30kV／3mA高压电源控制电路设计

王 野，潘庆超，刘宏军

（沈阳师范大学 物理科学与技术学院，沈阳 110034）

0 引 言

高压电源的控制方式随着电源主电路拓扑结构的变化而发展［1－2］，大致经历由开环控制到闭环控制、由模拟控制到数字控制、由简单控制到智能控制的过程。控制原理一般分为：PWM控制、PFM控制、混合调制控制等方式。单片机控制作为PWM控制智能化的代表，能够克服其他普通电源控制方式的缺点，具有很强的应用价值。

传统的高压电源多采用开环、模拟、简单的硬件控制，这种结构的控制电路体积大，成本高，操作和维修均不方便［3－4］，且无法保证电源系统始终具有较高的精度和可靠性。本文以高压电源技术为基础，以单片机为控制核心，设计了一种新型的30kV／3mA高压电源的控制电路。控制电路通过单片机调节脉冲宽度来改变占空比实现调压。与普通的控制电路相比，本设计充分利用单片机的数值计算和逻辑判断功能简化了硬件线路，提高了智能度；采用PWM控制技术减小了电源体积，降低了功耗；闭环调节的电路结构，提高了输出电压的稳定度［5］。

1 控制系统硬件分析

一个完整的高压电源系统主要分为7大部分［6］：辅助电源，逆变单元，脉冲振荡控制单元，倍压整流单元，高压测量单元，控制电路以及保护单元。其中控制电路作为整体电路的核心之一，起着至关重要的作用。

1.1 控制电路结构

控制电电路主要包括：采样电路、滤波电路、驱动电路、电压转换电路以及单片机5个主要部分［7］。采样电阻在高压测量端采样得到负信号，先后经滤波电路、电压跟随器、电压转换器将信号传至单片机；单片机输出控制信号，经滤波电路、电压跟随器处理控制直流电源。控制电路结构如图1所示。

图1 控制电路结构图

1.2 控制系统硬件分析

在采样电路设计中，选择一个合适的采样电阻是关键。高压输出30kV时，开关电源输出电压为37.5V，高压输出端测量电阻为1 000M，测量电流I＝30kV／1 000M＝30μA，采样电压不能超过5V，电路中设定的采样电压为3V，采样电阻R＝3V／30μA＝100K。因此，采样电路由100K的电阻与1 000M的测量电阻串联构成。采样信号输出后，首先要进行一次滤波处理，1K的电阻与1nF的电容构成了一级RC滤波电路［8］，它的作用是滤除采样信号的纹波，使电压稳定传送。高压电源输出的电压为负高压，导致采样信号也为负，而单片机只能接收正信号，故经过滤波处理后的采样信号需再进行一次电压转换，在电路中，作为反相放大器的Op07芯片可以实现负信号转换成正信号的功能。由于采样信号的电流很小，驱动能力较弱，采样信号需进行一次电流放大处理，电压跟随器LM358芯片在电路中既起到隔离、缓冲又起到放大电流的作用。STC12C5410AD单片机P1.2串口接收的采样信号，单片机程序对采样信号数据做出处理，通过控制PWM经P3.7串口输出0～5V的信号，此信号再经过二级滤波、电压跟随处理传至直流电源的控制端，直流电源根据信号的大小供给高压电源直流电压，实现高压电源控制。其工作原理如图2所示。

图2 电路工作原理图

2 控制系统软件设计

控制电路软件系统分为控制主程序、求平均值子程序、中断子程序和延时子程序［9］。为了提高高压输出稳定度，软件编程中通过多次采样调用求平均值子程序方法实现。中断子程序的作用是防止过大的供电电压击穿单片机，对单片机起到保护作用。高压电源工作过程中，若保证高压稳定输出，延时程序的设计至关重要。

2.1 主程序设计

电源启动后，系统经行初始化，单片机PWM输出电压设定0V，启动A／D，在高压测量端采样，根据采样信号大小做出判断，通过调节占空比输出电压控制开关电源，通过高频变压器和倍压整流输出高压［8－10］。当采样信号大于程序设定电压值时，单片机控制输出信号减小；当采样信号小于程序设定值时，单片机控制输出信号增大，采用PWM算法实现闭环稳压控制。图3为主程序流程图。

