單片機(jī)控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、沈陽師范大學(xué)碩士學(xué)位論文單片機(jī)控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì) 姓名:孟德川申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士 專業(yè):粒子物理與原子核物理 指導(dǎo)教師:鄧玉福20090501單片機(jī)控制的高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(cè)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(duì)高壓電源的智能化程度、轉(zhuǎn)換效率和帶負(fù)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(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)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

2、強(qiáng)。 本論文研究工作針對(duì) X 射線熒光分析裝置對(duì)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(jī)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(jī)控制脈寬調(diào)制芯片 TL494, 采用單端式 推動(dòng),經(jīng)變壓器和倍壓整流升壓,輸出 050kV 連續(xù)可調(diào)電壓。該電源采用數(shù)字 調(diào)節(jié)、閉環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控、模數(shù)電路相互配合,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)。關(guān)鍵詞:單片機(jī),開關(guān)電源, TL494,高壓電源Design of the high-voltage switching mode-power supply based on SCMAb

3、stractHigh-voltage power supply is applied broadly in daily life and production, especially used in military, medical, class-ray detector and electrostatic spraying. Tradltional high-voltage power supply mainly adaopts technology of linear power spuply such type of structure makes the whole effieien

4、ey of power supply below, large, heavy and operation and maintenance which is not convenient.with the developoment and advancement of power supply technology, the intelligent level, conversion efficiency and load capacity is higher requirements for the high-voltage power supply. Intelligent switchin

5、g power supply has become the mainstream form. of the power industry with the unmatched features and advantages. Application of the technology has made the hgh voltage power to become the small size, light weight, high efficiency and more intelligent.With the requirements of the efficiency, volume s

6、ize and intelligent control of the power supply for the x-ray fluorescence analysis, a high-voltage power supply based on the technique of SCM and PWM has been developed. It uses STC89C51 SCM to control TL494, adopts single ended type promote, and puts out changeable voltage after it boosted by a tr

7、ansformer and voltage multiplying rectifier. The power adopts digital regulation and closed loop real-time monitoring to cooperated with a analog circuit, and the power has advantages of strong generality, wide output range, high stable voltage accuracy, excellent control property, etc.Keywords: SCM

8、, Switchingmode-powersupply, TL494,High-voltage power supply第一章 引 言單片機(jī)控制的高壓開關(guān)電源具有通用性強(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, 效率低等缺點(diǎn), 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(fù)極性兩種。 高壓直流電源已經(jīng)廣 泛應(yīng)用于當(dāng)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,

9、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(shí)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(gè)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,

10、是第一個(gè)階段; 60年代出現(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(jí)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(jī)相互結(jié)合,開關(guān)電源進(jìn)入了“自關(guān)斷 器件” 的第二個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管,特別是 80年代問世的功率場(chǎng)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

11、個(gè)階段。三、高壓開關(guān)電源簡(jiǎn)介20世紀(jì) 70年代世界電源史上發(fā)生了一場(chǎng)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(dá)到數(shù)千 Hz , 應(yīng)用先進(jìn)的準(zhǔn)諧振技術(shù)甚至可 以達(dá)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(shí)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(diǎn)是:效率高、體積小、重量輕、反應(yīng)快、儲(chǔ)能少、設(shè) 計(jì)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。

12、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), PMW技術(shù)和逆變器技術(shù)結(jié)合 3,實(shí)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(hù) 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(hào)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(guó)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

13、子設(shè)備小型化、 高效化和高性能化 的時(shí)代發(fā)展要求。四、國(guó)內(nèi)外高壓開關(guān)電源發(fā)展的簡(jiǎn)單現(xiàn)狀目前,國(guó)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(jià)格比較昂貴, 國(guó)內(nèi)直流高壓開關(guān)電源研究起步較晚, 與先進(jìn)國(guó)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(guó)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(diǎn)不斷更新,出現(xiàn)了如頻率高、

14、效率高、功率密度高、可靠性高等新 特性?，F(xiàn)代的高壓開關(guān)電源有以下幾個(gè)難點(diǎn):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(duì)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)有所選擇。3、在控制檢測(cè)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(qiáng)電弱電間的相互影響加強(qiáng)。檢測(cè)部位的高壓電壓(近 10kV , 對(duì)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(jì)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(dòng)、數(shù)字調(diào)節(jié)、閉環(huán)實(shí)時(shí)

