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单片机控制的高压开关电源设计.doc
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单片机控制的高压开关电源设计
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单片机控制的高压开关电源设计
摘 要
高压电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用,尤其在军事、医疗、射线
类探测器和静电喷涂等技术领域。传统的高压电源多采用线性技术,这种结构形
式造成电源变换效率低,体积大,重量沉,操作维修不方便。随着电源技术的发
展,人们对高压电源的智能化程度、转换效率和带负载能力提出了更高的要求。
智能化开关电源以线性电源无法比拟的特点和优点己经成为电源行业的主流形
式。该技术的应用使高压电源变得体积小、重量轻、效率高、智能化更强。
本论文研究工作针对 X 射线荧光分析装置对供电高压电源在效率、体积和
智能控制等方面的要求,研制了一种以单片机和脉宽调制(PMW)技术为基础
的高压电源。该电源由 STC89C51 单片机控制脉宽调制芯片 TL494,采用单端式
推动,经变压器和倍压整流升压,输出 0~50kV 连续可调电压。该电源采用数字
调节、闭环实时监控、模数电路相互配合,具有通用性强、输出范围宽、稳压精
度高、控制性能优良等特点。
关键词:单片机,开关电源,TL494,高压电源
I
Design of the high-voltage switching mode-power
supply based on SCM
Abstract
High-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 effieieney 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 switching 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 size 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 transformer 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, Switchingmode-powersupply, TL494,
High-voltage power supply
II
单片机控制的高压开关电源设计
第一章 引 言
单片机控制的高压开关电源具有通用性强、输出范围宽、稳压精度高、控制
性能优良等特点。弥补了传统高压电源体积大,效率低等缺点,受到人们的极大
关注。
一、高压直流电源基本原理和应用
高压直流电源是将工频电网电能转变成特种形式高压的一种电子仪器设备,
高压直流电源按输出电压极性可分为正极性和负极性两种。高压直流电源已经广
泛应用于当今的军事、工业、日常生活等领域。回顾高压直流电源发展历史,高
压直流电源最初是将工频电压直接经高压变压器升压后整流滤波[1],或升压后再
倍压整流后得到高压的,其基本原理如图1.1所示。随着科学技术的发展,高压
直流电源采用了线性技术。
图 1.1 高压直流电源基本原理图
二、开关电源发展历史
随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种
类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向
发展。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展相关[2],高频
化的实现,需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁器件。因此开关电
源可以按照作为开关元件的半导体功率器件分成几个阶段:最早的半导体功率器
件,起始于 1958 年的晶闸管,又称 SCR 可控硅整流器,是第一个阶段;60 年
1
单片机控制的高压开关电源设计
代出现了快速晶闸管,到 70 年代又研制成功了高压大电流的门级可关断晶闸管
(GTO)、电力巨型晶体管(GTR),它们都是双极型电力半导体器件,逐渐取代了
传统的 SCR。这些大功率器件与微处理机相互结合,开关电源进入了“自关断
器件”的第二个阶段;由于微电子学科的快速发展,70 年代中后期又出现了 MOS
场效应晶体管,特别是 80 年代问世的功率场效应管 VDMOS(又称“功率
MOSFET”),以及派生的 MOS 型绝缘栅双极晶体管(IGBT),其特性和功能更
新发展使功率变换和稳压电源技术发生了新的飞跃,使开关电源技术发展到高频
化、智能化的第三个阶段。
三、高压开关电源简介
20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命,即脉宽调制技术在电源领域的
应用。到目前为止,电源的频率已经达到数千Hz,应用先进的准谐振技术甚至可
以达到兆Hz水平。高频化使高压电源体积大幅度的减小,轻巧便携,实用性和
使用方便性明显得到改善。
近几年,随着电子电力技术的发展,新一代功率器件,如MOSFET,IGBT
等应用,高频逆变技术的逐步成熟,出现了高压开关直流电源,同线性电源相比
较高频开关电源的突出特点是:效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设
计和制造周期短。由于它的优越特性,现在已逐渐取代了传统的高压线性直流电
源。
图 1.2 高压开关电源基本原理图
图1.2是高压开关电源示意图。同图1.1相比较,它采用了脉宽调制技术,PMW
2
单片机控制的高压开关电源设计
技术和逆变器技术结合[3],实现了高压开关直流电源输出电压稳压、调压和保护
功能。它的工作原理是:交流电经整流单元整流、滤波后,变成直流,逆变单元
由控制单元控制,使直流电压逆变成高频方波电压,经高频变压器形成方波电压,
然后经高压整流输出变成直流高压,电压反馈单元将输出的电压和电流信号反馈
到控制单元,只要调整控制单元的设定电压,就可调节直流高压的输出电压。
目前,世界各国正在大力研制开发新型高压高频电源,包含新的电源理论、
新型模块化电路、新型电子器件等,以满足电子设备小型化、高效化和高性能化
的时代发展要求。
四、国内外高压开关电源发展的简单现状
目前,国外高压开关直流电源比较成熟,像 Spellman、Classman 等高压电
源公司已生产出小型化、高效化、智能化的高压直流电源,然而价格比较昂贵,
国内直流高压开关电源研究起步较晚,与先进国家相比有较大差距。尤其在高频、
高性能直流高压开关电源方面,国内还没有形成批量生产能力。
五、高压开关电源发展的中的问题
随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的电源变换技术、新的控制理论及
新的专业软件的不断涌现,并不断地被应用于开关电源,使得开关电源的性能不
断提高,特点不断更新,出现了如频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新
特性。现代的高压开关电源有以下几个难点:
1、高频高压变压器体积减小,频率升高,分布容抗变小,绝缘问题和效率
问题需要解决。
2、由于高压电源的频率很高,导致功率开关器件开关频繁,能耗增大,这
就对逆变器的拓扑结构应有所选择。
3、在控制检测部分,高频高压开关电源采用采用了脉宽调制技术和逆变器
等技术,出现了强电弱电间的相互影响加强。检测部位的高压电压(近10kV),
对后续的电子元器件(精密电阻等)提出了更高的性能要求。
六、论文的主要工作
本论文设计了一种作为 X 射线荧光分析装置供电电源的高压开关电源,该
电源采用脉宽调制(PWM)、单端式推动、数字调节、闭环实时监控、模数电
路相互配合,具有体积小、逆变效率高、通用性强、输出范围宽、稳压精度高、
3
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oligaga
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