2.2 延时子程序设计

在系统程序设计过程中，将单片机程序的响应时间与采样信号在电路中各芯片的滞留时间保持一致，是程序设计的难点问题。单片机在执行主程序时，延时函数的调用起主要作用。Ti（i＝1，2，3，…）为采样信号在控制电路中各芯片的滞留时间，Tj（j＝1，2，3，…）为采样信号经各RC滤波处理充放电时间，其中Ti可根据各芯片资料手册查阅得出，RC滤波电路充放电时间可根据公式（1）求得。故程序延时时间可由公式（2）求出。RC滤波电路的电阻值为R，电容值为C，充放电时间为：

图3 主程序流程图

程序延时时间为：

3 实验数据及分析

高压电源应用单片机控制电路工作48h，A／D采样50次，程序参考值设定为0x110，高压测量电阻1 000M，采样电阻为100K，测试数据见表1。

表1 单片机控制电路测试结果

对比测试：高压电源应用普通控制电路工作60min，高压测量电阻1 000M，测试数据见表2。

表2 传统控制电路测试结果

实验对比：通过对比表1与表2的测量结果，得出高压电源应用单片机控制电路工作48h，开关电源输出电压波动0.1V，高压测量电流波动0.2μA，输出电压波动200V，输出电流波动0.02mA；应用传统控制电路工作60min，开关电源输出电压最大波动0.3V，高压测量电流最大波动0.3μA，输出电压最大波动400V，输出电流最大波动0.04mA。从实验数据得出，高压电源应用单片机控制输出高压明显比应用传统控制电路输出高压稳定［11－13］。

4 结 语

本文所述30kV／3mA高压电源控制电路，采用数字化的单片机控制，结合外围硬件电路，实现对高压电源闭环实时控制，该电路与普通控制电路相比，具有稳压精度高、通用性广、智能化强、功耗低等优良特点。此控制电路多次配合高压电源经行实验调试，经长时间工作验证，其性能稳定，安全可靠，具有良好的应用前景。

［1］闫兴德.120kV高压电源及其控制电路的设计［D］.太原：太原理工大学，2011.

［2］宫传.一种高频高压电源的研制［D］.大连：大连理工大学，2008.

［3］孟建辉.开关电源的基本原理及发展趋势［J］.通信电源技术，2009（6）：62－63.

［4］毛晓惠，王雅丽，姚列英，等.星点高压电源测量与控制系统的抗干扰设计［J］.中国测试，2012（3）：72－75.

［5］高晶敏，董云涛，魏宸官.用于电流变技术工程应用研究的可控高压电源［J］.兵工学报：坦克装甲车与发动机分册，1998（4）：27－30.

［6］牛淑芳，邓玉福，马跃等.SCR谐振逆变在低压大电流开关电源中的应用［J］.沈阳师范大学学报：自然科学版，2013，31（1）：73－77.

［7］孙巨勇.基于单片机的烟雾报警器的设计探究［J］.电子测试，2013（15）：56－57.

［8］马跃，邓玉福，于桂英.小型高压开关电源设计［J］.沈阳师范大学学报：自然科学版，2011，29（1）：30－33.

［9］周建国，陈志强.单片机高压供电监测仪设计［J］.微计算机信息，1997（5）：48－49.

［10］CLIFF SCAPELLATI.High Voltage Power Supplies for AnalyticalInstrumentation［R］.High Voltage Electronics Corporation Reference Manual，2009.

［11］李成祥.智能型室内空气质量检测与控制系统［D］.北京：北京交通大学，2011.

［12］戈崇胤.C语言程序设计学习支持系统的设计和开发［D］.上海：华东师范大学，2006.

［13］魏欣.基于复杂可编程器件的数字化高压电源设计［D］.西安：西安电子科技大学，2010.