15、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(qiáng)、輸出范圍寬、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良等特點(diǎn)。電源整機(jī)性能指標(biāo)為:1、輸入 AC220V ,輸出電壓 050kV(連續(xù)可調(diào),輸出電流 03mA2、具有輸出過壓、過流保護(hù)3、穩(wěn)定性 0.1%, 波紋系數(shù) <0.1%,效率 >65%第二章 高壓開關(guān)電路選擇與設(shè)計(jì)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(jì)了我們實(shí)驗(yàn)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,

16、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(chǔ)能元件與負(fù)載電阻 R L 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 D 1為半波整流元件, D 2為續(xù)流二極管; R L 為負(fù) 載電阻; U 0為輸出穩(wěn)定的直流電壓。 S 的驅(qū)動(dòng)信號(hào) XH 為 PW

17、M 控制電路輸出的 方波。當(dāng) XH 為高電平使 S 導(dǎo)通時(shí),變壓器獲得輸入電壓為 U T =U1,二極管 D 1導(dǎo) 通, D 2截止,此時(shí)電源經(jīng)變壓器耦合向負(fù)載傳輸能量,負(fù)載上獲得電壓,濾波 電感 L 儲(chǔ)能。 當(dāng)控制電路使 S 截止時(shí), 開關(guān)管 S 所承受的電壓與輸入電壓相等, 即 U S =U1,變壓器原、副邊輸出電壓為零。此時(shí),變壓器原邊在 S 導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存 的能量經(jīng)過線圈 N 3和二極管 D 3反送回電源。而變壓器的副邊由于輸出電壓為 圖 2.1 正激變換電路零,所以二極管 D 1截止,電感 L 通過二極管 D 2續(xù)流并向負(fù)載釋放能量,因?yàn)?電容 C 1 的濾波作用,此時(shí)負(fù)載上所獲得的電壓

18、保持不變,輸出電壓為:U N =o U (2.1 式中 N 變壓器次、初級(jí)的匝數(shù)比, N=N2:N1 占空比, onoff on T T T += (2.2 由式(2.1可看出,輸出電壓 U 0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(jiǎn)單,易于實(shí)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?yàn)樗膬?chǔ)能元件與負(fù)載 R L 并聯(lián),所以又稱為并聯(lián)型變換電路。同 時(shí)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。當(dāng)控制電路使功率開

19、關(guān)管 S 導(dǎo)通時(shí), 由于同名端的關(guān)系, 二極管 D 1不導(dǎo)通。 當(dāng) S 截止時(shí),變壓器的副邊繞組產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)反向,使 D 1導(dǎo)通,給電容器 充電,同時(shí)負(fù)載 R L 上產(chǎn)生電壓。在此電路中,基極的控制、副邊繞組的設(shè)計(jì), 都要遵循反激的原則。圖 2.2 反激式變換電路同樣地, 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(jiǎn)單,易于實(shí)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(shí)際上是兩個(gè)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 S 1、 S 2交替導(dǎo)通。其工作過程為:當(dāng) S 1

20、導(dǎo)通, S 2截止時(shí),根據(jù)同名端可以判斷出,只有 D 2導(dǎo)通,電感 L 的電流逐漸上升;當(dāng) S 1截止、 S 2導(dǎo)通時(shí),可以判斷出,只有 D 1導(dǎo)通,電感 L 的電流也逐漸上升。當(dāng) 兩個(gè)開關(guān)管都關(guān)斷時(shí),二極管 D 1與 D 2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(duì)比較復(fù)雜, 對(duì)驅(qū)動(dòng)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

21、不同的是:由兩個(gè)功率開關(guān)管 S 1、 S 2構(gòu)成,二極管 D 3、 D 4組成全波整流元件。電感 L 、電 容 C 3組成 LC 濾波電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)整流輸出電壓的濾波。 輸入電壓 U 通過兩個(gè)同容量的輸入電容把 U 轉(zhuǎn)換成為雙電源, U 1=U2=U/2, 即 A 點(diǎn)的電壓 U A 是輸入電壓 U 的一半。 開關(guān)管 S 1和 S 2的驅(qū)動(dòng)信號(hào) XH1和 XH2由控制電路產(chǎn)生,是互為反相的 PWM 信號(hào)。為了防止開關(guān)管 S 1、 S 2同時(shí)導(dǎo)通 造成電源短路,驅(qū)動(dòng)信號(hào) XH1、 XH2之間必須具有一定的死區(qū)時(shí)間,即二者同 時(shí)為零的時(shí)間。當(dāng) XH 1為高電平時(shí), XH 2為低電平, S 1導(dǎo)通, S

