精密电子设备用高压开关电源的设计

 1、引 言

在复印设备、医学仪器等精密电子系统中，广泛使用高电压、低电流的小功率电源[1]。同时要求电源系统具有重量轻、响应速度快、稳定性好、可靠性高等特点。为了上述满足精密电子系统的要求，设计制作了一种新型高压开关电源。该电源具有稳定性好、响应速度快等优点，能广泛应用于复印设备、医学仪器等精密电子系统中。

2、电路原理

系统原理框图如图1所示。高压电源的输入信号来自220V的交流市电，经整流滤波后与PWM脉冲调制器的输出信号一起驱动高频变压器，通过高频变压器得到的高压电源再经整流滤波后，输出直流高压。输出反馈信号经光电隔离后反馈给脉冲调制器，通过与脉冲调制器中误差放大器的基准电压比较，控制脉冲调制器的输出占空比，以调节输出电压。

图1 系统原理框图

3、电路设计要点

3.1 PWM控制电路

系统采用的PWM调制器为SG3524型号[4]的芯片，电路如图2所示。在芯片的电源信号入口端并联一电容C2构成一个软启动电路。设计软启动电路的目的是防止在电源突然开通时产生的过大电流对芯片造成冲击。在刚通电时，电容两端电压不能突变，它的电压随外部电源对其充电而逐渐升高，经过一段时间后，电路进入正常工作状态。这样保证了输入电压缓慢地建立起来，确保芯片不受损坏。输出电路的开关功率管选用MOS功率管。由于功率管是在高频状态下工作会产生振荡。为了消除这种寄生振荡，应尽量减少与功率管各管脚的连线长度，特别是栅极引线的长度。若无法减少其长度，可以串联小电阻，且尽量靠近管子栅极。图中R3既是功率管的栅极限流电阻，又与R4一起消除功率管工作时产生的寄生振荡。

图2 PWM电路图

3.2 变压器驱动电路

高压变压器驱动电路见图3。

图3 高压变压器驱动电路

驱动电路采用单端驱动工作方式，这种电路简单、工作可靠性高。功率管由来自SG3524芯片的信号驱动。11、14脚的单端并联输出。当SG3524输出高电平时，功率管导通，在电感L中储能；输出低电平时，功率管截止，导致流过电感L上的电流突然下降为零，L产生反电势。该反电势的脉冲电压加在高频变压器的输入端，驱动变压器工作。同时，电感L作变压器的阻抗匹配元件。

由高频变压器输出的交流电压经二极管VD2、VD3进行整流倍压后，再经C2滤波，得到高压输出。

3.3 采样反馈电路

反馈回路中，对输出电压信号的取样，采用在输出端并联电阻，再将高压经电阻串联衰减的方法实现。

R3、R4、RW为电压取样反馈电阻。电压经隔离反馈后，从SG3524芯片的1脚输入，控制占空比，进而调节输出电压，达到稳压的目的。其稳压原理是：若输出电压偏高，采样反馈的信号也偏高，与SG3524中误差放大器的基准电压比较后的电压偏低，导致占空比的宽度变窄，引起输出电压下降；反之亦然。RW是可调电阻，通过调节RW来调节输出电压。

4、性能测试

系统的输出电压通过取样电阻RW来调节，改变可变电阻的值可以改变输出电压。图4是取样电阻RW为20kΩ时的输出电压波形图。由图中可以看出，输出电压从0V上升到5kV的响应时间为0.5s左右，电源系统具有较快的响应速度。同时，由图（b）中的电压波形局部放大图可见，输出电压为5000V时，其最大电压波动小于5%。

(a) 输出电压响应图 (b) 电压波形局部放大
图4 可变电阻为20kΩ时的电压输出波形图

当RW调节至10kΩ时，电压输出如图5，此时输出电压约为2500V。与图4（a）比较可以看出，此时高压电源的响应速度有所提高，而稳定性基本不变。同时，由图4与图5还可以看出，输出电压与调节电阻成线性关系，高压电源具有良好的可控性。

图5 可变电阻为10kΩ时的电压输出波形图

5、结 论

采用单端反激式变换器，设计制作了一高压开关电源。通过对所制作电源的性能测试可以得出，此高压开关电源具有体积小、稳定性好、响应速度快等优点。能广泛应用于要求高电压、低电流的小型电源系统中。