30kV／3mA高壓電源控制電路設(shè)計(jì)

王 野，潘慶超，劉宏軍

（沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110034）

0 引 言

高壓電源的控制方式隨著電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而發(fā)展［1－2］，大致經(jīng)歷由開(kāi)環(huán)控制到閉環(huán)控制、由模擬控制到數(shù)字控制、由簡(jiǎn)單控制到智能控制的過(guò)程?？刂圃硪话惴譃椋篜WM控制、PFM控制、混合調(diào)制控制等方式。單片機(jī)控制作為PWM控制智能化的代表，能夠克服其他普通電源控制方式的缺點(diǎn)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

傳統(tǒng)的高壓電源多采用開(kāi)環(huán)、模擬、簡(jiǎn)單的硬件控制，這種結(jié)構(gòu)的控制電路體積大，成本高，操作和維修均不方便［3－4］，且無(wú)法保證電源系統(tǒng)始終具有較高的精度和可靠性。本文以高壓電源技術(shù)為基礎(chǔ)，以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一種新型的30kV／3mA高壓電源的控制電路。控制電路通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)改變占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。與普通的控制電路相比，本設(shè)計(jì)充分利用單片機(jī)的數(shù)值計(jì)算和邏輯判斷功能簡(jiǎn)化了硬件線(xiàn)路，提高了智能度；采用PWM控制技術(shù)減小了電源體積，降低了功耗；閉環(huán)調(diào)節(jié)的電路結(jié)構(gòu)，提高了輸出電壓的穩(wěn)定度［5］。

1 控制系統(tǒng)硬件分析

一個(gè)完整的高壓電源系統(tǒng)主要分為7大部分［6］：輔助電源，逆變單元，脈沖振蕩控制單元，倍壓整流單元，高壓測(cè)量單元，控制電路以及保護(hù)單元。其中控制電路作為整體電路的核心之一，起著至關(guān)重要的作用。

1.1 控制電路結(jié)構(gòu)

控制電電路主要包括：采樣電路、濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)5個(gè)主要部分［7］。采樣電阻在高壓測(cè)量端采樣得到負(fù)信號(hào)，先后經(jīng)濾波電路、電壓跟隨器、電壓轉(zhuǎn)換器將信號(hào)傳至單片機(jī)；單片機(jī)輸出控制信號(hào)，經(jīng)濾波電路、電壓跟隨器處理控制直流電源?？刂齐娐方Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制電路結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制系統(tǒng)硬件分析

在采樣電路設(shè)計(jì)中，選擇一個(gè)合適的采樣電阻是關(guān)鍵。高壓輸出30kV時(shí)，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓為37.5V，高壓輸出端測(cè)量電阻為1 000M，測(cè)量電流I＝30kV／1 000M＝30μA，采樣電壓不能超過(guò)5V，電路中設(shè)定的采樣電壓為3V，采樣電阻R＝3V／30μA＝100K。因此，采樣電路由100K的電阻與1 000M的測(cè)量電阻串聯(lián)構(gòu)成。采樣信號(hào)輸出后，首先要進(jìn)行一次濾波處理，1K的電阻與1nF的電容構(gòu)成了一級(jí)RC濾波電路［8］，它的作用是濾除采樣信號(hào)的紋波，使電壓穩(wěn)定傳送。高壓電源輸出的電壓為負(fù)高壓，導(dǎo)致采樣信號(hào)也為負(fù)，而單片機(jī)只能接收正信號(hào)，故經(jīng)過(guò)濾波處理后的采樣信號(hào)需再進(jìn)行一次電壓轉(zhuǎn)換，在電路中，作為反相放大器的Op07芯片可以實(shí)現(xiàn)負(fù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成正信號(hào)的功能。由于采樣信號(hào)的電流很小，驅(qū)動(dòng)能力較弱，采樣信號(hào)需進(jìn)行一次電流放大處理，電壓跟隨器LM358芯片在電路中既起到隔離、緩沖又起到放大電流的作用。STC12C5410AD單片機(jī)P1.2串口接收的采樣信號(hào)，單片機(jī)程序?qū)Σ蓸有盘?hào)數(shù)據(jù)做出處理，通過(guò)控制PWM經(jīng)P3.7串口輸出0～5V的信號(hào)，此信號(hào)再經(jīng)過(guò)二級(jí)濾波、電壓跟隨處理傳至直流電源的控制端，直流電源根據(jù)信號(hào)的大小供給高壓電源直流電壓，實(shí)現(xiàn)高壓電源控制。其工作原理如圖2所示。