22、 2關(guān)斷。電容 C 1兩端的電 壓通過 S 1施加在高頻變壓器的原邊,此時(shí) U T1=U/2,變壓器副邊所接二極管 D 3導(dǎo)通, D 4截止,整流輸出電壓與圖示 U o 方向相同,再經(jīng) L 、 C 3濾波得到輸出 電壓 Uo 。當(dāng) XH 2為高電平, XH 1為低電平時(shí) S 2導(dǎo)通, S 1關(guān)斷,電容 C 2兩端的 電壓施加在高頻變壓器的原邊,此時(shí) U T2=U/2。二極管 D 4導(dǎo)通, D 3截止,整流 輸出電壓的方向也與圖示 U o 方向相同 , 在 S 1和 S 2共同關(guān)斷期間原副邊繞組上 的電壓為零 , 即 U T1=0, U T2=0。在二極管 D 3、 D 4導(dǎo)通期間,電感 L 開

23、始儲(chǔ)能。 在開關(guān)管 S 1、 S 2同時(shí)截止期間,雖然變壓器副邊電壓為零,但此時(shí)電感 L 釋放 能量,又由于電容 C 3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(gè)開關(guān)周期內(nèi), 前半個(gè)周期流 過高頻變壓器的電流與后半個(gè)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(jì)得更小而功率更大。 在一個(gè)開關(guān)管導(dǎo) 通時(shí), 處于截止?fàn)顟B(tài)的另一個(gè)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(huì)引起尖峰電壓對(duì) S 1、 S 2造成影

24、響。 為此開關(guān)管 S 1、 S 2 兩端各并聯(lián)一個(gè)二極管 D 1、 D 2,可以把漏感引起的尖峰電壓箝位,因此開關(guān) 圖 2.4 半橋變換電路管所承受的電壓絕對(duì)不會(huì)超過輸入電壓,同時(shí)二極管 D 1、 D 2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(duì)比較復(fù)雜, 對(duì)驅(qū)動(dòng)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 S 3、 S 4將半橋電路中 的兩個(gè)電解電容 C 1和 C 2取代,并配上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路即可組成全橋變換電路。 變壓器副邊所接整流二極管 D 5、

25、 D 6實(shí)現(xiàn)全波整流。 S 1驅(qū)動(dòng)信號(hào) XH 1與 S 4的 XH 1相同, S 2驅(qū)動(dòng)信號(hào) XH 2與 S 3的 XH 3相同,而且 XH 1、 XH 4與 XH 2、 XH 3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(dāng) XH 1與 XH 4為低電平, XH 2與 XH 3為高電平時(shí),開關(guān)管 S 2和 S 3導(dǎo)通, S 1 和 S 4 關(guān)斷, 電源電壓通過 S 2 和 S 3施加在高頻變壓器的原邊, 此時(shí)變壓器原 邊電壓為 U T1=U 。當(dāng) XH 1和 XH 4為高電平, XH 2與 XH 3為低電平時(shí),開關(guān)管 S 1和 S 4導(dǎo)通, S 2和 S 3關(guān)斷,變壓

26、器原邊電壓為 U T1=-U 。與半橋電路相比,原邊 繞組上的電壓增加了一倍,而每個(gè)開關(guān)管的耐壓仍為輸入電壓。開關(guān)管 S 1、 S 2、 S 3和 S 4的集電極與發(fā)射極之間分別反接有箝位二極管 D 1、 D 2、 D 3和 D 4, 由于這些箝位二極管的作用是當(dāng)開關(guān)管從導(dǎo)通到截止時(shí)使變壓器 初級(jí)磁化電流的能量以及漏感儲(chǔ)能引起的尖峰電壓的最高值不會(huì)超過電源電壓 U ,同時(shí)還可將磁化電流的能量反饋給電源,從而提高整機(jī)的效率。全橋變換電路采用了 4只開關(guān)管, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 對(duì)驅(qū)動(dòng)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

27、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(gè)開關(guān)管, 只要一組脈沖激勵(lì), 不 需要分頻, 因而控制電路簡(jiǎn)單, 對(duì)高壓開關(guān)管儲(chǔ)存時(shí)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(duì)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(diǎn)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(diǎn)是控制電路復(fù)雜。 推挽電路:優(yōu)點(diǎn)是變壓器上直接加輸入電源電壓, 因而只用兩個(gè)開關(guān)管便能

