基于PWM的高压可调大范围开关电源设计与实现

基于PWM的高压可调大范围开关电源设计与实现

摘要：设计实现了一个高压可调大范围的开关电源，采用ARM7微处理器作为

电源的控制器完成ADC变换及相关算法运算，产生脉冲编码调制PWM实现对调

整管的控制，利用彩电高压包作为高压脉冲变压器。经过MATLAB/SIMULINK仿真，验证了电路方案的可行性，经过测试表明：输出电压可以在1000V～20KV范围内

连续可调，负载电流为0～5mA, 且具有体积小、成本低、宽范围、智能化的特点，可以满足蔬菜叶面害虫的防控需要，也可以应用到类似指标的领域。

关键词：开关电源；微处理器；高电压；蔬菜害虫；物理防控

1 引言

电源是物理农业中用于杀菌消毒、灭虫、防控农作物害虫等方面的重要设备，目前电源主要有两大类，线性电源和开关电源[1]。

线性电源（Linear power supply）是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再

经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流

电压。线性电源因调整管工作于放大状态（线性工作区域）而得名；线性电源技

术很成熟，制作成本较低，输出电压文波较小可以达到很高的稳定度，自身的干

扰和噪声都比较小，但由于工频(50Hz)时变压器的体积比较大且笨重造成电源整

体体积较大且笨重,更主要的是电源效率较低(一般满载工作的效率只有80%左右)，且输入电压范围较小；总的来讲，线性电源的优点是性能稳定，没有高频纹波等

干扰。线性电源的缺点是发热功耗大、能源利用率低，没有超大功率的电源供选择。开关电源（Switch power supply）是指用于电压调整管工作于饱和区和截止区，即开关状态的[2-4]。

开关电源可以具有较高的工作频率,脉冲变压器的体积可以做的较小,重量轻,

结构简单、成本低、效率高（效率可达90%以上)，在很多场合已经替代了线性电源, 虽然输出纹波较线性电源大些，但可以通过滤波措施降低,是电源发展的趋势。高频率、高电压、数字化是各个领域开关电源发展的趋势[5-7]。

因此，根据资助本论文研究的科技攻关项目的研究需要，针对灭除蔬菜叶面

害虫系统的关键组成部分采用的高压电场，设计实现基于脉宽调制技术PWM的

一个高电压大范围可调开关电源，并采用微处理器作为控制核心，主要是将一般

电瓶电压12V直流电升高到1000V～20kV直流电，根据需要可调输出电压大小，

以满足高压电场灭除蔬菜叶面害虫的需要。

2 开关电源方案设计

开关电源的工作过程： PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制开关电源是

让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的

伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/

功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗[5-6]。

PWM开关电源主要是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电

压幅值的脉冲电压来实现的。PWM脉冲的占空比由开关电源的控制器根据需要

进行调节。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出电压值。将绕组输出的交流波

形经过整流滤波后就得到需要的直流电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很

类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调

节器相同。

开关电源主要有两种工作方式：升压式变换和正激式变换。尽管它们各部分

的布置差别很小，但是工作过程相差很大，本文采用升压式变换。

蓄电池采用12V规格，可以是锂电池也可以是铅酸电池；开关管采用MOSFET，大电流高电压IRF130等，也可以采用IGBT类型；IRF130 的基本参数是

漏极到源极电压(Drain-to-Source Voltage) VDSS=100V、漏极连续电流（Continuous Drain Current）(TC=25℃)ID=15A、总功率耗散（Total Power Dissipation）(TC=25℃）PD=75W.

高频变压器在系统中主要完成绝缘隔离、电压变换和磁能转换作用，是高压

开关电源的重要元件。一般情况下，高频脉冲变压器输入绕组两端所加的电压是

低压直流电压，当功率开关管在PWM信号作用下，工作在高频通断状态时，低

压直流电压将被转换成方波电压施加在高频脉冲变压器上，由于绕组电感中的电

流不能突变，因此被高频脉冲变压器通过电磁能量转换成高频交流电压，又经过

其他整流滤波电路的作用，将高频脉冲变压器输出绕组中的高压交流电转换成设

定的高压直流电压。高频脉冲变压器主要采用彩电高压包BSC24-01022，最大输

出电压可达24KV，内部含有高压整流硅堆完成整流，能够满足本研究的需要，且可降低成本。

电压采样电路由电阻串联对高压输出分压后送入单片机微处理器中的ADC接口。分压后得到的电压为最高3.0V。

键盘电路采用3*4矩阵键盘的形式，便于设定输出电压。

显示电路选用1602LCD液晶屏，便于观察显示输出电压。

图中控制器单片机采用ARM7系列，也可以选用STM32系列、AVR单片机、DSP等高性能器件，通过输出PWM控制输出电压，单片机输出电压可以通过键

盘电路进行设定，显示电路用于显示输出的直流电压，方便设置；电压电流电路

用于采集输出电压电流，采样信号送入单片机，经过与设定电压比较后，单片机

改变PWM信号来调节输出电压。输出电压连接到电极阵列。

3 系统仿真

为了验证设计是否合理，利用MATLAB /Simulink 库中功率系统仿真工具箱SimPowerSystem 对所设计的开关电源高压发生部分进行仿真[2-6]。

输出电压连续可调，范围可以覆盖1000V-20kV,电流可以覆盖0-5mA的范围，符合设计要求。

4 结语

设计实现的高压宽范围可调开关电源，采用PWM脉宽调制技术，利用ARM

微处理器作为控制器，以MOSFET作为调整管，大屏幕彩电高压包作为高压脉冲

变压器，具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、带载能力强、输出电压范围

连续可调的特点。主要性能指标为：工作频率30kHz；输出高压为1000V-20kV；

输出电流为0-5mA；工作效率达90 % 以上。可以满足高压电场防控蔬菜叶面害虫的需要，也可以满足其他采用高压电场的系统需要。

参考文献

[1] 温建华.便携式小型高压开关电源设计分析[J].电子技术与软件工程.2018,(2)：235-236.

[2] 王勇，韩苏林，郭伯亚.高压高功率小体积开关电源的优化设计[J].电源世界.2018,(2)：24-26.

[3] 高志佳.电厂电除尘的高频高压开关电源的设计[D].华北电力大学(北

京) ,2017

[4] 王琳.2015基于STM32的高压电源设计[D].辽宁大学,2015