基于單片機的高壓驅動電源設計

標簽：高壓開關電源 壓電陶瓷 驅動電源

引言

壓電陶瓷作為一種微位移器件，在精密工程應用領域里有著廣泛的應用前景。壓電陶瓷材料的工作特性很大程度上取決于驅動電源的性能，驅動電源必須輸出穩定性好的高幅值電壓，并具有較好的動態性能，可適應外界條件的突變。傳統的高壓驅動電源通常以模擬脈寬調制芯片為核心控制開關電路、整流電路等完成穩定電壓輸出。隨著數字控制技術的發展，單片機、數字信號處理器等數字芯片也逐漸參與到開關電源的設計，帶來了可編程性、高集成度、高擴展性等優點 。本文提出了一種基于MC68HC9O8JK3芯片的高壓開關電源，在低壓(9～18 V)輸入下能輸出高精度頻率可調輸出電壓，可滿足壓電陶瓷驅動電源的應用需求。

1 高壓開關電源的設計

高壓電源輸入9～18 V，輸出150 V方波電壓，頻率可控。電路結構采用單片機控制開關電源的方式，原理框圖如圖1所示。主功率回路采用準諧振反激式開關電源拓撲結構，控制芯片為MC33O60，直流電壓經H 橋逆變電路轉換后得到150 V方波電壓。負載電壓和電流采樣信號經A/D轉換后，輸入單片機(MCU)控制芯片MC68HC908JK3，單片機根據軟件算法完成恒流或恒壓控制，同時輸出頻率可調的驅動信號到H橋逆變電路，實現直流電壓到方波信號的轉換。電路以MCU 芯片為控制核心，不僅能完成高精度精確的受控電壓和電流輸出，還能實現過壓保護、過流保護、上位機通訊等一些重要的輔助功能。

圖1 高壓開關電源原理框圖

反激式開關變換電路如圖2所示。MC33060是低功耗固定頻率的脈寬調制(PWM)控制芯片，內部集成了振蕩器、誤差放大器、5 V 基準源等，主要用來實現單端電壓模式控制。開關管Q1導通時，輸入向變壓器儲能，次級整流管D1處于關斷狀態;Q1關斷時，整流管D1導通，變壓器儲能輸出到次級，為C4充電。振蕩電阻R1、振蕩電容C3與內部振蕩器一起產生振蕩三角波，振蕩波形與引腳3接收的MCU電壓基準信號比較，產生PWM 信號驅動功率開關管Q1。為了降低開關管和整流管的電壓應力，輸出采用了倍壓整流電路結構，通過整流管D1、D2和電容C4、C5實現了二倍壓整流。

圖2 反激式開關變換電路

盡管反激式主回路具有結構簡單，成本低等優點，但在高壓輸出下，其電壓尖峰高和紋波噪聲大顯得更突出。為了減少高壓電源的輸出紋波噪聲，電路設計引入了準諧振技術，使反激變換器工作在軟開關狀態，從而降低電磁干擾噪聲(EMI)，提高電源轉換效率。

開關管的導通時間：

式中：Lp為初級繞組電感量;Ip為初級峰值電流;Vin為輸入電壓。

變壓器復位時間：

式中 VOR為次級到初級的折射電壓。當次級繞組中的能量釋放完畢后，VOR也將消失。Lp、開關管漏極電容Cp和繞組電阻Rp構成一個RLC諧振電路，因此折射電壓隨時間t的變化關系為：

開關管的漏源電壓為：

由此可得到準諧振反激式變換器的一個完整工作周期：

準諧振反激式變換器的工作頻率為：