28、獲得較大的功率輸出, 而且, 一對(duì)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(dòng)電路就可以簡(jiǎn)化。 缺點(diǎn)是原邊繞組只有一半時(shí)間工作, 高頻變壓器的利 用率差。全橋電路:優(yōu)點(diǎn)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(chǔ)能歸還給輸入電 源, 也有益于提高效率。 缺點(diǎn)是電路使用了四個(gè)開關(guān)管, 需要四組絕緣的基極驅(qū) 動(dòng)電路,不僅電路復(fù)雜、元器件多,而且驅(qū)動(dòng)功率成倍增加。半橋電路:優(yōu)點(diǎn)是晶體管數(shù)量少,驅(qū)動(dòng)功率小。具有抗不平衡能力。缺點(diǎn)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

29、的電流。綜合以上電路的特點(diǎn), 我們實(shí)驗(yàn)上選擇簡(jiǎn)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(gè)周期內(nèi)的正負(fù)半周分別對(duì)電容器 C 1和 C 2充電 5, 使兩個(gè)電容器都充電到接近整流輸入電壓的峰值, 然后將 C 1和 C 2串聯(lián) 輸出,從而在負(fù)載上得到兩倍的整流輸入電壓峰值的直流電壓。見圖 2.6。 圖 2.6 二倍壓整流電路其工作原理是:當(dāng) U 2為正半周時(shí),變壓器的 1端為正, 2端為負(fù),二級(jí)管 D 1導(dǎo)通,于是對(duì) C 1充電, C 1被充電到接近于 U 2的峰值 2E 2,并基本保持不變。在 此期間,二極管 D 2處于截止?fàn)顟B(tài),因此, C

30、2不被充電,其兩端無電壓。在 U 2負(fù) 半周時(shí),變壓器 2端為正, 1端為負(fù),二級(jí)管 D 2導(dǎo)通, C 2也被充電到接近 U 2的峰 值 2E 2。至此,輸出電壓應(yīng)為兩電容器 C 1和 C 2上的電壓之和,即變壓器次級(jí)電 壓峰值的兩倍。在這種電路中,每個(gè)二級(jí)管承受的最大反向電壓 22E 2,而電容上的電壓為 2E 2。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(gè)二極管和三 個(gè)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(gè)周期內(nèi),二級(jí)管 D 1、 D 2及電容器 C 1、 C 2的工作原理與雙倍壓整流相同,二極 管 D 3和

31、電容器 C 3在此其間不起作用。在第二個(gè)周期的正半周到來時(shí),變壓器次 級(jí)又是 1端正, 2端負(fù),這時(shí) D 1已重復(fù)上述過程,同時(shí)由于 C 2已充有 22E 2的電 壓,此電壓與變壓器次級(jí)電壓 E 2相加,使 D 3導(dǎo)通, C 3充電至接近 22E 2,于是 在負(fù)載上得到的電壓為 C 1和 C 3上的電壓之和,即接近于 32E 2。需要指出的是 C 1、 C 2和 C 3的充電電壓并不是在第二周期的正半周分別充到 2E 2、 22E 2和 32E 2的,而是在經(jīng)過幾個(gè)周期后, C 3上的電壓才逐漸穩(wěn)定在其左右。電路中每個(gè)整流二極管承受的最大反向電壓均為 22E 2, C 1上承受的電壓 為 2E

32、 2, C 2和 C 3上承受的電壓為 22E 2。依此類推,用 n 個(gè)整流二極管和 n 個(gè)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(fù)載能力很差, 輸出很小的功率就會(huì)導(dǎo)致電壓的大幅度跌落。假設(shè)輸出電流為 I ,每個(gè)電容的容 量為 C ,頻率為 f ,則電壓跌落為 6:432(6123n n n fCU += (2.3 輸出電壓紋波為:LfCR I n n S ×+=4 1( (2.4 二、開關(guān)元件介紹 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(huì)嚴(yán)重影響 MOS 管作為開關(guān)元件的性能 7。 作為一個(gè)