圖2 電路工作原理圖

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制電路軟件系統(tǒng)分為控制主程序、求平均值子程序、中斷子程序和延時(shí)子程序［9］。為了提高高壓輸出穩(wěn)定度，軟件編程中通過(guò)多次采樣調(diào)用求平均值子程序方法實(shí)現(xiàn)。中斷子程序的作用是防止過(guò)大的供電電壓擊穿單片機(jī)，對(duì)單片機(jī)起到保護(hù)作用。高壓電源工作過(guò)程中，若保證高壓穩(wěn)定輸出，延時(shí)程序的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

電源啟動(dòng)后，系統(tǒng)經(jīng)行初始化，單片機(jī)PWM輸出電壓設(shè)定0V，啟動(dòng)A／D，在高壓測(cè)量端采樣，根據(jù)采樣信號(hào)大小做出判斷，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比輸出電壓控制開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)高頻變壓器和倍壓整流輸出高壓［8－10］。當(dāng)采樣信號(hào)大于程序設(shè)定電壓值時(shí)，單片機(jī)控制輸出信號(hào)減??；當(dāng)采樣信號(hào)小于程序設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制輸出信號(hào)增大，采用PWM算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓控制。圖3為主程序流程圖。

2.2 延時(shí)子程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，將單片機(jī)程序的響應(yīng)時(shí)間與采樣信號(hào)在電路中各芯片的滯留時(shí)間保持一致，是程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問(wèn)題。單片機(jī)在執(zhí)行主程序時(shí)，延時(shí)函數(shù)的調(diào)用起主要作用。Ti（i＝1，2，3，…）為采樣信號(hào)在控制電路中各芯片的滯留時(shí)間，Tj（j＝1，2，3，…）為采樣信號(hào)經(jīng)各RC濾波處理充放電時(shí)間，其中Ti可根據(jù)各芯片資料手冊(cè)查閱得出，RC濾波電路充放電時(shí)間可根據(jù)公式（1）求得。故程序延時(shí)時(shí)間可由公式（2）求出。RC濾波電路的電阻值為R，電容值為C，充放電時(shí)間為：

圖3 主程序流程圖

程序延時(shí)時(shí)間為：

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

高壓電源應(yīng)用單片機(jī)控制電路工作48h，A／D采樣50次，程序參考值設(shè)定為0x110，高壓測(cè)量電阻1 000M，采樣電阻為100K，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 單片機(jī)控制電路測(cè)試結(jié)果

對(duì)比測(cè)試：高壓電源應(yīng)用普通控制電路工作60min，高壓測(cè)量電阻1 000M，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 傳統(tǒng)控制電路測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)對(duì)比：通過(guò)對(duì)比表1與表2的測(cè)量結(jié)果，得出高壓電源應(yīng)用單片機(jī)控制電路工作48h，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓波動(dòng)0.1V，高壓測(cè)量電流波動(dòng)0.2μA，輸出電壓波動(dòng)200V，輸出電流波動(dòng)0.02mA；應(yīng)用傳統(tǒng)控制電路工作60min，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓最大波動(dòng)0.3V，高壓測(cè)量電流最大波動(dòng)0.3μA，輸出電壓最大波動(dòng)400V，輸出電流最大波動(dòng)0.04mA。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，高壓電源應(yīng)用單片機(jī)控制輸出高壓明顯比應(yīng)用傳統(tǒng)控制電路輸出高壓穩(wěn)定［11－13］。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所述30kV／3mA高壓電源控制電路，采用數(shù)字化的單片機(jī)控制，結(jié)合外圍硬件電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電源閉環(huán)實(shí)時(shí)控制，該電路與普通控制電路相比，具有穩(wěn)壓精度高、通用性廣、智能化強(qiáng)、功耗低等優(yōu)良特點(diǎn)。此控制電路多次配合高壓電源經(jīng)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作驗(yàn)證，其性能穩(wěn)定，安全可靠，具有良好的應(yīng)用前景。

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