数字化小功率高压电源设计.docx
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数字化小功率高压电源设计
目录
引言1
1.传统的高压电源升压方式2
1.1变压器升压原理2
2.系统整体设计5
2.1高压电源的整体设计5
3.各模块单元设计5
3.1.功率场效应管的驱动控制5
3.2功率MOSFET的工作原理7
3.3单片机的选择7
3.4单片机时钟电路设计9
3.5单片机复位电路设计9
3.6键盘输入模块设计10
3.7显示模块设计10
3.8功率整流二极管12
3.9过载采样13
3.10报警指示13
3.11A/D转换13
3.12高压发生电路设计14
3.13串行接口通信15
4.数字化小功率高压电源的电路原理图及软硬件设计16
4.1数字化小功率高压电源整体电路图及各部分接线图16
4.2高压逆变硬件设计16
4.3单片机软件设计18
5主回路仿真实验18
5.1仿真软件介绍18
5.2数字化小功率高压电源系统仿真19
6总结21
7.致谢21
参考文献21
附录23
数字化小功率高压电源设计
摘要:
高压直流电源在科学和工业生产中有着普遍的应用,光学仪器,医疗设备,质谱分析,静电喷涂,激光器,x射线衍射仪和其他有些分析成像射线类仪器中很重要部件。
传统的高压电源很多都采用线性技术,缺点是这种结构形式使电源变换损失功率增多,体积大,重量沉,操作和维修都不方便。
由于电源技术的快速发展,人们对于高压电源的智能化和数字化程度、转换的效率和带负载能力提出了更高的要求。
设计了一种以单片机技术为基础的智能化小型高压电源。
该电源由单片AT89C51机控制,利用黑白电视机中的高压包和一些简单易购的元件来制作高压发生器实现升压输出直流,该电源源具有通用性强、输出可调范围宽、制性能优良等特点。
关键词:
高压电源;数字控制;单片机
Digitallow-powerhigh-voltagepowersupplydesign
ABSTRACT
HighvoltageDCpowersupplyinthescientificandindustrialproductionhasabroadapplication,Opticalinstruments,medicalequipment,massspectrometry,electrostaticspraying,laser,Xraydiffractionandsomeotheranalysisimagingrayinstrumentinanimportantandindispensablecomponent.Thetraditionalhighvoltagepowersupplywithlineartechnique,thestructurecausingthepowertransformefficiencyislow,largevolume,heavyweight,inconvenientrepairoperation.Withthepoweroftechnologydevelopment,peopleonthehigh-voltagepowersupplyintelligentdegree,conversionefficiencyandloadabilityraisedtallerrequirement.Designofamicrocontrollerbasedintelligentminiaturehighvoltagepowersupply.ThepowersupplyiscomposedofSTC89C51singlechipmicrocomputercontrol,Use ofFBTandsomesimplecomponentstomakeavailablehighvoltagegeneratortoachievestep-upDCoutput.Thehighvoltagepowersupplywithhighuniversality,adjustableoutputrange,highprecision,goodcontrolperformancecharacteristics.