33、開 關(guān)元件, 主要考慮的是開和關(guān)的時(shí)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(shí)際的開關(guān)時(shí)間一般為 10-100ns ,而電源的開關(guān)周 期為 20-200ps 。開關(guān)時(shí)間也主要決定于其寄生電容的充放電時(shí)間。另一個(gè)重要的寄生參數(shù)是柵極電阻, 直接影響開關(guān)的開通時(shí)間, 而這個(gè)參數(shù) 一般的規(guī)格書都沒有提供。 柵極的驅(qū)動(dòng)電壓域值一般在規(guī)格書中提供的是 250C 的 值,實(shí)際上柵極的域值電壓是以 -7mV /0C 的負(fù)溫度系數(shù)在變化。還有兩個(gè)重要的寄生參量是源級(jí)電感和漏級(jí)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(shí)的工作狀態(tài)

34、。圖 2.8 MOSFET等效電路 (a (b第一階段輸入電容充電,此過程大部分柵極電流給 C GS (柵源電容充電, 極少部分電流流過 C GD (柵漏電容,當(dāng) C GS 電壓達(dá)到開通電壓時(shí), C GD 上的電 壓開始逐漸減小。此過程漏級(jí)電流和漏級(jí)電壓均沒有改變,稱之為開通延遲。 從第二個(gè)階段開始, 漏級(jí)電流開始出現(xiàn), 柵極電壓從開通電壓上升到平臺(tái)區(qū)。 次過程, MOS 處于線性工作區(qū),其漏級(jí)電流正比于柵極電壓。柵極的電流流進(jìn) C GS 和 C GD ,漏源電壓仍然保持不變。第三階段, C GS 充電完畢,漏級(jí)電壓開始下降,柵級(jí)電壓保持不變。所有的 柵極電流都從 C GD 流過 (C GD

35、通過逐漸導(dǎo)通的溝道放電 。最后,更高的柵極電壓加在 C GS 和 C GD 上,促使 MOS 管完全導(dǎo)通 . 此階段的 C GS 電壓(V DRV 決定了 MOS 的通態(tài)電阻,此過程?hào)艠O電流分別從 C GS 和 C GD 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(jí)寄生電感對(duì)開關(guān)的性能影響極大, 構(gòu)成源級(jí)寄生電感的主要是封裝時(shí)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(gè)寄生電感,這會(huì)對(duì) MOS 的開通和 關(guān)斷

36、造成延時(shí) (C GS 充、放電的過程將變長(zhǎng) ,另外源級(jí)寄生電感和輸入電容可能 會(huì)形成振蕩。 由此需要在柵極串聯(lián)一個(gè)電阻, 依經(jīng)驗(yàn)該電阻值的選取一般為 5-10歐姆。阻值太小,驅(qū)動(dòng)電壓的波形會(huì)有一個(gè)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(duì)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)沒有任何好處。源級(jí)寄生電感還存在另一個(gè)影響, 當(dāng)源級(jí)電流迅速變化的時(shí)候, 源級(jí)寄生電 感給柵極電流的變化提供了不利的負(fù)反饋。 這個(gè)過程發(fā)生在開通的第二個(gè)時(shí)間段 和關(guān)斷的第三個(gè)時(shí)間段。 為了迅速增加漏級(jí)電流, 必須在源級(jí)寄生電感上增大電 壓降, 這個(gè)電壓升高, 那么變壓器上的有用電壓就降低, 否則會(huì)導(dǎo)致源級(jí)電流的 變化減慢。 此時(shí),

37、柵極電流就通過源級(jí)電流在源級(jí)寄生電感上的壓降, 產(chǎn)生了負(fù) 反饋,從而使柵極電流的變化也減慢了。漏級(jí)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(dāng)于給 MOS 加了一個(gè)緩沖器,減少了漏級(jí)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(gè)的原因主要是自感電動(dòng)勢(shì)疊加 在 MOS 的漏級(jí)電壓上,影響 MOS 的導(dǎo)通。13三、開關(guān)管尖峰吸收電路開關(guān)管在高頻狀態(tài)下工作,會(huì)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(zhǎng)度, 特別是柵極引線的長(zhǎng)度。 若無法減少其長(zhǎng)度, 可以串聯(lián)小電阻,且盡量靠近管子?xùn)艠O。同時(shí),由于開關(guān)變壓器 T 是感

38、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(jì)。接在開關(guān)管漏極的 R 3、 C 1、 VD 1為吸收網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí),高頻變 壓器初級(jí)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(duì)開關(guān)管起保護(hù)作用。圖中 R 1既是 MOS 功率管的柵極限流電阻, 又與 R 2一起消除功率管工作時(shí)產(chǎn)生的寄生振蕩。 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(shí) 的頻率較高,它要求磁芯材料

