基于单片机的高压驱动电源设计

1 高压开关电源的设计

高压电源输入9～18 V，输出150 V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MC33O60，直流电压经H 桥逆变电路转换后得到150 V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(MCU)控制芯片MC68HC908JK3，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MCU 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。MC33060是低功耗固定频率的脉宽调制(PWM)控制芯片，内部集成了振荡器、误差放大器、5 V 基准源等，主要用来实现单端电压模式控制。开关管Q1导通时，输入向变压器储能，次级整流管D1处于关断状态;Q1关断时，整流管D1导通，变压器储能输出到次级，为C4充电。振荡电阻R1、振荡电容C3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MCU电压基准信号比较，产生PWM 信号驱动功率开关管Q1。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D1、D2和电容C4、C5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，使反激变换器工作在软开关状态，从而降低电磁干扰噪声(EMI)，提高电源转换效率。

开关管的导通时间：

式中：Lp为初级绕组电感量;Ip为初级峰值电流;Vin为输入电压。

变压器复位时间：

式中 VOR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，VOR也将消失。Lp、开关管漏极电容Cp和绕组电阻Rp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：

开关管的漏源电压为：

由此可得到准谐振反激式变换器的一个完整工作周期：

准谐振反激式变换器的工作频率为：

MCU控制电路核心采用MC68HC908芯片，其内部总线速度8 M ，集成了12路8位模数转换器(ADc)、4 k 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l9输出电压基准信号给电源管理芯片MC33060。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DR1和DR2，由引脚9、10输出到H桥逆变电路驱动功率管。

图3 MCU 控制电路

H桥逆变电路如图4所示。DR1和DR2为2路反相驱动信号，由单片机的定时器模块输出。DR驱动功率管Q2、Q5导通时，DR2驱动功率管Q3、Q4关断，负载供电150 V;DR1驱动Q2、Q5关断时，DR2驱动Q3、Q4导通，负载供电-150 V。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，本文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。

图4 H 桥逆变电路 2 实验结果

基于上述研究方案，本文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12 V输入下，功率MOS管漏级电压波形和输人滤波电容EMI 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5 12 V输入下MOS管漏级电压波形

图6 输入滤波电容EMI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EMI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(150 V、400Hz)。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。

图7 高压电源变压器次级波形

图8 高压电源稳态输出电压波形

3 结语

针对压电陶瓷驱动电源的应用需求，设计了基于MCU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MCU 定时器的程序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。