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如何研发高压小功率可编程直流电源?

高压小功率可编程直流电源广泛应用于医学仪器等各种精密电子系统,具有响应速度快、稳定性好、可靠性高等特点。本课题基于SG3525 PWM调制芯片研制了一种DC48V输入,DC3kV输出的新型高压可编程直流电源,并给出了实际电路设计原理和工作原理分析。

电路原理

高压小功率可编程直流电源系统原理如图1所示。输入48V的直流电经电容滤波储能,SG3525PWM调制器调制出相位相反的2路PWM波驱动高频开关管从而驱动高频变压器,在变压器原边把直流48V变换成48V方波,通过高频变压器进行高频方波变换,并利用变压器原副边匝比得到高压方波,再经4倍压整流滤波后,输出3kV直流高压。输出经输出采样变换后送到环路控制电路,环路控制电路控制SG3525芯片的输出PWM方波的占空比,从而控制变压器原边的方波占空比,从而调节输出电压。
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电源主电路工作原理

可编程直流电源主电路工作原理如图2所示。其中由PWM调制芯片SG3525产生PWM方波信号,通过驱动电阻R1和R2分别驱动开关管Q1和Q2,开关管Q1和Q2对变压器原边分别导通,从而输入电源经过高频变压器和开关管在变压器原边产生高频脉冲电压,经过高频变压器隔离变换后产生高频的方波电压,再经过后级的4倍压整流电路滤波得到高电压输出。RL为负载电阻。

由芯片SG3525产生约50kHz的PWM驱动信号,经驱动电阻加至开关管的栅极。当OUTA驱动信号为高电平,OUTB驱动信号为低电平时,Q1开关管触发导通,Q2开关管关闭,电流由初级NP1线圈通过开关管流向地,输入电源通过变压器转换为副边NS绕组的A点为正,B点为负的方波电压,然后通过4倍压整流电路整流滤波。

当OUTB驱动信号为高电平,OUTA驱动信号为低电平时,Q2开关管触发导通,Q1开关管关闭,电流由初级NP2线圈通过开关管流向地,输入电源通过变压器转换为副边NS绕组的A点为负,B点为正的方波电压,然后通过4倍压整流电路整流滤波,最终输出高压电压。

由于输入电压为DC48V,为了变压器副边得到高压方波电压,主电路采用推挽拓扑,推挽拓扑由于2个开关管轮流开通,电流通过开关管流到地上,驱动简单方便,不用隔离驱动,由SG3525就可直接驱动。推挽拓扑对比半桥拓扑和全桥拓扑,它的成本低,简单可靠,直接驱动,非常适合于低压输入的场合,故选取推挽拓扑进行设计。

倍压电路可以用较低耐压的二极管和电容进行组合得到高压输出,电路简单,可靠,成本低,在小功率高压输出场合非常适用。
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倍压整流电路工作原理

 4倍压整流电路原理图如图3所示。
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具体工作原理如下:

1)第一周期,初级NP1绕组导通,初级NP2绕组断开,副边NS绕组电压为U,A点为正,B点为负,电流从A点经二极管D1流到C点,再流进电容C1,对电容C1充电,最后回到B点。电容C1电压为U。见图4.
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2)第二周期,初级NP2绕组导通,初级NP1绕组断开,副边NS绕组电压为U,A点为负,B点为正,电流从B点经C1流到C点,再经二极管D2,流进电容C2,对电容C2充电,最后回到A点。C2电压为副边NS的电压加上电容C1的电压,为2U。见图5。
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3)第三周期,初级NP1绕组导通,初级NP2绕组断开,副边NS绕组电压为U,A点为正,B点为负,电流从A点经二极管D1流到C点,同时经电容C2,流经二极管D3对电容C3充电,经电容C3流到C点,最后由C点经C1回到B点。C1电压为U,C2电压为2U,C3电压等于C2电压加上副边NS的电压减去电容C1的电压,为2U。见图6。
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4)第四周期,初级NP2绕组导通,初级NP1绕组断开,副边NS绕组电压为U,A点为负,B点为正,电流从B点经C1流到C点,再经D2二极管,流进电容C2,对电容C2充电,最后回到A点,同时由C点流经电容C3,再经二极管D4,流进电容C4,对电容C4充电,回到D点,流进电容C2,对电容C2充电,最后回到A点。C1电压为U,C2电压为2U,C3电压为2U,C4电压等于C1电压加上C3电压加上副边NS的电压减去电容C2的电压,为2U。见图7。
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5)第五周期,初级NP1绕组导通,初级NP2绕组断开,工作原理跟第三周期一样。第六周期,初级NP2绕组导通,初级NP1绕组断开,工作原理跟第四周期一样。然后后续的周期不断的在循环。

6)输出从A点和F点引出,A点为负,F点为正,输出电压等于电容C2电压加电容C4电压,为4U,等于4倍副边绕组NS的电压,为4倍压升压。

环路控制工作原理

本电路采用TL431、光耦、电阻、电容组成隔离反馈电压环控制电路,为二阶控制电路,用光耦进行隔离,通过R8电阻来控制SG3525芯片的第9脚COMP脚,从而控制SG3525的输出驱动波形的占空比,从而稳定输出电压。通过合理选取电容和电阻值,使电源工作稳定。
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主要参数计算

1匝比计算

倍压整流电路为4倍压整流电路,在理想的情况下,输出端电压为:

Vo=4×VNS=4×N×Vin×D有效

式中N为变压器副边与原边的匝数比,N=Ns:Np1(Np2的匝数跟Np1一样),Vin为输入电压,D有效为有效占空比,一般设计选取为0.8。

要得到3KV的输出电压,则可计算出匝比N为:
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取整数20。

2变压器磁芯确定

确定变压器磁芯,由于开关频率为50KHZ,输出功率为50W,可通过查常用磁芯对应的功率表,可以查出PQ26/20磁芯在48kHZ下输出功率为82W,可满足设计要求。磁芯的Ae为119mm2。

3变压器原边匝数NP计算

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其中Vin为48V,f为50KHZ,Ae为119mm2,D有效为0.8,ΔB为0.25T(常用)。

结果取整流,得到NP为26匝。

4匝变压器副边匝数NS计算

NS=N×NP=520

其中N为20,NP为26匝,计算得到NS为520匝。

5输出电流计算
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6输出电容计算

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其中I为16.7mA,T为20μs,a为电容上电压波动比率,因为要输出电压精度高,所以取0.5%。

计算得到电容C为100nF,考虑到电容有误差并且电源要有设计余量,故选取150nF电容,因输出是二个电容串联得到3000V,则电容耐压要大于1.5KV,选取2000V电容。最终采用150nF/2000V的聚苯乙烯电容器。

7二极管计算

由4倍压整流电路可知,二极管耐压要大于2倍副边电压。

副边电压 V副边=N×Vin=960V

得到 V二极管=2×V副边=1920V

考虑到要有设计余量,故选取3KV二极管,输出电流为16.7mA,选取通用的0.5A二极管,最终采用0.5A/3000V的快速高压二极管。

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