39、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(duì)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(gè)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(gè)變壓器的安裝方便,這樣有利于生產(chǎn)維護(hù),有 利于散熱。14153、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(gè)變

40、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(gè)繞阻高度耦合良好從而減小了漏感。(二繞阻計(jì)算高頻變壓器原副邊繞阻計(jì)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(lì)磁電流等。1、繞組匝數(shù)計(jì)算對(duì)于進(jìn)行方波轉(zhuǎn)換的高頻變壓器,其基本設(shè)計(jì)公式為式(2.5:fBS V N e 410811×= (2.5 式中 N 1為變壓器原邊繞組匝數(shù)(T ; V 1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

41、效面積 (cm 2; f 為高頻變壓器工作頻率(Hz 。或者用導(dǎo)通脈沖寬度來計(jì)算,如式(2. 6所示:211102×=eON BS t V N (2.6 其中 ON t 為半周期內(nèi)導(dǎo)通脈沖寬度(us 。2、校核勵(lì)磁電流原邊繞組電感量 L 1可按式(2.7求得: e er l S N L 2101µµ=H (2.7其中 0µ為真空導(dǎo)磁率, 0µ=4×10-9H/cm; r µ為磁芯材料的相對(duì)導(dǎo)磁率, 它不是常數(shù),鐵氧體的 r µ約為 800-5000,一般可取 1500; e S 為磁芯有效截面積 (cm 2 ; e

42、 l 為平均磁路長(zhǎng)度(cm 。16 勵(lì)磁電流的計(jì)算公式為式(2.8 :11l t V I ON =µ(A (2.8 其中 1V 單位為伏(V , ON t 為秒, 1l 用亨(H 。式中求出的勵(lì)磁電流 µI 是 時(shí)間 t =ON t 時(shí)、即半個(gè)周期內(nèi)脈沖終了時(shí)勵(lì)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(shí)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(shí)對(duì)波形的要求也不嚴(yán)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(huì)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

43、本的辦法還是在選擇磁芯和繞阻繞制時(shí)盡可能的減小漏 感。 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:3(10256. 12182111h h h b N l K L wP s +×= (2.9 其中 1l 為原副邊繞組的平均匝長(zhǎng)(cm ; 1h 為原邊繞阻厚度(cm ; 2h 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 ;圖 2.10 繞組形式和磁芯結(jié)構(gòu)示意圖17 U out N 2N 1U in TL494Tp K 是與繞組的繞法以及磁芯參數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)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)

44、計(jì)成徑向厚度較小 的長(zhǎng)繞組, 采用高導(dǎo)磁率、 雜散場(chǎng)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(jì)實(shí)驗(yàn)上,我們采用的高壓電源電路如圖 2.11所示。采用簡(jiǎn)單高效的單端電路9,倍壓電路為半臂逆對(duì)稱式(6倍壓,在理想的情況下,輸出端電壓為:1( 12(=in out U N n U (2.10 式中 N 變壓器次、初級(jí)的匝數(shù)比, N=N2:N1n 倍壓級(jí)數(shù)U in 變壓器的初級(jí)供電電壓 占空比, onoff on T T T += (2.11 因此,

45、在 n 、 N 、 U in 一定時(shí),調(diào)節(jié) 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(diǎn)、 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。圖 2.11 開關(guān)和倍壓整流電路第三章 電路硬件設(shè)計(jì)電路的硬件部分主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)高壓電源的電壓輸出和保護(hù), 以及輸 出電壓的設(shè)定和顯示。 控制電路以 STC89C51單片機(jī)為核心, 通過對(duì)電壓的采樣 和反饋控制震蕩模塊 TL494輸出的占空比,達(dá)到控制電壓輸出和保護(hù)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

