一種固定頻率、固定脈寬、輸入調幅控制的高壓直流電源電路的製作方法

2024-03-05 16:36:15

本發明涉及一種應用於環保、科研、軍工等領域中的固定頻率、固定脈寬、輸入調幅控制的高壓直流電源電路。

背景技術：

市場上有很多種調頻或調寬控制的高壓電源，由於受其工作機理的限制，普遍存在高壓輸出紋波大，功率轉換效率低，對外幹擾大，抗幹擾能力較差等缺陷。高壓電源通常作為用戶整個設備儀器中的一部分，其性能的優劣，直接影響用戶整體儀器設備的檢測使用精度，乃至使用的可靠性等。隨著電子科技的發展，對高壓電源產品有了更高的要求，市場對功率轉換效率高，輸出紋波小，並滿足EMC的高壓電源產品需求越來越大。

技術實現要素：

鑑於目前市場的需求情況，本發明提供一種開關損耗低，高壓輸出紋波小的固定頻率、固定脈寬、輸入調幅控制的高壓直流電源電路。

本發明為了實現上述目的，所採取的技術方案是：一種固定頻率、固定脈寬、輸入調幅控制的高壓直流電源電路，包括高壓輸出整流濾波電路，其特徵在於：還包括功率驅動電路、PWM控制及過壓保護電路、電壓反饋電路和過流保護電路，所述功率驅動電路分別與高壓輸出整流濾波電路、電壓反饋電路、過流保護電路和PWM控制及過壓保護電路連接，所述高壓輸出整流濾波電路分別與電壓反饋電路、PWM控制及過壓保護電路及過流保護電路連接，所述過流保護電路與電壓反饋電路連接；

所述PWM控制及過壓保護電路中，供電輸入+Vin通過電阻R1分別與電容C1的正極和穩壓二極體D1的負極連接，並作為內部供電端Vcc，電容C1的負極與穩壓二極體D1的正極連接後接輸入地GND，主控晶片U1的偏置電源接入端15腳與輸出級偏置電壓接入端13腳連接，並接內部供電端Vcc，電容C3與電阻R6並聯，主控晶片U1的基準電源輸出端16腳與誤差放大器同相輸入端2腳相連後接電容C3的一端，並作為內部基準端Vref，電容C3的另一端接輸入地GND，主控晶片U1的振蕩器外接同步信號輸入端3腳分別與外部關斷信號輸入端10腳及信號地12腳相連後接輸入地GND，主控晶片U1的振蕩器定時電阻接入端6腳通過電阻R7與輸入地GND連接，主控晶片U1的振蕩器定時電容接入端5腳通過電容C4與輸入地GND連接，主控晶片U1的放電端7腳通過電阻R8與主控晶片U1的振蕩器定時電容接入端5腳連接，主控晶片U1的軟啟動電容接入端8腳通過電容C5與輸入地GND連接，主控晶片U1的誤差放大器反相輸入端1腳分別與電阻R9及電阻R10的一端相連，電阻R9的另一端通過電容C6接主控晶片U1的比較器補償信號輸入端9腳；

所述電壓反饋電路中，電阻R26與電容C22並聯，電阻R26一端與高壓輸出整流濾波電路中電阻R24和電阻R25連接處相連，二極體D13和電容C23並聯，電阻R26另一端通過電阻R27分別與二極體D13負極、電阻R16的一端連接，並作為輸出電壓反饋端V.F與PWM控制及過壓保護電路中電阻R10的另一端相連，二極體D13的正極與高壓輸出地HGND連接，電阻R16的另一端分別與電阻R15的一端、放大器U2A的反相輸入端2腳及電容C8的一端連接，電阻R15的另一端接輸入地GND，電阻R13和電容C9並聯，放大器U2A的同相輸入端3腳分別與電阻R13一端和電阻R14的一端連接，電阻R13的另一端接輸入地GND，電阻R14的另一端與內部基準端Vref連接，放大器U2A的輸出端1腳分別與電容C8的另一端和電阻R12的一端相連，電阻R11和電容C7並聯，電阻R12的另一端分別接三極體T4的基極及電阻R11的一端，電阻R11的另一端與三極體T4發射極連接後接輸入地GND，放大器U2A的供電端8腳與內部供電端Vcc連接，放大器U2A的接地端4腳與輸入地GND連接，三極體T4的集電極通過電阻R2與三極體T1的基極連接，三極體T1的發射極與供電輸入+Vin連接；

所述功率驅動電路中，電感L1的一端接電壓反饋電路中三極體T1的集電極，電感L1的另一端分別接變壓器TRF1初級繞組的中心抽頭a端、電容C2的正極，電容C2的負極接輸入地GND，電阻R3與二極體D2並聯，電阻R4與二極體D3並聯，二極體D2和D3的負極分別接PWM控制及過壓保護電路中主控晶片U1的輸出端11腳及14腳，二極體D2和D3的正極分別接MOS三極體T1和T2的柵極，MOS三極體T1和T2的源極相連後通過電阻R5接輸入地GND，MOS三極體T1的漏極接變壓器初級繞組Lp1的b端，MOS三極體T2的漏極接變壓器初級繞組Lp2的c端；