Keyword:
Highvoltagepowersupply;digitalcontrol;MCU
引言
小体积高压电源在高能离子能量分析器和小功率X光管供电等方面有重要的应用,这些应用对高压电源提出特殊要求:
(1)输出电压值高,一般在+30~+50kV;
(2)高压的稳定性好,一般要求输出波动的范围是千分之几;
(3)输出高压范围比较宽,而且能连续可调;
(4)体积小、输入功率较低,适合野外操作等;
根据这四点要求,文中使用全集成化的电路设计出稳定并且可靠的新型数字化高压电源,该电源具有功率损耗低、体积小、重量轻、绝缘性能强等特点,而且输出的高压能连续可调,稳定性好。
现在的研究现状是20世纪70年代世界的电源史上出现了一场革命,即20kHz的开关频率融合脉宽调制技术(PWM)在电源市场的应用。
到现在为止,电源频率已经能达到数百赫兹,使用先进的准谐振技术几乎能达到兆赫兹水平。
以减少结构体积和性能要求高电压变压器,滤波电容器,电抗器,高压电容器等电子元件,使高压电源体积减少。
高频电源,高压电源体积轻,便于携带,实用性和易用性,大大减少并有明显改善。
世界正在大力开发新的高压高频电源供应,包括电力新理论,新的模块化电路,新型电子设备,以满足电子设备的小型化,高效率和高性能的发展要求,
目前,国外高压直流电源已经比较成熟,已生产出小型,高效,智能高压直流电源斯佩尔曼,像Classman高电压电源公司。
在20世纪70年代开始,美国有些公司将直流电直接逆变成500Hz的中频方波送给高压发生器,从而减少了尺寸和重量。
日本国家开始使用开关电源技术,将电流整流逆变到3kHz范围的中频电流,然后升压。
到了20世纪80年代,高压电源技术的的大幅度发展,西门子公司研究了手机镜头大功率的晶体管开关元件,电源开关频率在20kHz以上。
而且将干式变压器技术正在实现用于高频高压电源,省去了高压变压器油箱,使变压器的系统体积减小。
我国高压开关电源的技术虽然已取得了很大的进步,但跟国外一些技术很是没得比的,尤其是大功率高压开关电源技术仍处研究和开放中。
虽然高频高压电源的研发工作已经取得了很多的进展,但是在电压恒定、纹波系数等指标方面仍然与理想中有很大的差别,与国外同类技术水平也有不小的差距,我们仍需要增加科研力度来促进更广泛的高频高压电源的使用,在工业,农业,医疗,环保等领域尤其重要。
1.传统的高压电源升压方式
1.1变压器升压原理
从工频交流电源得到交流供电,然后经过高压隔离升压变压器升压后,得到高电压交流电,再通过整流滤波最后输出直流高电压。
它有很多接线方式比如半波整流、全波整流、桥式整流、倍压整流、多相整流等。
1.全波倍压电路
全波倍压电路原理如图1。
图1全波整流电压电路
(a)正半周(b)负半周
(1)正半周时,D1导通,D2截止,电容器C1充电到Vm,其电流路径及电容C1的极性如上图(a)所示。
负半周时,D1截止,D2导通,电容器C2充电到Vm,其电流路径及电容C2的极性如上图(b)所示。
(2)由于C1与C2串联,故输出直流电压,V0=Vm。
如果没有自电路抽取负载电流的话,电容器C1及C2上的电压是2Vm。
如果自电路抽取负载电流的话,电容器C1及C2上的电压是与由全波整流电路馈送的一个电容器上的电压同样的。
不同之处是,实效电容为C1及C2的串联电容,这比C1及C2单独的都要小。
这种较低的电容值将会使它的滤波作用不及单电容滤波电路的好。
优缺点:
这类整流电路优点是接线简单,缺点是所用设备、组件的电压较高,体积、重量和占地面积大,一般只能作为试验室内使用。
最大缺陷就是带负载能力差,带负载后电压掉得厉害
2.N倍压电路
半波倍压电路的推广形式,它能产生输入峰值的的三倍或四倍的电压。
根据线路接法的发式可看出,如果在接上额外的二极管与电容器将使输出电压变成基本峰值(Vm)的五、六、七、甚至更多倍。
(即N倍)原理如图2。
图2N倍压的工作原理
(1)负半周时,D1导通,其他二极管皆截止,电容器C1充电到Vm,其电流路径及电容器的极性如图(a)所示。
(2)正半周时,D2导通,其他二极管皆截止,电容器C2充电到2Vm,其电流路径及电容器的极性如上图(b)所示。
(3)负半周时,D3导通,其他二极管皆截止,电容器C3充电到2Vm,其电流路径及电容器的极性如上图(c)所示。
(4)正半周时,D4导通,其他二极管皆截止,电容器C4充电到2Vm,其电流路径及电容器的极性如上图(d)所示。
所以从变压器绕线的顶上量起的话,在输出处就可以得到Vm的奇数倍,如果从变压器的绕线的底部量起的话,输出电压就会是峰值电压的Vm偶数倍。
优缺点:
这种电路能提高直流电压的输出的幅度,是带负载能力越来越差。
因此只能用于小电流电路。
综上原因可知传统的高压电源存在设备重、体积大、精度低、效率低等这些缺点已经无法适应现代电源技发展的市场。
随着开关元件的研发和电力电子技术的发展,开关电源技术已经广泛地应用于高压开关电源技术之中。
