓反饋單元將輸出的電壓和電流信號反饋到控制單元，只要調(diào)整控制單元的設(shè)定電壓，就可調(diào)節(jié)直流高壓的輸出電壓。目前，世界各國正在大力研制開發(fā)新型高壓高頻電源，包含新的電源理論、新型模塊化電路、新型電子器件等，以滿足電子設(shè)備小型化、高效化和高性能化的時代發(fā)展要求。四、國內(nèi)外高壓開關(guān)電源發(fā)展的簡單現(xiàn)狀目前，國外高壓開關(guān)直流電源比較成熟，像Spellman、Classman等高壓電源公司已生產(chǎn)出小型化、高效化、智能化的高壓直流電源，然而價格比較昂貴，國內(nèi)直流高壓開關(guān)電源研究起步較晚，與先進國家相比有較大差距。尤其在高頻、高性能直流高壓開關(guān)電源方面，國內(nèi)還沒有形成批量生產(chǎn)能力。五、高壓開關(guān)電源發(fā)展的中的問題隨著新的電子元器件、新的電磁材料、新的電源變換技術(shù)、新的控制理論及新的專業(yè)軟件的不斷涌現(xiàn)，并不斷地被應(yīng)用于開關(guān)電源，使得開關(guān)電源的性能不斷提高，特點不斷更新，出現(xiàn)了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。現(xiàn)代的高壓開關(guān)電源有以下幾個難點：1、高頻高壓變壓器體積減小，頻率升高，分布容抗變小，絕緣問題和效率問題需要解決。2、由于高壓電源的頻率很高，導(dǎo)致功率開關(guān)器件開關(guān)頻繁，能耗增大，這就對逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)有所選擇。3、在控制檢測部分，高頻高壓開關(guān)電源采用采用了脈寬調(diào)制技術(shù)和逆變器等技術(shù)，出現(xiàn)了強電弱電間的相互影響加強。檢測部位的高壓電壓（近10kV），對后續(xù)的電子元器件（精密電阻等）提出了更高的性能要求。六、論文的主要工作本論文設(shè)計了一種作為X射線熒光分析裝置供電電源的高壓開關(guān)電源，該電源采用脈寬調(diào)制（PWM）、單端式推動、數(shù)字調(diào)節(jié)、閉環(huán)實時監(jiān)控、模數(shù)電路相互配合，具有體積小、逆變效率高、通用性強、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、3單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計控制性能優(yōu)良等特點。電源整機性能指標為：1、輸入AC220V，輸出電壓0~50kV（連續(xù)可調(diào)），輸出電流0~3mA2、具有輸出過壓、過流保護3、穩(wěn)定性0.1%，波紋系數(shù)<0.1%，效率>65%4單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計第二章高壓開關(guān)電路選擇與設(shè)計本章主要介紹開關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)器件、變壓器以及倍壓電路的各種形式，選擇和設(shè)計了我們實驗上采用的高壓開關(guān)電源電路。一、功率轉(zhuǎn)換與倍壓整流電路在高壓開關(guān)電源電路中，最關(guān)鍵的部分是功率轉(zhuǎn)換電路和倍壓整流電路。在開關(guān)電源中，功率轉(zhuǎn)換電路的基本形式有5種，正激式、反激式、半橋式、推挽式和全橋式[4]。倍壓整流電路分為二倍壓和多倍壓整流電路。下面分別介紹、分析這些功率轉(zhuǎn)換電路和倍壓整流的結(jié)構(gòu)和工作原理。（一）正激式變換電路正激式變換電路的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。由于其儲能元件與負載電阻RL串聯(lián)又稱串聯(lián)型變換電路。該電路直流電壓U是由工頻交流電源通過電源濾波器、整流濾波器后轉(zhuǎn)換獲得；開關(guān)管S為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或MOSFET；T為高頻變壓器；L和C組成LC濾波器；二極管D1為半波整流元件，D2為續(xù)流二極管；RL為負載電阻；U0為輸出穩(wěn)定的直流電壓。S的驅(qū)動信號XH為PWM控制電路輸出的方波。圖2.1正激變換電路當XH為高電平使S導(dǎo)通時，變壓器獲得輸入電壓為UT=U1，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，此時電源經(jīng)變壓器耦合向負載傳輸能量，負載上獲得電壓，濾波電感L儲能。當控制電路使S截止時，開關(guān)管S所承受的電壓與輸入電壓相等，即US=U1，變壓器原、副邊輸出電壓為零。此時，變壓器原邊在S導(dǎo)通時儲存的能量經(jīng)過線圈N3和二極管D3反送回電源。而變壓器的副邊由于輸出電壓為5單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計零，所以二極管D1截止，電感L通過二極管D2續(xù)流并向負載釋放能量，因為電容C1的濾波作用，此時負載上所獲得的電壓保持不變，輸出電壓為：Uo=N?U