所述過流保護電路中，電阻R23與電容C12、二極體D4並聯，二極體D4的正極接輸入地GND，二極體D4的負極分別與電阻R19一端及高壓輸出整流濾波電路中變壓器TRF1的2端連接，電阻R19的另一端分別與電阻R20一端、電容C10的一端、放大器U2B的反相輸入端6腳連接，電阻R20的另一端接內部基準端Vref，電容C10的另一端分別接放大器U2B的輸出端7腳及電阻R18的一端，電阻R18的另一端分別與電阻R17的一端、三極體T5的基極連接，電阻R17的另一端與三極體T5的發射極相連後接輸入地GND，三極體T5的集電極接電壓反饋電路中三極體T4的基極，電阻R21與電容C11並聯，電阻R22的一端分別與放大器U2B的同相輸入端5腳、電阻R21的一端相連，電阻R21的另一端接輸入地GND，電阻R22的另一端與功率驅動電路中MOS管T2的源極相連。

本發明的有益效果是：由於採用固定頻率、固定脈寬的驅動信號，以及輸入調幅控制，一方面使輸出高壓的諧波噪聲電壓降低，輸出高壓紋波減小，減小了高壓電源對設備內部的其它部分的幹擾，有益於整個設備工作的穩定性及檢測精度的提高；另一方面使功率開關損耗降低，功率轉換效率提高。

圖1為本發明的電路連接框圖；

圖2為本發明的電路原理圖。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，一種固定頻率、固定脈寬、輸入調幅控制的高壓直流電源電路，包括高壓輸出整流濾波電路，還包括功率驅動電路、PWM控制及過壓保護電路、電壓反饋電路和過流保護電路。

功率驅動電路分別與高壓輸出整流濾波電路、電壓反饋電路、過流保護電路和PWM控制及過壓保護電路連接，高壓輸出整流濾波電路分別與電壓反饋電路、PWM控制及過壓保護電路及過流保護電路連接，過流保護電路與電壓反饋電路連接。

上述PWM控制及過壓保護電路中，供電輸入+Vin通過電阻R1分別與電容C1的正極和穩壓二極體D1的負極連接，並作為內部供電端Vcc，電容C1的負極與穩壓二極體D1的正極連接後接輸入地GND，主控晶片U1的偏置電源接入端15腳與輸出級偏置電壓接入端13腳連接，並接內部供電端Vcc，電容C3與電阻R6並聯，主控晶片U1的基準電源輸出端16腳與誤差放大器同相輸入端2腳相連後接電容C3的一端，並作為內部基準端Vref，電容C3的另一端接輸入地GND，主控晶片U1的振蕩器外接同步信號輸入端3腳分別與外部關斷信號輸入端10腳及信號地12腳相連後接輸入地GND，主控晶片U1的振蕩器定時電阻接入端6腳通過電阻R7與輸入地GND連接，主控晶片U1的振蕩器定時電容接入端5腳通過電容C4與輸入地GND連接，主控晶片U1的放電端7腳通過電阻R8與主控晶片U1的振蕩器定時電容接入端5腳連接，主控晶片U1的軟啟動電容接入端8腳通過電容C5與輸入地GND連接，主控晶片U1的誤差放大器反相輸入端1腳分別與電阻R9及電阻R10的一端相連，電阻R9的另一端通過電容C6接主控晶片U1的比較器補償信號輸入端9腳。

主控晶片U1的型號為：SG1525。

上述電壓反饋電路中，電阻R26與電容C22並聯，電阻R26一端與高壓輸出整流濾波電路中電阻R24和電阻R25連接處相連，二極體D13和電容C23並聯，電阻R26另一端通過電阻R27分別與二極體D13負極、電阻R16的一端連接，並作為輸出電壓反饋端V.F與PWM控制及過壓保護電路中電阻R10的另一端相連，二極體D13的正極與高壓輸出地HGND連接，電阻R16的另一端分別與電阻R15的一端、放大器U2A的反相輸入端2腳及電容C8的一端連接，電阻R15的另一端接輸入地GND，電阻R13和電容C9並聯，放大器U2A的同相輸入端3腳分別與電阻R13一端和電阻R14的一端連接，電阻R13的另一端接輸入地GND，電阻R14的另一端與內部基準端Vref連接，放大器U2A的輸出端1腳分別與電容C8的另一端和電阻R12的一端相連，電阻R11和電容C7並聯，電阻R12的另一端分別接三極體T4的基極及電阻R11的一端，電阻R11的另一端與三極體T4發射極連接後接輸入地GND，放大器U2A的供電端8腳與內部供電端Vcc連接，放大器U2A的接地端4腳與輸入地GND連接，三極體T4的集電極通過電阻R2與三極體T1的基極連接，三極體T1的發射極與供電輸入+Vin連接。

