基于PWM的微型高壓電源設計

　　控制電路的設計

　　TL494內部電路由鋸齒波振蕩電路、基準電壓產生電路、兩個誤差放大器、調整電路、脈寬調制比較器及輸出電路等組成。其內置振蕩器的工作頻率f₀由外接定時電阻RT和定時電容CT決定，估算公式如下：

　　式中，R_T和C_T的取值范圍：R_T=5~100kΩ，C_T=0.001~0.1μF。

　　系統采用壓控型變壓器隔離正激式拓撲，TL494接成單端輸出模式，并利用其內部集成的NPN型功率開關管產生脈沖波。TL494內部比較器產生的脈沖信號控制其內部功率開關管Q1的飽和或者截止，使得變壓器的初級線圈上產生交替變換的脈沖電流，從而在次級產生升壓后的感應電流。最后輸出的高壓又經過分壓取樣網絡后與2腳輸入的基準電壓比較，得到的誤差信號再與內部振蕩器產生的鋸齒波信號進行比較，調節輸出脈沖信號的占空比，從而穩定變壓器次級的輸出電壓。

　　變壓器及其倍壓整流電路的設計

　　(1)變壓器初級線圈匝數N_pri可用下式確定^[3]：

　　式中：V_in為變壓器的工作電壓，單位V;B_max為變壓器的最大工作磁通密度，單位T(Wb/cm2);A_c為所用磁心的有效橫截面積，單位cm²。

　　(2)將變壓器次級輸出的交流電壓進行濾波整流，最后得到所需的直流電壓。按照設計需要，這里選擇倍壓整流電路，其原理是利用二極管的整流和導引作用，將電壓分別貯存到各自的電容上，然后把它們按極性相加的原理串接起來，以獲得幾倍于變壓器次級電壓的高壓來。如圖3所示，該電路中的整流二極管和濾波電容總是成對出現的，有N對則電壓升高N倍。當N為奇數時，輸出電壓從二極管的正向端取出;當N為偶數時，輸出電壓從二極管的反向端取出。

　　綜上所述，根據本次設計的要求，通過計算得出初級線圈匝數N_pri≈3，變壓器初級和次級線圈可按20:500的匝數比進行繞制;采用4倍的倍壓整流，整流二極管選用IN4007，其反向擊穿電壓1000V、反向漏電流5μA、最大正向壓降1V。

　　反饋取樣電路

　　本設計的反饋網絡如圖4如示，輸出高壓HV經分壓電路后再經過TL494的內部誤差放大器A構成電壓負反饋回路。誤差放大器的同相端接入取樣電壓，反相端接入TL494的基準電壓，網絡中的電位器可實現對系統輸出高壓的調節。取樣分壓比的確定：反相端接的基準電壓最大為5V，所以要將輸入的取樣電壓限制在5V以下。當輸出高壓為1000V時，取樣電壓為1000V×(180k/40M)=4.5V，分壓比約為1/200，符合要求。實際應用時為了降低器件的功耗，在保證分壓比不變的前提下盡可能增大分壓電阻的阻值。

　　結束語

　　開關控制電源是當今電源發展的主流，適用于多種便攜式、低功耗的儀器中，與線性電源相比具有許多優點。本文以PWM芯片TL494為核心，提出了一種設計高壓偏置電源的新方法，并通過對PCB電路的合理布局布線設計出一個外形尺寸為5"×2.8"×1.8"的獨立電源模塊，并得出如下結論。

　　(1)充分利用TL494的內置晶體管產生脈沖信號，降低了設計成本，減小了模塊體積。
　　(2)外接電位器，可實現輸出高壓200~1000V調節，方便儀器設計的底層應用。
　　(3)負反饋網絡使得輸出電壓與其控制信號間有較好的跟隨性，電源模塊工作穩定、紋波小。
　　(4)實際應用中有待優化設計，進一步降低功耗或采用貼片變壓器減小體積;增大電壓可調范圍，增加調節靈敏度。

　　參考文獻：

　　[1] 朱志甫.開關電源PWM比較器的研究與設計[D].成都:西南交通大學,2008-05
　　[2] 毋炳鑫,吳必瑞等.TL494控制智能開關穩壓電源設計[D].鄭州:中原工學院,2008-02
　　[3] Marty Brown著,徐德鴻等譯.開關電源設計指南[M].北京:機械工業出版社,2004