（2.1）式中

N——變壓器次、初級的匝數(shù)比，N=N2:N1δ——占空比，?=

TonToff+Ton

（2.2）由式（2.1）可看出，輸出電壓U0僅由電源電壓U和方波的占空比D決定。正激變換電路結(jié)構(gòu)比較簡單，易于實現(xiàn)，可適用于中小功率的開關(guān)電源。（二）反激式變換電路圖2.2所示為反激式變換電路，其高頻變壓器T既起隔離作用又起電感L軛流的作用，因為它的儲能元件與負載RL并聯(lián)，所以又稱為并聯(lián)型變換電路。同時也可以判斷出，同正激式變換電路不同，變壓器的磁芯工作在磁滯回線的另一側(cè)，故稱為反激式變換電路。圖2.2反激式變換電路當控制電路使功率開關(guān)管S導(dǎo)通時，由于同名端的關(guān)系，二極管D1不導(dǎo)通。當S截止時，變壓器的副邊繞組產(chǎn)生的感生電動勢反向，使D1導(dǎo)通，給電容器充電，同時負載RL上產(chǎn)生電壓。在此電路中，基極的控制、副邊繞組的設(shè)計，都要遵循反激的原則。6單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計同樣地，開關(guān)管S的耐壓和變壓器的輸入電壓與電源輸入電壓相等，因此反激變換電路同正激變換電路一樣，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于實現(xiàn)，可適用于中、小功率的開關(guān)電源。（三）推挽式變換電路圖2.3所示為推挽式變換電路，它實際上是兩個單端正激式變換電路組合成推挽方式工作，兩只功率開關(guān)管S1、S2交替導(dǎo)通。其工作過程為：當S1導(dǎo)通，S2截止時，根據(jù)同名端可以判斷出，只有D2導(dǎo)通，電感L的電流逐漸上升；當S1截止、S2導(dǎo)通時，可以判斷出，只有D1導(dǎo)通，電感L的電流也逐漸上升。當兩個開關(guān)管都關(guān)斷時，二極管D1與D2都導(dǎo)通，各分擔(dān)一半的電流。圖2.3推挽式變換電路同樣可以看出，開關(guān)管的耐壓和變壓器的輸入電壓與電源輸入電壓相等，變壓器磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。推挽式變換電路結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，對驅(qū)動電路的要求較高，但輸出功率較大，適用于中、大功率的開關(guān)電源。所以，這種變換電路得到了廣泛的應(yīng)用。（四）半橋式變換電路圖2.4為半橋變換電路原理圖，半橋變換電路與正激變換電路不同的是：由兩個功率開關(guān)管S1、S2構(gòu)成，二極管D3、D4組成全波整流元件。電感L、電容C3組成LC濾波電路，實現(xiàn)對整流輸出電壓的濾波。7單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計圖2.4半橋變換電路輸入電壓U通過兩個同容量的輸入電容把U轉(zhuǎn)換成為雙電源，U1=U2=U/2，即A點的電壓UA是輸入電壓U的一半。開關(guān)管S1和S2的驅(qū)動信號XH1和XH2由控制電路產(chǎn)生，是互為反相的PWM信號。為了防止開關(guān)管S1、S2同時導(dǎo)通造成電源短路，驅(qū)動信號XH1、XH2之間必須具有一定的死區(qū)時間，即二者同時為零的時間。當XH1為高電平時，XH2為低電平，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷。電容C1兩端的電壓通過S1施加在高頻變壓器的原邊，此時UT1=U/2，變壓器副邊所接二極管D3導(dǎo)通，D4截止，整流輸出電壓與圖示Uo方向相同，再經(jīng)L、C3濾波得到輸出電壓Uo。當XH2為高電平，XH1為低電平時S2導(dǎo)通，S1關(guān)斷，電容C2兩端的電壓施加在高頻變壓器的原邊，此時UT2=U/2。二極管D4導(dǎo)通，D3截止，整流輸出電壓的方向也與圖示Uo方向相同,在S1和S2共同關(guān)斷期間原副邊繞組上的電壓為零,即UT1=0，UT2=0。在二極管D3、D4導(dǎo)通期間，電感L開始儲能。在開關(guān)管S1、S2同時截止期間，雖然變壓器副邊電壓為零，但此時電感L釋放能量，又由于電容C3的作用將使輸出電壓維持恒定不變。半橋變換電路同正激、反激式電路不同，在一個開關(guān)周期內(nèi)，前半個周期流過高頻變壓器的電流與后半個周期流過的電流大小相等，方向相反。因此，與前兩種電路相比，變壓器的磁芯工作在磁滯回線B-H的兩端，磁芯得到充分利用又防止了磁飽和，因此高頻變壓器可以設(shè)計得更小而功率更大。在一個開關(guān)管導(dǎo)通時，處于截止狀態(tài)的另一個開關(guān)管所承受的電壓與輸入電壓相等。開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的瞬間，漏感將會引起尖峰電壓對S1、S2造成影響。為此開關(guān)管S1、S2兩端各并聯(lián)一個二極管D1、D2，可以把漏感引起的尖峰電壓箝位，因此開關(guān)8單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計管所承受的電壓絕對不會超過輸入電壓，同時二極管D1、D2還作為續(xù)流二極管具有續(xù)流作用，而施加在高頻變壓器上的電壓只是輸入電壓的一半。半橋變換電路結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，對驅(qū)動電路的要求較高，但輸出功率較大，適用于中、大功率的開關(guān)電源。（五）全橋式變換電路圖2.5所示為全橋式變換電路，它用另外兩只開關(guān)管S3、S4將半橋電路中的兩個電解電容C1和C2取代，并配上相應(yīng)的驅(qū)動電路即可組成全橋變換電路。變壓器副邊所接整流二極管D5、D6實現(xiàn)全波整流。S1驅(qū)動信號XH1與S4的XH1相同，S2驅(qū)動信號XH2與S3的XH3相同，而且XH1、XH4與XH2、XH3互為反相。其輸出的電壓波形類似半橋電路。圖2.5全橋變換電路當XH1與XH4為低電平，XH2與XH3為高電平時，開關(guān)管S2和S3導(dǎo)通，S1和S4關(guān)斷，電源電壓通過S2和S3施加在高頻變壓器的原邊，此時變壓器原邊電壓為UT1=U。當XH1和XH4為高電平，XH2與XH3為低電平時，開關(guān)管S1和S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)斷，變壓器原邊電壓為UT1=-U。與半橋電路相比，原邊繞組上的電壓增加了一倍，而每個開關(guān)管的耐壓仍為輸入電壓。開關(guān)管S1、S2、S3和S4的集電極與發(fā)射極之間分別反接有箝位二極管D1、D2、D3和D4，由于這些箝位二極管的作用是當開關(guān)管從導(dǎo)通到截止時使變壓器初級磁化電流的能量以及漏感儲能引起的尖峰電壓的最高值不會超過電源電壓U，同時還可將磁化電流的能量反饋給電源，從而提高整機的效率。9單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計全橋變換電路采用了4只開關(guān)管，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對驅(qū)動電路的要求很高，但綜合性能最好。在輸入電壓U相等的情形下，較之半橋式變換電路可以輸出更大的功率，因此適用于較大功率的開關(guān)電源。（六）功率轉(zhuǎn)換電路選擇單端電路：它包括正激電路和反激電路，與雙端電路的根本區(qū)別是高頻變壓器僅工作在磁滯回線的一側(cè)。單端電路只有一個開關(guān)管，只要一組脈沖激勵，不需要分頻，因而控制電路簡單，對高壓開關(guān)管儲存時間的一致性要求不高。沒有共同通導(dǎo)問題以及電路的不對稱引起高頻變壓器單向偏磁。但是高頻變壓器磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)，效率和利用率低。雙端電路：包括全橋、半橋和推挽電路。它的優(yōu)點是高頻變壓器磁芯僅工作在磁滯回線的兩側(cè)，效率和利用率高，可獲得大功率輸出。缺點是控制電路復(fù)雜。推挽電路：優(yōu)點是變壓器上直接加輸入電源電壓，因而只用兩個開關(guān)管便能獲得較大的功率輸出，而且，一對晶體管的發(fā)射極相連，兩組基極電路無需絕緣，這樣驅(qū)動電路就可以簡化。缺點是原邊繞組只有一半時間工作，高頻變壓器的利用率差。全橋電路：優(yōu)點是開關(guān)管子上施加的最高電壓比起推挽式電路要低一半還多，這就為開關(guān)管的選擇帶來了方便。而且二極管還能將漏感儲能歸還給輸入電源，也有益于提高效率。缺點是電路使用了四個開關(guān)管，需要四組絕緣的基極驅(qū)動電路，不僅電路復(fù)雜、元器件多，而且驅(qū)動功率成倍增加。半橋電路：優(yōu)點是晶體管數(shù)量少，驅(qū)動功率小。具有抗不平衡能力。缺點是變壓器上加的電壓只有輸入電源電壓的一半。欲得到和全橋推挽電路相同的功率，開關(guān)管子必須流過兩倍的電流。綜合以上電路的特點，我們實驗上選擇簡單高效單端電路作為高壓開關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換電路。（七）倍壓整流電路雙倍壓整流電路：雙倍壓整流用一個周期內(nèi)的正負半周分別對電容器C1和C2充電[5]，使兩個電容器都充電到接近整流輸入電壓的峰值，然后將C1和C2串聯(lián)輸出，從而在負載上得到兩倍的整流輸入電壓峰值的直流電壓。見圖2.6。10單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計圖2.6