采用高压电源技术产生比工频高上千倍频率的方波或正弦波可以大幅度减小高压电源的体积和重量,并且提高高压电源的输出电压精度、输出电压功率,实现自动化控制,高压电源发展趋势重要性就在于此。
随着这几年电子电力技术的快速发展,如MOSFET,IGBT等新一代电子器件的应用,高频逆变技术的逐步成熟,出现了数字智能化高压电源,与其相比它突出的优点是:
储能少、重量轻、效率高、体积小、响应速度快、设计与制造周期短。
由于其优越的特点,如今已逐步代替了传统高压的电源。
50/60Hz交流电流首先通过整流后得到相应的直流电,经过高频逆变、高频变压器、整流器输出高压,进行误差信号的进一步处理产生IGBT功率开关管的PWM控制信号并通过负载电压反馈信号与指定电压信号相比较,采用闭环反馈来实现输出电压的精确控制。
开关电源技术的数字高压电源具有纹波系数低、重量轻、保护速度快、体积小、稳定性高、控制精度高等优点,因此它必将在高压电源中有着更广泛的应用。
基于高频逆变数字化高压电源的工作原理如图3:
图3基于高频逆变高压电源示意图
2.系统整体设计
2.1高压电源的整体设计
整体设计图如图4,将从高压侧得到的电压输入单片机,经功率管驱动送入高频逆变器。
将高压发生电路得到的交流电压进行过载采样和A/D转换后送入单片机并将结果用LCD显示出来。
同时串行通信接口与单片机的信息进行持续交换。
图4高压电源的整体设计
图4高压电源整体设计
3.各模块单元设计
3.1.功率场效应管的驱动控制
使用M0SFET功率管比使用双极型晶体管可得到更多的好处。
特别当器件用在高频时(一般在100kHz或更高),M0SFET的突出优点更会显现出来。
所以M0SFET工作频率一般都很高,必须采用一些预防措施来设计,把高频时出现的问题,如寄生振荡等应于消除。
M0SFETT管在高频工作时,防止振荡,必须注意两点。
首先,M0SFET各端点的连接线长度尽可能减少,尤其是栅极引线。
但是若无法让引线剪短,则可按图5所示,靠近栅极处串联一个小电阻以便抑制寄生振荡。
第二,由于M帕FET的输入阻抗高,为了避免正反馈所引起的振荡,驱动电源的阻抗必须较低。
特别是,M0SFET的直流输入阻抗非常高,但是它的交流输入阻抗是随频率变化而改变的。
因此,M0SFET的驱动波形的上升和下降时间,与驱动脉冲发生器的阻抗有关。
另一个重要的事情是:
氧化硅层之间的M0SFET的压力栅的耐压是有限的,如果实际的电压数值超过元件的额定值,将会被击穿,造成永久性的损坏。
实际的栅—源电压最大值在20—30V之间。
值得注意的是,虽然实际电压是20V,我们要细致分析看是否可能会出现因为寄生电感引起的电压急速上升产生的尖峰从而引起击穿M0SFET的硅氧化层问题。
为了方便起见,我采用直接驱动式:
(1)用TTL工驱动M0SFET如图6,但如果M0SFET中的有些晶体管,工作经线性区间,达到饱和需要一段较长时间,使M0SFET的性能不可能达到最佳状态的,可如图5所示,在TTL器件与M0SFET之间加上Tr1、Tr2,可减少开关的上升与下降时间。
图5MOSFET作为开关工作在共源板的结构图
图6用TIL器件驱动MOSFET
3.2功率MOSFET的工作原理
截止:
漏源极间加上正电源,栅源之间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏,无电流从漏源极之间流过。
导电:
在栅源极间加正电压,电流不会从栅极流过因为栅极是绝缘的。
但栅极的正电压会将它下面P区中的空穴推开,将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面。
当正电压大于开启电压或阈值电压时,由于栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度,反型层形成N沟道而使PN结消失是因为P型半导体反型成N型而成为反型层,漏极和源极就导电。
3.3单片机的选择
单片机是将CPU、存储器、定时/计数器、I/O接口电路和必要的外设集成在一块芯片上,构成一个既小巧又完善的计算机硬件系统,可实现微型计算机的基本功能。
单片机具有机构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点,此外,单片机易于扩展,很容易构成各种规模的应用系统。
片内具有计算机正常运行所必需的部件,芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、穿行I/O口,为应用系统的设计和生产带来极大的方便,而且单片机工作电压低,功耗也低,在许多行业都得到了广泛的应用并发挥了巨大的作用。
单片机是整个系统的核心,本设计采用AT89C51型号单片机,其引脚图如下图7:
图7AT89C51单片机引脚排列图
