30kV／3mA高壓電源控制電路設(shè)計(jì)

王 野，潘慶超，劉宏軍

（沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，沈陽 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)歷由開環(huán)控制到閉環(huán)控制、由模擬控制到數(shù)字控制、由簡單控制到智能控制的過程。控制原理一般分為：PWM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環(huán)、模擬、簡單的硬件控制，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。控制電路通過單片機(jī)調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變占空比實(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化了硬件線路，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］。采樣電阻在高壓測量端采樣得到負(fù)信號，先后經(jīng)濾波電路、電壓跟隨器、電壓轉(zhuǎn)換器將信號傳至單片機(jī)；單片機(jī)輸出控制信號，經(jīng)濾波電路、電壓跟隨器處理控制直流電源。控制電路結(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)，開關(guān)電源輸出電壓為37.5V，高壓輸出端測量電阻為1 000M，測量電流I＝30kV／1 000M＝30μA，采樣電壓不能超過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的測量電阻串聯(lián)構(gòu)成。采樣信號輸出后，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RC濾波電路［8］，它的作用是濾除采樣信號的紋波，使電壓穩(wěn)定傳送。高壓電源輸出的電壓為負(fù)高壓，導(dǎo)致采樣信號也為負(fù)，而單片機(jī)只能接收正信號，故經(jīng)過濾波處理后的采樣信號需再進(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)信號轉(zhuǎn)換成正信號的功能。由于采樣信號的電流很小，驅(qū)動能力較弱，采樣信號需進(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，單片機(jī)程序?qū)Σ蓸有盘枖?shù)據(jù)做出處理，通過控制PWM經(jīng)P3.7串口輸出0～5V的信號，此信號再經(jīng)過二級濾波、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大的供電電壓擊穿單片機(jī)，對單片機(jī)起到保護(hù)作用。高壓電源工作過程中，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A／D，在高壓測量端采樣，根據(jù)采樣信號大小做出判斷，通過調(diào)節(jié)占空比輸出電壓控制開關(guān)電源，通過高頻變壓器和倍壓整流輸出高壓［8－10］。當(dāng)采樣信號大于程序設(shè)定電壓值時(shí)，單片機(jī)控制輸出信號減小；當(dāng)采樣信號小于程序設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制輸出信號增大，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)過程中，將單片機(jī)程序的響應(yīng)時(shí)間與采樣信號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，高壓測量電阻1 000M，采樣電阻為100K，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 單片機(jī)控制電路測試結(jié)果

對比測試：高壓電源應(yīng)用普通控制電路工作60min，高壓測量電阻1 000M，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 傳統(tǒng)控制電路測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)對比：通過對比表1與表2的測量結(jié)果，得出高壓電源應(yīng)用單片機(jī)控制電路工作48h，開關(guān)電源輸出電壓波動0.1V，高壓測量電流波動0.2μA，輸出電壓波動200V，輸出電流波動0.02mA；應(yīng)用傳統(tǒng)控制電路工作60min，開關(guān)電源輸出電壓最大波動0.3V，高壓測量電流最大波動0.3μA，輸出電壓最大波動400V，輸出電流最大波動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

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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