高压小功率开关电源研发

作者 李刚 海华电子企业(我国)有限公司(广东 广州 510656)

摘要：本文介绍了高压小功率开关电源的作业原理，并根据SG3525 PWM调制芯片规划了3
KV输出的电源样机，对规划原理进行了剖析研究，给出了测验数据。

0 导言

　　高压小功率开关电源广泛使用于医学仪器等各种精细电子体系，具有呼应速度快、安稳性好、牢靠性高级特色。本课题根据SG3525
PWM调制芯片研发了一种DC48V输入，DC3kV输出的新式高压开关电源，并给出了实践电路规划原理和作业原理剖析。

1 电路原理

　　高压小功率电源体系原理如图1所示。输入48V的直流电经电容滤波储能，SG3525
PWM调制器调制出相位相反的2路PWM波驱动高频开关管然后驱动高频变压器，在变压器原边把直流48 V改换成48
V方波，通过高频变压器进行高频方波改换，并使用变压器原副边匝比得到高压方波，再经4倍压整流滤波后，输出3kV直流高压。输出经输出采样改换后送到环路操控电路，环路操控电路操控SG3525芯片的输出PWM方波的占空比，然后操控变压器原边的方波占空比，然后调理输出电压。

2 电源主电路作业原理

　　电源主电路作业原理如图2所示。其间由PWM调制芯片SG3525发生PWM方波信号，通过驱动电阻R1和R2别离驱动开关管Q1和Q2，开关管Q1和Q2对变压器原边别离导通，然后输入电源通过高频变压器和开关管在变压器原边发生高频脉冲电压，通过高频变压器阻隔改换后发生高频的方波电压，再通往后级的4倍压整流电路滤波得到高电压输出。RL为负载电阻。

　　由芯片SG3525发生约50
kHz的PWM驱动信号,经驱动电阻加至开关管的栅极。当OUTA驱动信号为高电平，OUTB驱动信号为低电平时，Q1开关管触发导通，Q2开关管封闭，电流由初级NP1线圈通过开关管流向地，输入电源通过变压器转化为副边NS绕组的A点为正，B点为负的方波电压，然后通过4倍压整流电路整流滤波;当OUTB驱动信号为高电平，OUTA驱动信号为低电平时，Q2开关管触发导通，Q1开关管封闭，电流由初级NP2线圈通过开关管流向地，输入电源通过变压器转化为副边NS绕组的A点为负，B点为正的方波电压，然后通过4倍压整流电路整流滤波，终究输出高压电压。

　　由于输入电压为DC48
V，为了变压器副边得到高压方波电压，主电路选用推挽拓扑，推挽拓扑由于2个开关管轮番注册，电流通过开关管流到地上，驱动简略便利，不必阻隔驱动，由SG3525就可直接驱动。推挽拓扑比照半桥拓扑和全桥拓扑，它的成本低，简略牢靠，直接驱动，十分适合于低压输入的场合，故选取推挽拓扑进行规划。

　　倍压电路能够用较低耐压的二极管和电容进行组合得到高压输出，电路简略，牢靠，成本低，在小功率高压输出场合十分适用。

3 倍压整流电路作业原理

   4倍压整流电路原理图如图3所示。

　　具体作业原理如下：

　　1)榜首周期，初级NP1绕组导通，初级NP2绕组断开，副边NS绕组电压为U，A点为正，B点为负，电流从A点经二极管D1流到C点，再流进电容C1，对电容C1充电，终究回到B点。电容C1电压为U。见图4.

　　2)第二周期，初级NP2绕组导通，初级NP1绕组断开，副边NS绕组电压为U，A点为负，B点为正，电流从B点经C1流到C点，再经二极管D2，流进电容C2，对电容C2充电，终究回到A点。C2电压为副边NS的电压加上电容C1的电压，为2U。见图5。

　　3)第三周期，初级NP1绕组导通，初级NP2绕组断开，副边NS绕组电压为U，A点为正，B点为负，电流从A点经二极管D1流到C点，一起经电容C2，流经二极管D3对电容C3充电，经电容C3流到C点，终究由C点经C1回到B点。C1电压为U，C2电压为2U，C3电压等于C2电压加上副边NS的电压减去电容C1的电压，为2U。见图6。

　　4)第四周期，初级NP2绕组导通，初级NP1绕组断开，副边NS绕组电压为U，A点为负，B点为正，电流从B点经C1流到C点，再经D2二极管，流进电容C2，对电容C2充电，终究回到A点，一起由C点流经电容C3，再经二极管D4，流进电容C4，对电容C4充电，回到D点，流进电容C2，对电容C2充电，终究回到A点。C1电压为U，C2电压为2U，C3电压为2U，C4电压等于C1电压加上C3电压加上副边NS的电压减去电容C2的电压，为2U。见图7。