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器,通常也被称为单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,其可擦除只读存储器可以反复擦除1000次,即可重复写入程序约1000次,且与工业标准的MCS-51的输出管脚和指令集相兼容。
ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,因其将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中。
AT89C51具有以下功能:
4K字节Flash闪速存储器,5向量两级中断结构,128字节内部RAM,两个16位定时/计数器,32个I/O口线,全双工串行通信口,时钟电路以及片内振荡器。
同时,AT89C51支持两种软件可选的节电工作模式,并可降至0Hz的静态逻辑操作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
空闲方式停止CPU的工作,但允许定时/计数器,RAM,中断系统及串行通信口继续工作。
AT89C51各引脚功能如下:
VCC:
AT89C51电源的正极输入端,接+5V电压。
GND:
电源接地端。
RST:
AT89C51的复位信号输入端,高电平工作,当要对芯片复位时,只要将RST输入端保持2个机器周期以上高电平,单片机即完成复位初始化操作,使得单片机内部特殊功能寄存器的内容均被设成初始的已知状态。
XTAL1和XTAL2:
时钟引脚,外接晶体引线端。
当使用芯片内部时钟时,此两引脚端用于外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时,用于外接时钟脉冲信号。
ALE/PROG:
AT89C51的地址锁存允许信号输出端。
在访问外存储器时,作用为锁存低8位的地址信号。
当单片机上电,正常工作时,ALE端就以时钟振荡频率的1/16固定频率周期性地向外输出正脉冲信号。
该端的第二功能PROG为当对片内带有4KBEPROM的8751单片机烧写程序时,此引脚作为编程脉冲的输入端。
PSEN:
AT89C51的程序存储允许输出端,低电平有效。
PSEN信号是片外程序存储器的读选通信号。
CPU从外部程序存储器取指令时,PSEN信号自动产生负脉冲,作为外部程序存储器的选通信号。
在读片外程序存储器读取指令码时,每个机器周期产生二次PSEN信号。
在执行片内程序存储器指令时,不产生PSEN信号,在存取外部数据时,也不产生PSEN信号。
EA/VPP:
程序存储器地址允许输入端。
当EA为高电平时,CPU执行片内程序存储器指令,但当PC中的值超过0FFFH时,将自动转向执行片外程序存储器指令;当EA为低电平时,CPU只执行片外程序存储器指令。
对8031单片机而言,EA必须接低电平。
在8751中,当对片内EPROM编程时,该端接21V的编程电压。
P0:
P0口(P0.0~P0.7)是一个8位双向输入/输出端口,其漏极开路,当访问外部数据时,它是地址总线(低8位)和数据总线复用。
P0口的每一个端口可以驱动8个LSTTL负载。
当单片机外部不进行扩展而仅单片使用时,该输入输出端口则可作一般双向I/O口用。
P1:
P1口(P1.0~P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口),仅作为输入输出端口使用。
其输出可以驱动4个LSTTL负载。
P2:
P2口(P2.0~P2.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口),当存取外部程序存储器时,它是用作高8位地址。
P2口每一个引脚可以驱动4个LSTTL负载。
当单片机外部不进行扩展而仅单片使用时,则作一般双向I/O口使用。
P3:
P3口(P3.0~P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口,为准双向并行I/O口。
此外P3口还提供外部随机存储器内容的读取或写入控制,外部中断控制、计时计数控制及串行通信等特殊功能。
其特殊功能引脚分配如表一。
表一AT89C51单片机P3口特殊功能分配表
P3.0
RXD
串行通信输入
P3.1
TXD
串行通信输出
P3.2
INT0
外部中断0输入,低电平有效
P3.3
INT1
外部中断1输入,低电平有效
P3.4
T0计数器
计数器0输入端
P3.5
T1计数器
计数器1输入端
P3.6
WR
外部RAM的写选通信号端,低电平有效
P3.7
RD
外部RAM的读选通信号端,低电平有效
3.4单片机时钟电路设计
时钟电路用于产生单片机所需要的时钟信号,单片机在时钟信号控制下各部件之间同步协调工作。
根据产生方式的不同,分为内部和外部两种时钟电路。