上述功率驅動電路中，電感L1的一端接電壓反饋電路中三極體T1的集電極，電感L1的另一端分別接變壓器TRF1初級繞組的中心抽頭a端、電容C2的正極，電容C2的負極接輸入地GND，電阻R3與二極體D2並聯，電阻R4與二極體D3並聯，二極體D2和D3的負極分別接PWM控制及過壓保護電路中主控晶片U1的輸出端11腳及14腳，二極體D2和D3的正極分別接MOS三極體T1和T2的柵極，MOS三極體T1和T2的源極相連後通過電阻R5接輸入地GND，MOS三極體T1的漏極接變壓器初級繞組Lp1的b端，MOS三極體T2的漏極接變壓器初級繞組Lp2的c端。

上述過流保護電路中，電阻R23與電容C12、二極體D4並聯，二極體D4的正極接輸入地GND，二極體D4的負極分別與電阻R19一端及高壓輸出整流濾波電路中變壓器TRF1的2端連接，電阻R19的另一端分別與電阻R20一端、電容C10的一端、放大器U2B的反相輸入端6腳連接，電阻R20的另一端接內部基準端Vref，電容C10的另一端分別接放大器U2B的輸出端7腳及電阻R18的一端，電阻R18的另一端分別與電阻R17的一端、三極體T5的基極連接，電阻R17的另一端與三極體T5的發射極相連後接輸入地GND，三極體T5的集電極接電壓反饋電路中三極體T4的基極，電阻R21與電容C11並聯，電阻R22的一端分別與放大器U2B的同相輸入端5腳、電阻R21的一端相連，電阻R21的另一端接輸入地GND，電阻R22的另一端與功率驅動電路中MOS管T2的源極相連。

放大器U2A和放大器U2B的型號為：HA17358。

PWM控制電路中電阻R7、電阻R8、電容C4選用時應考慮精度要求，電阻R7和電容C4控制脈衝的頻率，電阻R8控制脈衝的寬度，本發明中選用精度為0.05%，保證脈衝頻率和寬度的一致性。

在其它元器件選擇上，電阻R26選用時根據輸出電壓值，應考慮耐壓以及功率要求；二極體D13起到輸出瞬間短路保護作用，短路瞬間，二極體正向通過電流較大，選用時應考慮其正向電流容量；電阻R23為輸出電流取樣電阻，當輸出負載過流或短路時，該電阻瞬間功率較大，選用時應考慮功率和可靠性要求，本發明中選用功率為3W的線繞電阻，保證電路工作的可靠性；根據實際輸出功率，選擇功率開關管和變壓器TRF1，當輸出功率較大時，功率三極體T1、T2、T3需考慮散熱問題。

本電路在PCB設計布局時，一方面需要考慮高壓側的絕緣耐壓，另一方面採用多層板設計，高壓端與低壓端布線有嚴格的區域劃分，減少相互幹擾，以保證電路工作的可靠性。

工作原理

PWM控制及過壓保護電路主控晶片U1採用PWM集成晶片SG3525（電路圖中為SG1525型號，請確定），採用雙端輸出方式，輸出固定頻率、固定寬度和死區的控制脈衝，通過改變電阻R7、電阻R8和電容C4的值，確定控制脈衝的頻率和脈寬，輸出脈衝寬度最大可設置到開關周期的49%，脈衝頻率最高可達100KHz；另外該控制晶片還通過對輸出電壓的採樣，實現輸出過壓保護功能。

在高壓整流濾波電路中，耦合到變壓器次級的高頻脈衝電壓，經過多級倍壓、整流以及濾波後，得到直流輸出高壓。

輸出高壓HV通過輸出電壓採樣電路獲得反饋電壓信號，通過誤差放大器U2A，控制三極體T4的工作狀態，並通過三極體T1的控制，調整功率驅動電路供電電壓的大小，進而調節驅動脈衝幅值，最終達到穩定輸出電壓的目的。

功率驅動採用雙管推挽方式，兩個驅動開關管T2和T3交替導通或截止，形成的定頻定寬高頻脈衝信號，驅動高頻變壓器TRF1，並通過變壓器TRF1隔離耦合到次級，獲得高頻高壓脈衝，再經過輸出倍壓整流濾波電路，輸出直流高壓HV。

高壓輸出電流經電阻R23得到負極性電流採樣信號，並通過電平位移電路送到誤差放大器U2B的反相輸入端，輸入工作電流在電阻R5上取得的輸入電流採樣信號，送到誤差放大器U2B的同相輸入端，上述兩個電流採樣信號同時控制U2B的輸出端，進而控制三極體T4、T5的工作狀態，通過雙重保護最終達到限制輸出電流的目的。