二倍壓整流電路其工作原理是：當U2為正半周時，變壓器的1端為正，2端為負，二級管D1導(dǎo)通，于是對C1充電，C1被充電到接近于U2的峰值2E2，并基本保持不變。在此期間，二極管D2處于截止狀態(tài)，因此，C2不被充電，其兩端無電壓。在U2負半周時，變壓器2端為正，1端為負，二級管D2導(dǎo)通，C2也被充電到接近U2的峰值2E2。至此，輸出電壓應(yīng)為兩電容器C1和C2上的電壓之和，即變壓器次級電壓峰值的兩倍。在這種電路中，每個二級管承受的最大反向電壓22E2，而電容上的電壓為2E2。圖2.7

多倍壓整流電路三倍壓整流電路及多倍壓整流電路原理如圖2.7所示，它用三個二極管和三個電容器可以做成三倍壓整流電路，其工作原理與雙倍壓整流電路類似。在第一個周期內(nèi)，二級管D1、D2及電容器C1、C2的工作原理與雙倍壓整流相同，二極管D3和電容器C3在此其間不起作用。在第二個周期的正半周到來時，變壓器次級又是1端正，2端負，這時D1已重復(fù)上述過程，同時由于C2已充有22E2的電壓，此電壓與變壓器次級電壓E2相加，使D3導(dǎo)通，C3充電至接近22E2，于是在負載上得到的電壓為C1和C3上的電壓之和，即接近于32E2。需要指出的是C1、C2和C3的充電電壓并不是在第二周期的正半周分別充到2E2、22E2和32E2的，而是在經(jīng)過幾個周期后，C3上的電壓才逐漸穩(wěn)定在其左右。11單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計電路中每個整流二極管承受的最大反向電壓均為22E2，C1上承受的電壓為2E2，C2和C3上承受的電壓為22E2。依此類推，用n個整流二極管和n個電容器就可以組成n倍壓整流電路。但是由于高階倍壓整流電路帶負載能力很差，輸出很小的功率就會導(dǎo)致電壓的大幅度跌落。假設(shè)輸出電流為I，每個電容的容量為C，頻率為f，則電壓跌落為[6]：?U=

16fC

(2n3?3n2+4n)

(2.3)輸出電壓紋波為：S=

n(n+1)4

?

IfCRL

(2.4)二、開關(guān)元件介紹(a)

圖2.8

MOSFET等效電路

(b)作為起開關(guān)作用的主功率管通常是采用圖2.8所示的MOSFET，其周圍電路的元件均為其寄生元件，會嚴重影響MOS管作為開關(guān)元件的性能[7]。作為一個開關(guān)元件，主要考慮的是開和關(guān)的時間要足夠短，以便使其工作于最小電阻和最大電阻之間，以減小功率消耗。實際的開關(guān)時間一般為10-100ns，而電源的開關(guān)周期為20-200ps。開關(guān)時間也主要決定于其寄生電容的充放電時間。另一個重要的寄生參數(shù)是柵極電阻，直接影響開關(guān)的開通時間，而這個參數(shù)0值，實際上柵極的域值電壓是以-7mV/0C的負溫度系數(shù)在變化。還有兩個重要的寄生參量是源級電感和漏級電感，其值的大小主要依賴于MOS管的封裝形式，在規(guī)格書中，都給出了典型值和MOS管開通時的工作狀態(tài)。12一般的規(guī)格書都沒有提供。柵極的驅(qū)動電壓域值一般在規(guī)格書中提供的是25C的一般的規(guī)格書都沒有提供。柵極的驅(qū)動電壓域值一般在規(guī)格書中提供的是25C的單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計第一階段輸入電容充電，此過程大部分柵極電流給CGS（柵源電容）充電，極少部分電流流過CGD（柵漏電容），當CGS電壓達到開通電壓時，CGD上的電壓開始逐漸減小。此過程漏級電流和漏級電壓均沒有改變，稱之為開通延遲。從第二個階段開始，漏級電流開始出現(xiàn)，柵極電壓從開通電壓上升到平臺區(qū)。次過程，MOS處于線性工作區(qū)，其漏級電流正比于柵極電壓。柵極的電流流進CGS和CGD，漏源電壓仍然保持不變。第三階段，CGS充電完畢，漏級電壓開始下降，柵級電壓保持不變。所有的柵極電流都從CGD流過(CGD通過逐漸導(dǎo)通的溝道放電)。最后，更高的柵極電壓加在CGS和CGD上，促使MOS管完全導(dǎo)通.此階段的CGS電壓（VDRV）決定了MOS的通態(tài)電阻，此過程柵極電流分別從CGS和CGD流過，漏源電流不變，漏源電壓隨著開態(tài)電阻的減小而減小。MOS的關(guān)斷過程正好和上述過程相反。MOS本身的功耗主要由三部分組成:開、關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。源級寄生電感對開關(guān)的性能影響極大，構(gòu)成源級寄生電感的主要是封裝時的壓焊線和出腳的引線電感，此外，電路外邊串聯(lián)的取樣電阻也增加了寄生電感。MOS開關(guān)的過程中，給充電的電流要通過這個寄生電感，這會對MOS的開通和關(guān)斷造成延時(CGS充、放電的過程將變長)，另外源級寄生電感和輸入電容可能會形成振蕩。由此需要在柵極串聯(lián)一個電阻，依經(jīng)驗該電阻值的選取一般為5-10歐姆。阻值太小，驅(qū)動電壓的波形會有一個過沖，但仍能獲得較快的開關(guān)速度。阻值太大雖然沒有過沖，但對開關(guān)的驅(qū)動沒有任何好處。源級寄生電感還存在另一個影響，當源級電流迅速變化的時候，源級寄生電感給柵極電流的變化提供了不利的負反饋。這個過程發(fā)生在開通的第二個時間段和關(guān)斷的第三個時間段。為了迅速增加漏級電流，必須在源級寄生電感上增大電壓降，這個電壓升高，那么變壓器上的有用電壓就降低，否則會導(dǎo)致源級電流的變化減慢。此時，柵極電流就通過源級電流在源級寄生電感上的壓降，產(chǎn)生了負反饋，從而使柵極電流的變化也減慢了。漏級寄生電感也是由封裝內(nèi)的引線電感和與它相連的外部引腳電感產(chǎn)生的。它的作用相當于給MOS加了一個緩沖器，減少了漏級電流的變化率。雖然可以減少開通損耗，但大大增加了關(guān)斷損耗。造成這個的原因主要是自感電動勢疊加在MOS的漏級電壓上，影響MOS的導(dǎo)通。13單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計三、開關(guān)管尖峰吸收電路開關(guān)管在高頻狀態(tài)下工作，會產(chǎn)生振蕩。為了消除這種寄生振蕩[8]，應(yīng)盡量減少開關(guān)管與各管腳的連線長度，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?xùn)艠O。同時，由于開關(guān)變壓器T是感性元件，所以在開關(guān)管截止瞬間，其漏極將產(chǎn)生極高的反峰值電壓，容易導(dǎo)致開關(guān)管過壓損壞，為此必須設(shè)置尖峰吸收回路。圖2.9所示為典型的單端變換電路的吸收回路設(shè)計。接在開關(guān)管漏極的R3、C1、VD1為吸收網(wǎng)絡(luò)。當開關(guān)管關(guān)斷時，高頻變壓器初級線圈上產(chǎn)生的尖峰電壓改為向電容充電，因此，可限制尖峰電壓的峰值以及上升速率，對開關(guān)管起保護作用。圖中R1既是MOS功率管的柵極限流電阻，又與R2一起消除功率管工作時產(chǎn)生的寄生振蕩。TR3

