基于MCU控制的高压开关电源

收稿日期:2010 08 30
基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(2008BB2314) 作者简介:王斌(1974 ),男,江苏淮安人,副教授,博士,主要从事电力电子系统的数字控制的研究。

文章编号:1004 2474(2011)01 0064
04基于MCU 控制的高压开关电源
王 斌1,芶志平2,毛海燕2
(1.重庆大学自动化学院,重庆400030;2.中国电子科技集团公司第26研究所,重庆400060)
摘 要:针对压电陶瓷驱动电源的应用设计了一种基于单片机(M CU )控制的高压开关电源,实现了低压(9~
18V )输入下的高压(150V)输出。

电路主回路采用准谐振反激变换拓扑结构,M CU 芯片控制脉宽调制(PW M )电源管理芯片完成变换器升压,并驱动H 桥逆变电路输出频率可调的方波电压。

数字控制的高压开关电源工作波形稳定,尖峰噪声小,输出电压精度高。

实验结果验证了高压开关电源的性能。

关键词:压电陶瓷;开关电源;单片机(M CU )控制;准谐振中图分类号:T N86 文献标识码:A
A High Voltage Switching Power Supply Based on MCU C ontrol
WANG Bin 1
,GOU Zhiping 2
,MAO Haiyan
2
(1.College of Au tomation,Chongqing University,Ch ong qin g 400030China;
2.26th In stitu te of China E lectron ics T ech nology Group Corporation,C hongqing 400060,Ch ina )
Abstract:A high v oltag e switching po wer supply based on the micr o pro gr am contro l unit (M CU )fo r piezoe lect ric ceramic actuator has been designed.T he 150V high voltag e output has been r ealized at the condition of 9V to 18V low vo ltag e input.A quasi r eso nant fly back conversion t opolo gy was used for the circuit main lo op.T he boos ted vo ltag e of the co nv erter w as r ealized by M CU chip contro lled pulse w idth mo dulation (PW M )regulator.T he M CU co nt rols the sw itching fr equency of the H br idge inver ter to output the squar e w ave voltage.T he dig itally con tr olled swit ching po wer supply has the char act eristics of stable w avefo rm,low peak noise and high precisio n o f out put vo ltag e.T he perfor mance of t he hig h voltag e sw itching pow er supply has been ver ified ex perimentally.
Key words:piezoelect ric ceramic;switching po wer supply;M CU contro l;quasi resonant
0 引言
压电陶瓷作为一种微位移器件,在精密工程应用领域里有着广泛的应用前景。

压电陶瓷材料的工作特性很大程度上取决于驱动电源的性能,驱动电源必须输出稳定性好的高幅值电压,并具有较好的动态性能,可适应外界条件的突变[1 2]。

传统的高压驱动电源通常以模拟脉宽调制芯片为核心控制开关电路、整流电路等完成稳定电压输出。

随着数字控制技术的发展,单片机、数字信号处理器等数字芯片也逐渐参与到开关电源的设计,带来了可编程性、高集成度、高扩展性等优点[3 4]。

作者提出了一种基于MC68H C908JK3芯片的高压开关电源,在低压(9~18V )输入下能输出高精度频率可调输出电压,可满足压电陶瓷驱动电源的应用需求。

1 高压开关电源的设计
高压电源输入9~18V,输出150V 方波电压,频率可控。

电路结构采用单片机控制开关电源的方
式,原理框图如图1所示。

主功率回路采用准谐振反激式开关电源拓扑结构,控制芯片为M C33060,直流电压经H 桥逆变电路转换后得到150V 方波电压。

负载电压和电流采样信号经A/D 转换后,输入单片机(M CU )控制芯片M C68H C908JK3,单片机根据软件算法完成恒流或恒压控制,同时输出频率可调的驱动信号到H 桥逆变电路,实现直流电压到方波信号的转换。

电路以M CU 芯片为控制核心,不仅能完成高精度精确的受控电压和电流输出,还能实现过压保护、过流保护、上位机通讯等一些重要的辅助功能。

图1 高压开关电源原理框图
反激式开关变换电路如图2所示。

M C33060是低功耗固定频率的脉宽调制(PWM )控制芯片,内
第33卷第1期压 电 与 声 光
V ol.33N o.12011年2月
P IEZOEL ECT RICS &A COU ST O OP T ICS
F eb.2010
部集成了振荡器、误差放大器、5V 基准源等,主要用来实现单端电压模式控制。

