高功率高稳定直流开关电源设计

发布时间：2020-09-10 08:41

　　近年来微电子机械、微细加工、大电流阴极技术、高频集成等技术逐渐应用于电真空领域,使微波毫米波真空电子器件的工作频率达到太赫兹频段,使太赫兹功率源发展迈开了重要一步。为了使太赫兹真空器件稳定、可靠工作,就需要与之配套的高压电源,其具有大功率输出,宽电压调节范围,低纹波系数等特点,其性能直接影响到电真空器件的输出频点,频谱宽度,输出效率等参数。因此研究大功率、小型化、高稳定性的开关电源对太赫兹信号源的发展具有重要意义。本课题在开关电源理论的基础上,针对340GHz返波管的参数需求,对其高压供电系统进行设计。其高压电源主要包括灯丝模块、辅阴极电压模块、高压加速模块和接口控制电路。其中高压加速模块的高压主电路部分是此高压电源核心部分,本文主要介绍了此主电路控制芯片、功率开关器件及变压器磁芯选择,并给出了变压器参数设计的详细计算过程。高压电源主变换器采用全桥变换器拓扑结构,通过PWM控制芯片和驱动芯片结合,构成斩波电路,完成功率开关器件的交替导通。同时,为有效保护电源模块,在电路中提供了过欠压和过流保护。主电路控制部分采用PWM芯片UCC28086和STM32相结合的方式,实现电压输出的稳定调节。通过电脑控制界面对高压参数进行设置,STM32芯片将读取到的数字控制量通过AD转换电路转换为模拟量并输入到PWM控制芯片中,使电源模块产生高压。同时对输出电压进行采样,将采样后的数据同初始数值进行比较,通过控制UCC28086内部电路,对PWM输出的占空比进行精密调节,从而得到稳定的输出电压。STM32还对电源整体工作状态进行检测,当电源输入过欠压、输出过流时,立即启动保护电路,实现对电源模块的保护。本文设计的返波管高压开关电源输出电压可在-1kV～-6kV范围内稳定可调,输出电流最大值为250mA,电源稳定性在5×10-4以下,纹波大小在200mV以下,达到设计指标,满足太赫兹辐射源的工作要求。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN86
【部分图文】：

框图,基本工作,电源,框图

二开理２．１概述逡逑开关电源是相对于传统工频电源（线性电源）而言的一种新型电源，由于其功逡逑率器件以一定频率交替工作在开和关两种状态，因此被称作开关电源。开关电源一逡逑般采用ＰＷＭ输出芯片产生一定频率的方波用于控制功率管的导通和关断，并通逡逑常具有稳压反馈调节、保护关断等功能。开关电源工作流程图如下图所示，主要由逡逑Ｐ丽驱动电路、功率开关管、变压器、整流滤波、稳压反馈电路等部分组成，其中逡逑变压器、稳压反馈和驱动电路是^u关电源的主要部件。在工作过程中，通过整流滤逡逑波电路将电网电压转换成稳定的直流电压输送至功率开关管两端，在ＰＷＭ驱动逡逑电路作用下，开关管以一定的频率导通和闭合，将直流电压转变成交流方波或近似逡逑正弦波输送至变压器前端。经过变压器升压后产生交流高压，再通过整流电路得到逡逑直流高压，最终传输至负载。为提高输出稳定性，一般在电压输出端添加稳压反馈逡逑电路，对输出电压进行采样，通过与基准值进行比较后调节ＰＷＭ控制信号的占空逡逑比，保持电压稳定［２１］。逡逑

框图,调制电路,框图

（１）脉冲宽度调制：开关电源在工作过程中会产生周期恒定的脉冲方波，方逡逑波的幅值以及占空比决定了输出电压大小。通过改变每个脉冲周期方波的占空比逡逑大小，实现对输出电压的调节，达到预期的电压值，其工作流程如图２．２所示。逡逑电佊卜逦逦１逦ＨＦ逡逑＞逦？脉宽调制器逦动逦＾逡逑——逦—？电逡逑误差放大器逦Ｉ路逡逑￣￣ｉｉｎｎｒ逡逑驱逡逑基准电压逦振荡器——＞邋分频器逦＾电逦？逡逑逦邋邋邋邋邋＂路逡逑图２．邋２邋ＰＷＭ调制电路框图逡逑Ｆｉｇ邋２．２邋Ｂｌｏｃｋ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＰＷＭ邋ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ邋ｃｉｒｃｕｉｔ逡逑基准源：为芯片内部电路进行低压供电，同时作为误差放大器同相端的基准源；逡逑振荡器：决定芯片的工作频率。一般由电容和电阻共同决定频率大小，要求具逡逑有充放电功能；逡逑误差放大器：主要用于采样信号与基准信号的比较，将误差值进行放大输出，逡逑输出信号同时输入到脉冲宽度调制电路对占空比进行调节；逡逑脉宽调制器：用于产生ＰＷＭ信号的器件，同时使误差输出信号的接收端。通逡逑过误差信号控制脉宽调制器输出ＰＷＭ波的占空比，从而改变输出电压。逡逑脉宽调制技术主要是对高压输出进行取样，将取样信号作为比较值和基准信逡逑号进行比较，得到一定的误差电压，同时对误差信号进行放大。将放大后的误差电逡逑压传输到脉冲宽度调制器

框图,降压型,电路结构

【参考文献】