46、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 R 1加至場(chǎng)效應(yīng)管的柵極,當(dāng)脈沖 為高電平時(shí), 開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通, 電流從初級(jí)線圈的正級(jí)經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管流向地, 電能 轉(zhuǎn)化為磁能被儲(chǔ)存在變壓器中, 在變壓器的初級(jí)線圈產(chǎn)生上正下負(fù)的電壓, 由于 整流電路的二極管反向截止,則流經(jīng)次級(jí)線圈的電流為零。當(dāng)觸發(fā)脈沖為低電平時(shí), 場(chǎng)效應(yīng)管截止, 流經(jīng)初級(jí)線圈的電流為零, 電壓為 上負(fù)下正。 次級(jí)線圈的電壓變?yōu)樯险仑?fù)。 整流二極管被導(dǎo)通, 電流通過二極管 對(duì)電容充電, 變壓器的磁能被轉(zhuǎn)化為電能, 這樣就完成一個(gè)周期的變壓器的能量 轉(zhuǎn)換

47、。電壓經(jīng)變壓器并由倍壓整流后輸出, R 3、 C 1、 VD 1組成尖峰吸收回路對(duì)場(chǎng)效 應(yīng)管進(jìn)行保護(hù)。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,變壓器的升壓比為 N 2:N1=140:1,磁芯為 U 型中頻磁芯。電源的控制是采用單片機(jī)控制 TL494的占空比來實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)由鍵盤輸入電壓 值之后, 單片機(jī)系統(tǒng)將用戶的輸入值轉(zhuǎn)換與實(shí)際電壓值一一對(duì)應(yīng), 經(jīng)過運(yùn)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(dòng)開關(guān)管 的觸發(fā)脈沖, 通過高頻

48、變壓器和倍壓整流輸出高壓。 對(duì)輸出電壓信號(hào)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(shí)現(xiàn); 對(duì)電流信號(hào), 采用在主回路中 串聯(lián)取樣電阻, 將負(fù)載電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。 取樣電壓、 電流信號(hào)經(jīng)光耦隔離后 反饋入單片機(jī)。由 AD 經(jīng)光耦返回的電壓值與輸入值進(jìn)行比較,利用誤差進(jìn)行輸 出校正。輸出電壓按照預(yù)置步長(zhǎng)逐步增加,當(dāng) AD 檢測(cè)電壓或電流返回值大于保 護(hù)值時(shí),由單片機(jī) DA 輸出高于 2.58V 的電壓給 TL494的 4腳,使其停止震蕩,達(dá) 到保護(hù)的目的。二、 TL494簡(jiǎn)介TL494是美國(guó)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

49、,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(diǎn)為:1、內(nèi)置有 5V±5%的基準(zhǔn)電源2、末級(jí)輸出的最大電流可達(dá) 250mA3、有死區(qū)時(shí)間可調(diào)控制端4、可對(duì)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(dá)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(dú)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(shí)現(xiàn)對(duì)電路震蕩的控制。TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖

50、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(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)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(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管 Q 1和 Q 2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí) 鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通, 即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選 通。當(dāng)控制信號(hào)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(hào)由集成電路外部輸入 14,一路送至死區(qū)時(shí)間比較器,一路送往誤 差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有 120mV 的輸入補(bǔ)償電壓,它限制了最 小輸

51、出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的 4%,當(dāng)輸出端接地,最大輸出占空比為 96%,而輸出端接參考電平時(shí),占空比為 48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固 定的電壓(范圍在 03.3V 之間即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)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(gè)手段:當(dāng)反饋電壓從 0.5V 變化到 3.5V 時(shí),輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到 零。兩個(gè)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(jìn)行“或”運(yùn)算, 正是這種電路結(jié)構(gòu), 放大器只需最

52、小的輸出即可 支配控制回路。 當(dāng)比較器 C T 放電, 一個(gè)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(jìn)行計(jì)時(shí),同時(shí)停止輸出管 Q 1和 Q 2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(gè)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(shí), 輸出驅(qū) 動(dòng)信號(hào)分別從晶體管 Q 1或 Q 2取得。輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供反 饋電壓。在單端工作模式下,當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出,亦可將 Q 1和 Q 2并 聯(lián)使用,這時(shí),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。三

53、、 TL494應(yīng)用電路利用 TL494的各個(gè)管腳外接不同電路, 它可以實(shí)現(xiàn)以下功能:調(diào)壓、 軟啟動(dòng)、 穩(wěn)壓和過流保護(hù)。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(gè)誤差放大 器的同相輸入端和反相輸入端 15,如圖接法兩個(gè)誤差放大器的輸出將始終為負(fù) 值,這樣做的目的是為了封閉兩個(gè)誤差放大器,單片機(jī)的控制信號(hào)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(hào)范圍寬, 約為 1 3.6V ,穩(wěn)態(tài)誤差小,輸出精度高。 2、軟啟動(dòng)電路原理如圖 3.4所示,輸出電壓軟啟動(dòng)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