在AT89C51芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚XTAL1,其输出端为引脚XTAL2。
在由多片单片机组成的系统中为了各单片机之间时钟信号的同步,应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。
这时,外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入,由于XTAL2端逻辑电平不是TTL的,故需外接一个上拉电阻,外接信号应为时钟频率低于12MHz的方波信号。
本设计只用到一个单片机,单片机时钟电路采用内部振荡电路,其接线原理图如图8所示。
在芯片的外部,XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激振荡器,在引脚XALT2上输出3V左右的正弦波。
通常,电容
和
取30pF左右,主要作用是帮助振荡器起振,晶体的频率范围是1.2~12MHz。
晶体振荡频率高,则系统的时钟频率也高,单片机运行速度也就快,在通常情况下,AT89C51使用的振荡频率为6MHz或12MHz,本设计系统中采用12MHz振荡频率。
图8单片机振荡电路
3.5单片机复位电路设计
复位时单片机的初始化工作,复位后中央处理器CPU和单片机内的其他功能部件都处在一定的初始状态,并从这个状态开始工作。
一般在单片机刚开始接上电源时,或是断电、发生故障后都要复位。
在单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时,单片机内部就执行复位操作。
本设计中时钟频率为12MHz,每个机器周期为1μs,则只需2μs以上时间的高电平即可实现复位。
若该引脚持续保持高电平,单片机就处于循环复位状态。
常用的复位电路有两种基本形式:
一种是上电复位;另一种是按键复位。
上电复位电路利用电容充电来实现的。
在接通电源的瞬间,RST引脚获得高电平,随着电容的充电,充电电流减小,RST引脚的电位逐渐下降,高点平只要能保持足够的时间,单片机就可进行复位操作。
按键复位电路除具有上电复位功能之外,还可通过按键复位。
在本设计中,复位电路采用按键复位,原理图如图9所示。
图9按键复位电路
如图9,单片机需要复位时,只需按下图中的按键,此时电源经经电阻
的分压,在RST引脚上产生一个高电平,单片机就进行了复位操作。
复位后不会改变片内RAM中低于128B的内容,但是特殊功能寄存器SFR的值被初始化。
3.6键盘输入模块设计
键盘电路可分为矩阵式、独立式键盘等键盘电路。
在按键较少,操作速度较高或程序设计较为简单的情况下,可选择独立式键盘。
独立式键盘各按键独立,每个按键分别接一根输入/输出线,每个输入/输出线上的按键工作状态不会干扰到其他输入/输出线上的工作状态。
所以通过对输入/输出线上电平的检测就可以很容易地判断哪个按键被按下了。
独立式键盘电路每一个按键开关占用一根I/O口线,当所需按键数较多时,就会占用较多的I/O口线。
因此在按键较多的情况下,通常多采用矩阵式键盘电路,它由列线和行线组成,按键位于列线和行线的交点上。
我设计的电路用按键(+—)调电压,(+)按键就是增加电压,(—)按键就是减小电压。
用指示灯作为电源开关按键。
如图10
图10按键
3.7显示模块设计
显示模块可采用4位数码管显示,也可采用LCD液晶显示器显示。
数码管显示亮度大,显示的比较清晰完整,能够将电机的转速完整的显示出来,但功耗较大,显示的信息少。
液晶显示是一种极低功耗、抗干扰能力强的显示器,可显示的信息较多,美观大方有利于人与系统的交互及显示内容的扩展。
本设计使用LM016L液晶显示,如图11所示。
LM016L液晶显示器具有功能较强且简单的指令集,可以实现显示字符的移动和光标闪烁等功能,可采用4位或8位并行传输这两种方式实现单片机与LM016L进行通讯,如图11所示。
图11LM016L液晶
LM016L液晶模块的引脚功能如下表二所示:
表二LM016L液晶模块的引脚功能
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源(+5V)
3
VEE
LM016L液晶显示模块的对比度调整端,接地时对比度最高,接VCC时对比度最弱。
4
RS
寄存器选择端,低电平时选择指令寄存器,高电平时选择数据寄存器。
5
R/W
R/W为读写控制信号线,低电平时进行写操作,高电平时进行读操作。
6
E
E为使能端,下降沿使能
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位(最低位)
8
DB1
底4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位(最高位)(也是b
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