C1

輸出VD1

端TL494

R1R2圖2.9

尖峰脈沖吸收回路四、高頻變壓器高頻變壓器是高壓開關(guān)電源的核心部件之一，由于高壓電源的變壓器工作時的頻率較高，它要求磁芯材料在頻率下功率損耗盡可能小[10]；此外，還要求飽和磁通密度高；隨著工作溫度的升高，飽和磁通密度的降低盡量小等等。（一）磁芯材料和結(jié)構(gòu)根據(jù)電源對變壓器的要求，大部分高壓電源主要采用鐵氧體磁芯材料。用鐵氧體磁芯材料結(jié)構(gòu)選擇的因素有下列幾個方面：1、漏磁要小，以便能獲得小的繞阻漏感。2、便于繞制，引出線及整個變壓器的安裝方便，這樣有利于生產(chǎn)維護，有利于散熱。14單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計3、鐵氧體磁芯材料的結(jié)構(gòu)形式如環(huán)形、U形、E形、EI形、EE形以及E形帶有圓柱形中心柱和外腿帶有螺釘固定位置等大功率鐵氧體磁芯。環(huán)形磁芯的漏磁小，但繞阻的繞制，尤其是副邊大電流繞阻的繞制以及引出線和整個變壓器的固定均較麻煩，磁芯的散熱也不好，而U形磁芯的漏磁較大，E形磁芯具有圓柱形中心柱的結(jié)構(gòu)，繞阻的繞制更普通電力變壓器的繞阻繞制一樣方便，而且，在整個繞阻高度耦合良好從而減小了漏感。（二）繞阻計算高頻變壓器原副邊繞阻計算包括按輸入輸出電壓確定匝數(shù)，根據(jù)功率確定導(dǎo)線截面以及校核空載勵磁電流等。1、繞組匝數(shù)計算對于進行方波轉(zhuǎn)換的高頻變壓器，其基本設(shè)計公式為式（2.5）：N1=

V1?1084BSef

（2.5）式中N1為變壓器原邊繞組匝數(shù)（T）；V1為施加在該繞組上的電壓幅值，這里即為輸入整流濾波電壓（V）；B為工作磁通密度（GS）；Se為磁芯有效面積（cm2）；f為高頻變壓器工作頻率（Hz）?；蛘哂脤?dǎo)通脈沖寬度來計算，如式（2.6）所示：N1=

V1tON2BSe

?102

（2.6）其中tON為半周期內(nèi)導(dǎo)通脈沖寬度（us）。2、校核勵磁電流原邊繞組電感量L1可按式（2.7）求得：L1=

?0?rN12Sele

（H）

（2.7）其中?0為真空導(dǎo)磁率，?0=4??10-9H/cm；?r為磁芯材料的相對導(dǎo)磁率，它不是常數(shù)，鐵氧體的?r約為800-5000，一般可取1500；Se為磁芯有效截面積（cm2）；le為平均磁路長度（cm）。15單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計勵磁電流的計算公式為式（2.8）：I?=

V1tONl1

（A）

（2.8）其中V1單位為伏（V），tON為秒，l1用亨（H）。式中求出的勵磁電流I?是時間t=tON時、即半個周期內(nèi)脈沖終了時勵磁電流的幅值，不宜太大，一般在額定工作電流的10%以下。（三）繞阻的繞制高頻變壓器繞制時需要特別注意分布參數(shù)給予的影響，由于它的繞組匝數(shù)不多，同時對波形的要求也不嚴格，因而，由繞組本身的的分布電容引起問題相應(yīng)之下不是主要的。如前所述，漏感將會引起關(guān)斷電壓尖峰，雖然可以用RC吸收網(wǎng)絡(luò)加以抑制，但最根本的辦法還是在選擇磁芯和繞阻繞制時盡可能的減小漏感。圖2.10

繞組形式和磁芯結(jié)構(gòu)示意圖圖2.10所示的高頻變壓器原邊繞阻的漏感可用式（2.9）表示：Ls1=

1.256KPl1N18

2

h+h23

)

（2.9）其中l(wèi)1為原副邊繞組的平均匝長（cm）；h1為原邊繞阻厚度（cm）；h2為副邊繞阻厚度（cm）；h?為原邊繞阻間的間距（cm）；b?為原副邊繞組的高度（cm）；1610bw?(h?10bw?(h?+1單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計Kp是與繞組的繞法以及磁芯參數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。顯而易見，為了得到低漏感，磁芯和繞組的形狀應(yīng)選擇設(shè)計成徑向厚度較小的長繞組，采用高導(dǎo)磁率、雜散場小的磁芯。但是磁芯形狀的選擇還需在易于繞制繞組、減小漏感、便于散熱以及體積等方面折衷考慮。無論何種磁芯形狀都應(yīng)使原副邊繞組盡可能的緊密耦合，這樣才能減小漏感。五、高壓開關(guān)電源主電路設(shè)計TUinN1

N2TL494Uout圖2.11

開關(guān)和倍壓整流電路實驗上，我們采用的高壓電源電路如圖2.11所示。采用簡單高效的單端電路[9]Uout=

(2n?1)N?Uin(1??)