　　5)第五周期，初级NP1绕组导通，初级NP2绕组断开，作业原理跟第三周期相同。第六周期，初级NP2绕组导通，初级NP1绕组断开，作业原理跟第四周期相同。然后后续的周期不断的在循环。

　　6)输出从A点和F点引出，A点为负，F点为正，输出电压等于电容C2电压加电容C4电压，为4U，等于4倍副边绕组NS的电压，为4倍压升压。

4 环路操控作业原理

　　本电路选用TL431、光耦、电阻、电容组成阻隔反应电压环操控电路，为二阶操控电路，用光耦进行阻隔，通过R8电阻来操控SG3525芯片的第9脚COMP脚，然后操控SG3525的输出驱动波形的占空比，然后安稳输出电压。通过合理选取电容和电阻值，使电源作业安稳。

5 主要参数核算

　　1)匝比核算

　　倍压整流电路为4倍压整流电路，在抱负的情况下,输出端电压为:

　　V_o=4×V_NS=4×N×V_in×D_有用

　　式中N为变压器副边与原边的匝数比，N=Ns:Np1(Np2的匝数跟Np1相同)，V_in为输入电压，D_有用为有用占空比，一般规划选取为0.8。

　　要得到3 KV的输出电压，则可核算出匝比N为：

　　取整数20。

　　2)变压器磁芯确认：

　　确认变压器磁芯，由于开关频率为50 KHZ，输出功率为50W，可通过查常用磁芯对应的功率表，能够查出PQ26/20磁芯在48 KHZ下输出功率为82
W，可满意规划要求。磁芯的A_e为119 mm²。

　　3)变压器原边匝数NP核算：

　　其间V_in为48 V，f为50KHZ，A_e为119 mm²，D_有用为0.8，ΔB为0.25 T(常用)。

　　成果取整流，得到N_P为26匝。

　　4)变压器副边匝数N_S核算:

　　N_s=N×N_p=520

　　其间N为20，NP为26匝，核算得到NS为520匝。

　　5)输出电流核算：

　　6)输出电容核算：

　　其间I为16.7 mA，T为20μS，a为电容上电压动摇比率，由于要输出电压精度高，所以取0.5%。

　　核算得到电容C为100 nF，考虑到电容有差错而且电源要有规划余量，故选取150nF电容，因输出是二个电容串联得到3000 V，则电容耐压要大于1.5
kV，选取2000 V电容。终究选用150 nF/2000 V的聚苯乙烯电容器。

　　7)二极管核算：

　　由4倍压整流电路可知，二极管耐压要大于2倍副边电压。

　　副边电压 V_副边=N×V_in=960V

　　得到 V_二极管=2×V_副边=1920V

　　考虑到要有规划余量，故选取3 kV二极管，输出电流为16.7 mA，选取通用的0.5 A二极管，终究选用0.5 A/3000
V的快速高压二极管。

6 调试成果

　　负载电阻RL选用180 KΩ/200 W的高压电阻。对电流与电压联系进行了测验和剖析。样机电源的电压和电流的输出特性见表1。

　　试验的丈量成果可知，在输入46 VDC~50 VDC时，电路都能正常输出。输出电压的精度小于1.5%，功率>75%。

7 定论

　　本文所述的高压小功率开关电源,选用推挽式拓扑，高频方波信号经变压器升压和4倍压整流后输出直流高压电。操控电路由PWM调制芯片SG3525操控，选用电压环阻隔操控，具有通用性强、输出规模宽、稳压精度高、操控功能优秀等特色，弥补了传统高压电源体积大,功率低的缺陷。

　　此电源通过样机试验调试，其功能安稳，作用杰出，安全牢靠，能广泛使用于要求高电压、低电流的小型电源体系中。这说明本文所述小功率高压开关电源规划方案具有必定的实践使用价值。

　　参考文献：

　　[1]沙占友等编。特种集成电源最新使用技术，北京：人民邮电出版社

　　[2]王志强，肖文勋，虞龙等译。开关电源规划(第三版)(美)，北京：电子工业出版社，2010.6

　　[3]龚绍文译。变压器与电感器规划手册(第三版)(美)，北京：我国电力出版社，2008

　　[4]陈绪胜。SH412高压开关电源的规划。微电子学，1996，26(2)：75-78

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第71页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。