开关管Q 1导通时,输入向变压器储能,次级整流管D 1处于关断状态;Q 1关断时,整流管D 1导通,变压器储能输出到次级,为C 4充电。

振荡电阻R 1、振荡电容C 3与内部振荡器一起产生振荡三角波,振荡波形与引脚3接收的M CU 电压基准信号比较,产生PWM 信号驱动功率开关管Q 1。

为了降低开关管和整流管的电压应力,输出采用了倍压整流电路结构,通过整流管D 1、D 2和电容C 4、C 5
实现了二倍压整流。

图2 反激式开关变换电路
尽管反激式主回路具有结构简单,成本低等优点,但在高压输出下,其电压尖峰高和纹波噪声大显得更突出。

为了减少高压电源的输出纹波噪声,电
路设计引入了准谐振技术[5],使反激变换器工作在软开关状态,从而降低电磁干扰噪声(EM I),提高电源转换效率。

开关管的导通时间
T on =I p L p /V in (1)式中:L p 为初级绕组电感量;I p 为初级峰值电流;V in 为输入电压。

变压器复位时间
T off =I p L p /V O R (2)式中V O R 为次级到初级的折射电压。

当次级绕组中的能量释放完毕后,V O R 也将消失。

L p 、开关管漏极电容C p 和绕组电阻R p 构成一个RLC 谐振电路,因此折射电压随时间t 的变化关系为
V OR (t)=V OR e
- t
cos(2 f p t)(3)
式中 =R p /(2L p )为衰减因子;f p =1
2 L p C p
为谐
振频率。

开关管的漏源电压为
V DS (t)=V in +V OR e - t
cos(2 f p t)(4)当cos(2 f p t)=-1时,V DS (t)具有最小值,即
2 f p t = t =1/2f p t =
L p C p
(5)
由此可得到准谐振反激式变换器的一个完整工作周
期
T =T on T off +t
(6)
准谐振反激式变换器的工作频率为
f S =
V OR
I p L p (1+V OR /V in )+V O R L p C p
(7)M CU 控制电路核心采用M C68H C908芯片,其内部总线速度8M ,集成了12路8位模数转换器(ADC)、4k Flash 存储器、2通道16位定时器等模块,控制电路如图3所示。

电压电流采样信号经信号调理电路处理后,输入到单片机的ADC 端口引脚6和引脚8,得到采样信号的数字量值。

内置的算法程序进行计算处理后,生成电压基准值,经D/A 变换器处理由引脚19输出电压基准信号给电源管理芯片M C33060。

如果输入电压、负载环境发生变化,单片机根据采样信号的偏差计算,将实时改变电压基准值,从而调整PWM 信号的频率和脉宽,
稳定输出电压。

单片机内部的定时器产生两路PWM 驱动信号DR 1和DR 2,由引脚9、10输出到H 桥逆变电路驱动功率管。

图3 M CU 控制电路
H 桥逆变电路如图4所示。

DR 1和DR 2为2路反相驱动信号,由单片机的定时器模块输出。

DR 1
驱动功率管Q 2、Q 5导通时,DR 2驱动功率管Q 3、Q 4关断,负载供电150V ;DR 1驱动Q 2、Q 5关断时,DR 2驱动Q 3、Q 4导通,负载供电-150V 。

因此,输入直流电压经H 桥电路作用后,在负载两端形成方波交流波形,改变定时器程序设置的频率参数就可调节方波电压的工作频率。

为了减少功率管关断瞬间产生的电压尖峰,4个开关管都并联了滤波电容。

出于成本考虑,作者选择了分立器件的方案构建H 桥变换器。

从提高电路可靠性的角度出发,还能选用集成的全桥变换器芯片,如SLA2403等。

第1期王 斌等:基于M CU 控制的高压开关电源65
图4 H 桥逆变电路
2 实验结果
基于上述研究方案,作者实际设计了一台高压直流开关电源。

为了检验其性能参数,针对不同工作条件下的波形曲线进行了测试。

图5、6分别为在12V 输入下,功率MOS 管漏级电压波形和输入滤波电容EM I 电压波形,对准谐振控制回路引入前后
的工作波形作了对比。

图6 输入滤波电容EM I 电压波形
由图5、6可知,如果没有准谐振控制回路,功率开关管的漏级电压波形在关断后期将出现振荡(见图5(b))所示;随着输入电压的增大振荡现象会更
严重,同时导致EMI 干扰现象严重(见图6(b))。

因此,准谐振工作状态的引入减少了开关损耗,降低了EM I 干扰,提高了电路工作的效率和可靠性。

图7为高压开关电源变压器次级输出电压波形。

图8为电源稳态输出电压波形(150V 、400H z)。

由图7、8可知,所设计的高压直流开关电源工作波形稳定,电压纹波噪声小。

图8的输出方波有一些电压尖峰,主要由H 桥功率开关管的高频导通关断而产生,
通过尖峰吸收电路可较好地抑制。

3 结束语
针对压电陶瓷驱动电源的应用需求,设计了基于M CU 控制的准谐振高压开关电源,可输出稳定的交流方波电压,同时可通过M CU 定时器的程序
66压 电 与 声 光2011年
设置来调节其工作频率。

实验结果表明,准谐振高压开关电源工作波形稳定,输出电压纹波噪声小,电压尖峰低,具有较高的可靠性。

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