（2.10）式中

N——變壓器次、初級的匝數(shù)比，N=N2:N1n——倍壓級數(shù)Uin——變壓器的初級供電電壓δ——占空比，?=

TonToff+Ton

（2.11）因此，在n、N、Uin一定時，調(diào)節(jié)δ就可得到連續(xù)可調(diào)的電壓。六、本章小結(jié)本章介紹了各種開關(guān)電源功率電路的優(yōu)缺點、倍壓整流電路和功率開關(guān)管的工作方式和原理，以及變壓器的參數(shù)選擇和線圈繞制的基本方法。17，倍壓電路為半臂逆對稱式（6倍壓），在理想的情況下，輸出端電壓為：，倍壓電路為半臂逆對稱式（6倍壓），在理想的情況下，輸出端電壓為：單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計第三章電路硬件設(shè)計電路的硬件部分主要功能是實現(xiàn)對整個高壓電源的電壓輸出和保護，以及輸出電壓的設(shè)定和顯示?？刂齐娐芬許TC89C51單片機為核心，通過對電壓的采樣和反饋控制震蕩模塊TL494輸出的占空比，達到控制電壓輸出和保護的目的。一、電源的整體結(jié)構(gòu)和工作原理電源的整體電路結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：圖3.1

高壓開關(guān)電源的整體結(jié)構(gòu)和工作原理市電經(jīng)過輔助電源得到連續(xù)可調(diào)的直流電作為供電電源。由TL494組成的脈沖振蕩器產(chǎn)生20kHz的觸發(fā)脈沖[11]，經(jīng)限流電阻R1加至場效應(yīng)管的柵極，當脈沖為高電平時，開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通，電流從初級線圈的正級經(jīng)場效應(yīng)管流向地，電能轉(zhuǎn)化為磁能被儲存在變壓器中，在變壓器的初級線圈產(chǎn)生上正下負的電壓，由于整流電路的二極管反向截止，則流經(jīng)次級線圈的電流為零。當觸發(fā)脈沖為低電平時，場效應(yīng)管截止，流經(jīng)初級線圈的電流為零，電壓為上負下正。次級線圈的電壓變?yōu)樯险仑?。整流二極管被導(dǎo)通，電流通過二極管對電容充電，變壓器的磁能被轉(zhuǎn)化為電能，這樣就完成一個周期的變壓器的能量轉(zhuǎn)換。電壓經(jīng)變壓器并由倍壓整流后輸出，R3、C1、VD1組成尖峰吸收回路對場效應(yīng)管進行保護。電容采用高壓聚苯乙烯電容器（CBY-30kV、2000PF），二極管采用高反壓硅2CGL-25kV。綜合考慮其工作頻率、倍壓電容容量及耐壓，取n=7，18單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計變壓器的升壓比為N2:N1=140:1，磁芯為U型中頻磁芯。電源的控制是采用單片機控制TL494的占空比來實現(xiàn)的，當由鍵盤輸入電壓值之后，單片機系統(tǒng)將用戶的輸入值轉(zhuǎn)換與實際電壓值一一對應(yīng)，經(jīng)過運算通過DA輸出電壓控制TL494的3腳，得到一定占空比的方波，該方波作為驅(qū)動開關(guān)管的觸發(fā)脈沖，通過高頻變壓器和倍壓整流輸出高壓。對輸出電壓信號的取樣，采用在輸出端將高壓經(jīng)電阻串聯(lián)衰減的方式來實現(xiàn)；對電流信號，采用在主回路中串聯(lián)取樣電阻，將負載電流轉(zhuǎn)化為電壓信號。取樣電壓、電流信號經(jīng)光耦隔離后反饋入單片機。由AD經(jīng)光耦返回的電壓值與輸入值進行比較，利用誤差進行輸出校正。輸出電壓按照預(yù)置步長逐步增加，當AD檢測電壓或電流返回值大于保護值時，由單片機DA輸出高于2.58V的電壓給TL494的4腳，使其停止震蕩，達到保護的目的。二、TL494簡介TL494是美國德州儀器公司最先生產(chǎn)的一種脈寬調(diào)制開關(guān)電源集成控制器[12]

，它包含了控制開關(guān)電源所需的主要功能，可作為單端式、半橋式、全橋式開關(guān)電源的控制系統(tǒng)。其主要特點為：1、內(nèi)置有5V±5%的基準電源2、末級輸出的最大電流可達250mA3、有死區(qū)時間可調(diào)控制端4、可對它的鋸齒波振蕩器的工作狀態(tài)執(zhí)行外同步控制其主要性能為：1、TL494在供電范圍7—40V之間能夠正常工作，占空比最大可達到二分之一，周期T變化范圍在25—100us之間，即頻率變范圍在10—40kHz之間。且占空比和頻率可獨立調(diào)節(jié)，互不影響。2、TL494的周期與調(diào)頻電阻和電容成正比關(guān)系，T=RC/1.1。占空比可由直流電壓來調(diào)整。3、可實現(xiàn)對電路震蕩的控制。TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路[13]，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：f=1.1/RC。輸出脈沖的寬度是通過電容C上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制19單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見圖3.2。圖3.2

TL494內(nèi)部等效電路控制信號由集成電路外部輸入[14]，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的4%，當輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在0—3.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5V時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時間中下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V到2V的共模輸入范圍，這可以從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進行“或”運算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當比較器CT放電，一個正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進行計時，同時停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時，輸出驅(qū)動信號分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當需要更高的驅(qū)動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。20單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計三、TL494應(yīng)用電路利用TL494的各個管腳外接不同電路，它可以實現(xiàn)以下功能：調(diào)壓、軟啟動、穩(wěn)壓和過流保護。1、調(diào)壓電路TL494的外圍電路如圖3.3所示，1腳、16腳、2腳、15腳分別為兩個誤差放大器的同相輸入端和反相輸入端[15]，如圖接法兩個誤差放大器的輸出將始終為負值，這樣做的目的是為了封閉兩個誤差放大器，單片機的控制信號直接由3腳給入。3腳脈寬的改變和3腳輸入的電壓成正比。這種方式調(diào)節(jié)的輸入信號范圍寬，約為1—3.6V，穩(wěn)態(tài)誤差小，輸出精度高。圖3.3