54、大到額定輸出寬度, 同時(shí), 從接通交流電網(wǎng)起, 到脈寬從零 開始上升時(shí)為止,這段所謂“等待時(shí)間”應(yīng)能大于軟啟動(dòng)的要求,亦即 t=t1+t2, 其中 t 1是充電時(shí)間常數(shù), t 2即為輸出電壓從零上升到額定值所需的時(shí)間。我們利用 4腳的死區(qū)控制和電容的充電特性來實(shí)現(xiàn)輸出軟啟動(dòng), 由于 4腳所加 的電壓高于 3V 時(shí), 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 R 1上的電壓約為 5V ,之后隨著電容的充電 R 1上的電壓逐漸降低,直至設(shè)定的死區(qū)控制電壓為止。圖 3.3 TL494外圍電路圖 圖 3.4 軟啟動(dòng)電路原理圖3、穩(wěn)壓和過流保護(hù)電路穩(wěn)壓和過流電路原理如

55、圖 3.5所示, 單片機(jī) A/D電壓采樣是高壓端反饋的經(jīng)過 電阻 R 4、 R 5串聯(lián)后經(jīng)電阻 R 5分壓的電壓 16,將其與單片機(jī)鍵入的電壓進(jìn)行比較 放大后通過 TL494反饋腳 (3腳 輸出進(jìn)行控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓。為了 能夠達(dá)到最大在 50kV 穩(wěn)壓, 必須設(shè)定通過前級(jí)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 R 4和 R 5串聯(lián),加上電壓表 表頭的內(nèi)阻實(shí)現(xiàn)的。 電流采樣是通過 R 6來實(shí)現(xiàn)的。 反饋信號(hào)通過光耦反饋到單片 機(jī),已到達(dá)對(duì)低壓端的保護(hù)。當(dāng)反饋信號(hào)大于保護(hù)的設(shè)定值時(shí) 17,單片機(jī)給 3腳 一個(gè)信號(hào),使 TL494的占空比

56、輸出為零,達(dá)到保護(hù)的目的。 圖 3.5 穩(wěn)壓和過流電路原理圖四、單片機(jī)系統(tǒng)介紹控制系統(tǒng)以 STC89C51單片機(jī)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鍵盤接口完成按鍵識(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)八個(gè)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(gè) LED 指示燈以及 16個(gè)鍵構(gòu)成,其中數(shù)碼管顯示鍵入電壓以及實(shí)際輸出電壓, LED 指示燈作為過壓和過流報(bào)警顯示,鍵盤用于輸入電壓值、步長(zhǎng)值,系統(tǒng)硬件 原理如圖 3

57、.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(chǔ)器。(3儲(chǔ)存器可循環(huán)寫入 /擦除 10000次。(4儲(chǔ)存數(shù)據(jù)保存時(shí)間為 10年。(5寬工作電壓為:V CC 可以為 2.7-6V 。(6全靜態(tài)工作:可以從 0Hz-16Hz 。(7程序儲(chǔ)存器具有 3級(jí)加密保護(hù)。(8 128位內(nèi)部 ROM 。(9 32條可編程 ROM 。(10兩位 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。(11中斷結(jié)構(gòu)。(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(chǔ)內(nèi)容。2、 STC89C51的單片機(jī)的基本組成:

58、一個(gè) 8位的微處理器 CPU , 片內(nèi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器 RAM , 片內(nèi)程序儲(chǔ)存器 ROM , 四 個(gè) 8位并行的 I/O接口 P0-P3,兩個(gè)或三個(gè) T/C, 5個(gè)中斷源的中斷系統(tǒng),一個(gè)全雙 工的 UART 的串行 I/O口,片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。3、 STC89C51單片機(jī)引腳圖及說明:STC89C51單片機(jī)引腳如圖 3.7所示,其功能說明如下: 圖 3.7 STC89C51單片機(jī)引腳圖(1電源引腳 V CC 和 GND 。 V CC (40腳:電源:接 +5V ; GND (20腳:接地端。(2時(shí)鐘電路引腳 XTAL1(19腳和 XTAL2(18腳 。(3控制信號(hào)引腳 RST (復(fù)位信號(hào)輸入端, PSENE (程序儲(chǔ)存允許輸出信 號(hào)端 和 EA (外部程序儲(chǔ)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)