基于单片机的高压驱动电源设计
引言
压电陶瓷作为一种微位移器件，在精密工程应用领域里有着广泛的应用前景。压电陶瓷材料的工作特性很大程度上取决于驱动电源的性能，驱动电源必须输出稳定性好的高幅值电压，并具有较好的动态性能，可适应外界条件的突变。传统的高压驱动电源通常以模拟脉宽调制芯片为核心控制开关电路、整流电路等完成稳定电压输出。随着数字控制技术的发展，单片机、数字信号处理器等数字芯片也逐渐参与到开关电源的设计，带来了可编程性、高集成度、高扩展性等优点 。本文提出了一种基于mc68hc9o8jk3芯片的高压开关电源，在低压（9～18 v）输入下能输出高精度频率可调输出电压，可满足压电陶瓷驱动电源的应用需求。
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
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压电陶瓷作为一种微位移器件，在精密工程应用领域里有着广泛的应用前景。压电陶瓷材料的工作特性很大程度上取决于驱动电源的性能，驱动电源必须输出稳定性好的高幅值电压，并具有较好的动态性能，可适应外界条件的突变。传统的高压驱动电源通常以模拟脉宽调制芯片为核心控制开关电路、整流电路等完成稳定电压输出。随着数字控制技术的发展，单片机、数字信号处理器等数字芯片也逐渐参与到开关电源的设计，带来了可编程性、高集成度、高扩展性等优点 。本文提出了一种基于mc68hc9o8jk3芯片的高压开关电源，在低压（9～18 v）输入下能输出高精度频率可调输出电压，可满足压电陶瓷驱动电源的应用需求。
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。
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图4 h桥逆变电路
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