TL494外圍電路圖2、軟啟動電路原理如圖3.4所示，輸出電壓軟啟動的基本原理是脈寬調(diào)制器的輸出脈寬應(yīng)能從零開始緩慢地增大到額定輸出寬度，同時，從接通交流電網(wǎng)起，到脈寬從零開始上升時為止，這段所謂“等待時間”應(yīng)能大于軟啟動的要求，亦即t=t1+t2，其中t1是充電時間常數(shù)，t2即為輸出電壓從零上升到額定值所需的時間。我們利用4腳的死區(qū)控制和電容的充電特性來實現(xiàn)輸出軟啟動，由于4腳所加的電壓高于3V時，TL494輸出方波占空比為零，而電容充電過程的中間段接近線性，在上電瞬間R1上的電壓約為5V，之后隨著電容的充電R1上的電壓逐漸降低，直至設(shè)定的死區(qū)控制電壓為止。21單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計圖3.4

軟啟動電路原理圖3、穩(wěn)壓和過流保護電路穩(wěn)壓和過流電路原理如圖3.5所示，單片機A/D電壓采樣是高壓端反饋的經(jīng)過電阻R4、R5串聯(lián)后經(jīng)電阻R5分壓的電壓[16]，將其與單片機鍵入的電壓進行比較放大后通過TL494反饋腳(3腳)輸出進行控制，進而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓。為了能夠達到最大在50kV穩(wěn)壓，必須設(shè)定通過前級高壓反饋在A/D端的電壓必須小于或等于5V才能滿足條件。高壓反饋的分壓是通過電阻R4和R5串聯(lián)，加上電壓表表頭的內(nèi)阻實現(xiàn)的。電流采樣是通過R6來實現(xiàn)的。反饋信號通過光耦反饋到單片機，已到達對低壓端的保護。當反饋信號大于保護的設(shè)定值時[17]，單片機給3腳一個信號，使TL494的占空比輸出為零，達到保護的目的。圖3.5

穩(wěn)壓和過流電路原理圖四、單片機系統(tǒng)介紹控制系統(tǒng)以STC89C51單片機為核心[18]，采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX525芯片完成數(shù)模轉(zhuǎn)換；通過P0口控制LED顯示，P1口用于與4x4鍵盤接口完成按鍵22單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計識別功能；利用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1247芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換；通過MAX7219實現(xiàn)對八個數(shù)碼管的控制。儀器操作面板上的鍵盤與顯示部分，由8位數(shù)碼管，2個LED指示燈以及16個鍵構(gòu)成，其中數(shù)碼管顯示鍵入電壓以及實際輸出電壓，LED指示燈作為過壓和過流報警顯示，鍵盤用于輸入電壓值、步長值，系統(tǒng)硬件原理如圖3.6所示。圖3.6

硬件原理圖1、STC89C51的特性如下[19]：（1）MCS-51微控制器產(chǎn)品系列兼容。（2）片內(nèi)有4KB可在線重復(fù)編程的快閃擦除存儲器。（3）儲存器可循環(huán)寫入/擦除10000次。（4）儲存數(shù)據(jù)保存時間為10年。（5）寬工作電壓為：VCC可以為2.7-6V。（6）全靜態(tài)工作：可以從0Hz-16Hz。（7）程序儲存器具有3級加密保護。（8）128位內(nèi)部ROM。（9）32條可編程ROM。（10）兩位16位定時/計數(shù)器。（11）中斷結(jié)構(gòu)。23單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計（12）可編程全雙工串行通道。（13）空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。2、STC89C51的單片機的基本組成：一個8位的微處理器CPU，片內(nèi)數(shù)據(jù)儲存器RAM，片內(nèi)程序儲存器ROM，四個8位并行的I/O接口P0-P3，兩個或三個T/C，5個中斷源的中斷系統(tǒng)，一個全雙工的UART的串行I/O口，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。3、STC89C51單片機引腳圖及說明：STC89C51單片機引腳如圖3.7所示，其功能說明如下：圖3.7

STC89C51單片機引腳圖（1）電源引腳VCC和GND。VCC（40腳）：電源：接+5V；GND（20腳）：接地端。（2）時鐘電路引腳XTAL1（19腳）和XTAL2(18腳)。（3）控制信號引腳RST（復(fù)位信號輸入端），PSENE(程序儲存允許輸出信號端)和EA（外部程序儲存器地址允許輸入端）。（4）輸入/輸出端口P0,P1,P2和P3。4、D/A轉(zhuǎn)換電路MAX525介紹：24單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計MAX525是4通道模擬電壓輸出12位串行輸入的D/A轉(zhuǎn)換器，含有4個精密輸出放大器，芯片為20個引腳，具有特殊的增益結(jié)構(gòu)、感應(yīng)靈敏度和高輸出驅(qū)動性能。其他的性能包括：軟件關(guān)閉、硬件關(guān)閉鎖，定、低活性重啟（所有寄存器和DAC清零）、一個人工應(yīng)用可編程邏輯輸出和一串行數(shù)據(jù)輸出。圖3.8

MAX525引腳圖MAX525引腳如圖3.8所示，其功能說明如下：（1）VDD：+5V電壓輸入斷。（2）AGND、DGND：模擬地和數(shù)字地。（3）FBA、FBB、FBC、FBD：DAC的A、B、C、D通道輸出放大的負反饋端。（4）OUTA、OUTB、OUTC、OUTD：DAC的A、B、C、D通道輸出放大器的電壓輸出端。（5）REFAB、REFCD：DAC的A、B和C、D通道參考電壓輸入端。（6）DOUT:串行二進制數(shù)據(jù)輸出端。（7）UPO:用戶可編程邏輯輸出端。（8）CL：復(fù)位端（低電平有效）。（9）CS：片選輸入端。（10）DIN：串行二進制數(shù)據(jù)輸入端。（11）SCLK：串行時鐘輸入端。（12）PDL:掉電閉鎖端。25單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計5、A/D轉(zhuǎn)換電路MAX1247介紹：MAX1247是美國MAXIM公司推出的一種低功耗、4通道、12位串行模轉(zhuǎn)換芯片。該芯片是一種逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部自帶與微處理器的串行接口SPI。同時，它還可以在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下對外部4通道模擬輸入信號進行順序轉(zhuǎn)換，且單一電源供電（2.7V～5.25V）。與其他APD轉(zhuǎn)換器相比，MAX1247具有較低的功耗和豐富的片上資源，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，工作性能好，非常適用于便攜式儀表儀器開發(fā)。圖3.9

MAX1247引腳圖MAX1247引腳如圖3.9所示，其功能說明如下：（1）VDD（1）：電源端。（2）CH0～CH3（2,3,4,5）：模擬信號輸入通道0～3。（3）COM（6）：模擬輸入的參考地。（4）SHDN（7）：關(guān)閉輸入控制端，為低時，將使器件掉電；為高時，將使參考緩沖區(qū)放大器處于內(nèi)部補償模式；將其浮動，則使參考緩沖區(qū)放大器處于外部補償模式。（5）VREF（8）：參考緩沖區(qū)放大器的輸入，要使參考緩沖區(qū)放大器無效，需將其拉至VDD。（6）REFADJ（9）：參考緩沖放大器的輸入端。（7）AGND（10）：模擬地。（8）DGND（11）：數(shù)字地。（9）高阻態(tài)。26單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計（10）SSTRB（13）：轉(zhuǎn)換結(jié)束腳，當處于內(nèi)部時鐘模式，且芯片開始轉(zhuǎn)換時，該腳變低，若轉(zhuǎn)換結(jié)束，該腳變高；在外部時鐘模式下，在MSB開始形成之前，該腳維持一個時鐘脈沖的高電平。（11）DIN（14）：串行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被鎖存。（12）CS（15）：片選端。（13）SCLK（16）：串行時鐘輸入，用來進行串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。6、4*4鍵盤電路介紹：用STC89C51的并行口P0接4*4矩陣鍵盤，以P0.0-P0.3作輸入線，以P0.4-P0.7作輸出線：在數(shù)碼管上顯示每個按鍵的“0-F”序號。對應(yīng)的按鍵的序號排列如圖3.10所示：圖3.10

按鍵盤序號排列圖行列式的鍵盤即矩陣式鍵盤[20]，它由行和列組成，在每個行列的交叉點上放置一個按鍵，這樣4*4行列式鍵盤共需要16個鍵盤組成；AD0～AD7分別接排阻和單片機的P0.0～P0.7。當按其中一個鍵時，單片機就將按下的鍵值讀入緩沖區(qū)，并且通過數(shù)碼管顯示出按下的那個鍵值。五、單片機系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意的問題在設(shè)計電源的時候要充分考慮控制系統(tǒng)的抗干擾性，由于數(shù)字系統(tǒng)防干擾的能力較弱，所以在設(shè)計電源時要充分減少電源對控制端的影響。切斷干擾途徑要注意以下幾個問題：27單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計1、充分考慮電源對單片機的影響，電源做得好整個電路的抗干擾就解決了一半，許多單片機對電源噪聲很敏感，要給單片機電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減少電源，噪聲對單片機的干擾。2、注意晶振布線，晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。3、電路板合理分區(qū)，盡可能把干擾源與單片機遠離。4、地線把數(shù)字與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地，A/D，D/A芯片布線也以此為原則。5、單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減少相互干擾，大功率器件可能放在電路板的邊緣。六、本章小結(jié)本章主要介紹了高壓電源系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，闡述了電源的主要工作原理。并對脈寬調(diào)制芯片TL494和單片機的硬件系統(tǒng)的特點和功能進行了說明。28單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計第四章控制系統(tǒng)設(shè)計電源的數(shù)字化控制是今后電源的發(fā)展趨勢，控制算法的軟件化為電源系統(tǒng)的控制策略的選擇與復(fù)用提供了方便?，F(xiàn)在比較常用的有很多種控制方案，如PID控制、重復(fù)控制、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制和智能控制等等。我們采用的是PID控制技術(shù)。本系統(tǒng)采用的單片機芯片STC89C51支持兩種語言編程，一種是匯編語言，一種是C語言?？紤]到逆變系統(tǒng)的實時性要求，本系統(tǒng)采用C語言進行軟件設(shè)計。一、系統(tǒng)軟件的任務(wù)以STC89C51為核心組成了電源系統(tǒng)的控制電路[21]，它對控制電路各環(huán)節(jié)的工作進行整合，而且需要對電壓、電流、脈寬等數(shù)據(jù)進行處理和計算。這些任務(wù)包括：1、系統(tǒng)初始化：各個模塊的初始化，給重復(fù)控制器設(shè)定起始運行參數(shù)，各誤差項的清零，設(shè)置軟件定時中斷。2、實時采樣輸出的電壓值，通過函數(shù)的運算得到運算量。3、根據(jù)實時的電流電壓等值，經(jīng)過運算更新顯示值。4、PID控制算法得到的控制量，得到相應(yīng)的控制PWM脈寬輸出。5、如果有故障發(fā)生，立即啟動軟件程序進行保護。上面說明了系統(tǒng)軟件需要完成的任務(wù)，這些任務(wù)對于單片機來數(shù)無疑是很大的，而電源的控制對控制速度要求是很高的，系統(tǒng)的控制量的變化是很快的，這就要求系統(tǒng)的采樣周期應(yīng)該盡可能短，以便對被控制量進行及時的控制。因此在設(shè)計和編制系統(tǒng)軟件時，應(yīng)該對各個軟件的模塊結(jié)構(gòu)和相互間的時序進行有效配合，以滿足系統(tǒng)的實時性的要求。二、系統(tǒng)軟件的設(shè)計流程圖軟件系統(tǒng)分為各個模塊的子程序[22]。LED顯示子程序：輸入和輸出電壓顯示；輸出控制子程序：檢測和調(diào)整輸出值；過壓和過流保護子程序。先初始化89C51、MAX525、MAX7219芯片各端口[23]，開中斷響應(yīng)鍵盤輸入，LED顯示和D/A和A/D轉(zhuǎn)換，進行數(shù)據(jù)處理。若有過壓或過流情況發(fā)生，啟動過壓和過流保護子程序[24]，軟件流程如圖4.1所示。29單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計開始輸出電壓及步長值給定PID調(diào)節(jié)

輸出顯示

輸入顯示NOD/A輸出TL494

報警YES顯示

過壓過流判斷高壓發(fā)生電路

圖4.1

軟件流程圖

A/D采樣三、PID算法比例，積分，微分的線性組合，構(gòu)成控制量u(t)，稱為：比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，簡稱PID控制。PID控制算法是應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的一種控制技術(shù)，已經(jīng)在模擬控制逆變電源系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。然而，由于采樣和計算延遲等因素的影響，數(shù)字PID控制直接應(yīng)用到電源控制系統(tǒng)中，存在穩(wěn)定性差以及動態(tài)響應(yīng)不夠快等缺點。PID控制器是一種線性控制器。算法蘊含了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息。其中，比例（P）代表了當前的信息[25]，起校正動態(tài)偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速。積分（I）代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。微分（D）在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息，反映了誤差變化率，在過程開始時強迫過程加速進行，過程結(jié)束時減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。（一）控制器公式在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，構(gòu)成比例(P)控制器：u(t)=Kpe(t)

30

（4.1）單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計比例+積分(PI)控制器：u(t)=Kp[e(t)+

1TI

t∫0e(?)d?]

（4.2）比例+積分+微分(PID)控制器：u(t)=Kp[e(t)+

1TI

t∫0

e(?)d?+Td

de(t)dt

]

（4.3）式中Kp-比例放大系數(shù)；KI-積分時間；Td-微分時間。或：

tu(t)=Kpe(t)+KI∫e(?)d?+Kd0

de(t)dt

（4.4）式中Kp-比例放大系數(shù)；KI-積分時間；Kd-微分系數(shù)。我們采用的是比例+積分+微分(PID)控制器。（二）參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小[26]。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：1、首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；31單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計2、僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；3、在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。（三）程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖4.2所示[27]：圖4.2

程序流程圖四、本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計和實現(xiàn)方案。文中給出了系統(tǒng)軟件總體思路、各軟件模塊流程圖，并分析了PID算法。32單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計第五章試驗調(diào)試與分析對系統(tǒng)進行調(diào)試，并對實驗結(jié)果進行分析，以便驗證電源設(shè)計的合理性。我們對系統(tǒng)進行了程序測試和開閉環(huán)的測試，并分析了電源的電流與電壓輸出關(guān)系。一、程序測試首先對系統(tǒng)的軟件程序進行檢查，對其進行靜態(tài)測試和動態(tài)測試。靜態(tài)測試是指對程序的語法規(guī)則和邏輯結(jié)構(gòu)進行檢查，在確定其無誤后，對其進行動態(tài)測試。假設(shè)幾個模擬數(shù)據(jù)去試運行，經(jīng)過串口調(diào)試后把輸出結(jié)果與手工處理的正確結(jié)果相比較。如有差異，就表明計算機的程序存在有邏輯錯誤，返回改正。如果無誤，通過Keil軟件將程序輸入單片機。二、開環(huán)測試系統(tǒng)的開環(huán)測試的方式是斷開單片機的采樣線，直接由低壓直流電源向單片機的采樣端供電，通過改變對采樣端的供電來改變電源的電壓輸出，計算輸出值與低壓供電值的關(guān)系來觀察電源是否運行良好。開環(huán)測試的目的是為了檢查軟件的程序運行是否良好以及電路的正確性。測試TL494的觸發(fā)脈沖和開關(guān)管漏極電壓波形如圖5.1所示[28]：Ub

UC（a）

t

（b）

t圖5.1

TL494的觸發(fā)脈沖和開關(guān)管漏極電壓波形(a)觸發(fā)脈沖

（b）漏極電壓波形由TL494的輸出波形知道它的振蕩頻率為20kHz，且占空比可調(diào)。在系統(tǒng)的供電瞬間我們觀察到TL494的脈寬是逐漸變化的，驗證了軟啟動的設(shè)計。二、閉環(huán)測試系統(tǒng)的閉環(huán)測試主要是為了測試系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)部分。對系統(tǒng)的可調(diào)性、穩(wěn)壓性進行檢查。檢測方法為：記錄下鍵盤的輸入值、顯示值，并用電壓表測量出采樣電阻兩端的實際電壓。表5.1是鍵盤輸入值、顯示值、電源實際輸出值的關(guān)33單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計系：表5.1

鍵盤輸入值、顯示值、電源實際輸出值的關(guān)系鍵盤輸入值(kV)

顯示值(kV)

輸出值(kV)12345

615203240

5.95~6.0414.89~15.0318.98~20.0631.89~32.0839.95~40.09

5.83~6.0114.86~14.9818.87~20.0231.87~31.9939.93~40.05由表5.1我們可以看出，鍵盤輸入值與電壓實際輸出值差別不大，電壓穩(wěn)定性為0.1%，證明電源的控制系統(tǒng)達到要求，可以實現(xiàn)預(yù)期的功能。三、性能測試測量電阻由12支100M?的高壓電阻串聯(lián)而成，負載電阻由6支100M?的高壓電阻串聯(lián)而成。對電流與電壓輸出關(guān)系進行了測試和分析。測量電阻為120M?下的電壓和電流的輸出特性見表5.2和圖5.2：表5.2

測量結(jié)果輸入電壓（V）輸入電流(A)

輸出電壓(KV)

輸出電流(?A)

效率（%）123456

132128.53541.548

0.1330.2130.2990.3750.4510.528

243648607284

56.2587120150180210

78.17067.568.67069.634單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計圖5.2電壓紋波系數(shù)由式2.4得：

輸出特性S=

3

3?(3+1)

=0.03%

（5.1）由正常負載下的電壓和電流的關(guān)系可知，電源實現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)；輸出電流0~3mA；穩(wěn)定性0.1%；波紋系數(shù)<0.1%；效率>65%等要求。四、本章小結(jié)本節(jié)給出的實驗波形與數(shù)據(jù)進一步證明了電源設(shè)計的正確性，單片機的控制、穩(wěn)壓和保護功能運行良好穩(wěn)定。本文設(shè)計的單片機控制的高壓開關(guān)電源具有通用性強、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良等特點，具有較好的實際開發(fā)意義。354?204?20?10?2000?10?12?250?106單片機控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計第六章輔助電源介紹高壓電源在工作時需要一種大范圍可調(diào)的低壓電源。我們采用可控硅調(diào)壓原理。由市網(wǎng)直接供電，經(jīng)整流輸出獲得了連續(xù)調(diào)節(jié)范圍近200V的低壓電源。一、電路原理圖6.1

輔助電源電路原理圖電路原理如圖6.1所示。該電路可分為兩部分，一部分為供電電路，另一部分為控制電路。供電電路由濾波、整流、過零取樣、浪涌保護及可控硅元件組成?？刂撇糠种饕怯蒒E555組成的單穩(wěn)電路[29]。它給可控硅提供一個相位可調(diào)的控制脈沖信號，通過改變可控硅控制極脈沖信號的相位，調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角從而調(diào)節(jié)了輸出電壓的大小。二、干擾脈沖抑制在電路調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)市網(wǎng)電壓中常有些浪涌干擾脈沖出現(xiàn)，為了使電源能安全可靠地工作，我們采用了瞬變電壓抑制器—TVP（TRANSIENTVOLTAGESUPPERSSOR）作為保護器件[30]。它的外形及電路符號和普通二極管無異，但卻能“吸收”高達數(shù)千瓦的浪涌功率。該器件的主要特點是：在反向應(yīng)用條件下，當承受一個高能量的瞬時大脈沖時，其工作阻抗立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過，同時把電壓箝制在預(yù)定