引言

　　壓電陶瓷作為一種微位移器件，在精密工程應(yīng)用領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用前景。壓電陶瓷材料的工作特性很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電源的性能，驅(qū)動(dòng)電源必須輸出穩(wěn)定性好的高幅值電壓，并具有較好的動(dòng)態(tài)性能，可適應(yīng)外界條件的突變。傳統(tǒng)的高壓驅(qū)動(dòng)電源通常以模擬脈寬調(diào)制芯片為核心控制開(kāi)關(guān)電路、整流電路等完成穩(wěn)定電壓輸出。隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器等數(shù)字芯片也逐漸參與到開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，帶來(lái)了可編程性、高集成度、高擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn) 。本文提出了一種基于MC68HC9O8JK3芯片的高壓開(kāi)關(guān)電源，在低壓（9～18 V）輸入下能輸出高精度頻率可調(diào)輸出電壓，可滿足壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的應(yīng)用需求。

　　1 高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

　　高壓電源輸入9～18 V，輸出150 V方波電壓，頻率可控。電路結(jié)構(gòu)采用單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源的方式，原理框圖如圖1所示。主功率回路采用準(zhǔn)諧振反激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制芯片為MC33O60，直流電壓經(jīng)H 橋逆變電路轉(zhuǎn)換后得到150 V方波電壓。負(fù)載電壓和電流采樣信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入單片機(jī)（MCU）控制芯片MC68HC908JK3，單片機(jī)根據(jù)軟件算法完成恒流或恒壓控制，同時(shí)輸出頻率可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)到H橋逆變電路，實(shí)現(xiàn)直流電壓到方波信號(hào)的轉(zhuǎn)換。電路以MCU 芯片為控制核心，不僅能完成高精度精確的受控電壓和電流輸出，還能實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、上位機(jī)通訊等一些重要的輔助功能。

　　圖1 高壓開(kāi)關(guān)電源原理框圖

　　反激式開(kāi)關(guān)變換電路如圖2所示。MC33060是低功耗固定頻率的脈寬調(diào)制（PWM）控制芯片，內(nèi)部集成了振蕩器、誤差放大器、5 V 基準(zhǔn)源等，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)單端電壓模式控制。開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，輸入向變壓器儲(chǔ)能，次級(jí)整流管D1處于關(guān)斷狀態(tài);Q1關(guān)斷時(shí)，整流管D1導(dǎo)通，變壓器儲(chǔ)能輸出到次級(jí)，為C4充電。振蕩電阻R1、振蕩電容C3與內(nèi)部振蕩器一起產(chǎn)生振蕩三角波，振蕩波形與引腳3接收的MCU電壓基準(zhǔn)信號(hào)比較，產(chǎn)生PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管Q1。為了降低開(kāi)關(guān)管和整流管的電壓應(yīng)力，輸出采用了倍壓整流電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)整流管D1、D2和電容C4、C5實(shí)現(xiàn)了二倍壓整流。

　　圖2 反激式開(kāi)關(guān)變換電路

　　盡管反激式主回路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但在高壓輸出下，其電壓尖峰高和紋波噪聲大顯得更突出。為了減少高壓電源的輸出紋波噪聲，電路設(shè)計(jì)引入了準(zhǔn)諧振技術(shù)，使反激變換器工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而降低電磁干擾噪聲（EMI），提高電源轉(zhuǎn)換效率。

　　開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間：

　　式中：Lp為初級(jí)繞組電感量;Ip為初級(jí)峰值電流;Vin為輸入電壓。

　　變壓器復(fù)位時(shí)間：

　　式中 VOR為次級(jí)到初級(jí)的折射電壓。當(dāng)次級(jí)繞組中的能量釋放完畢后，VOR也將消失。Lp、開(kāi)關(guān)管漏極電容Cp和繞組電阻Rp構(gòu)成一個(gè)RLC諧振電路，因此折射電壓隨時(shí)間t的變化關(guān)系為：

　　開(kāi)關(guān)管的漏源電壓為：

　　由此可得到準(zhǔn)諧振反激式變換器的一個(gè)完整工作周期：

　　準(zhǔn)諧振反激式變換器的工作頻率為：

　　MCU控制電路核心采用MC68HC908芯片，其內(nèi)部總線速度8 M ，集成了12路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADc）、4 k Flash存儲(chǔ)器、2通道16位定時(shí)器等模塊，控制電路如圖3所示。電壓電流采樣信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，輸入到單片機(jī)的ADC端口引腳6和引腳8，得到采樣信號(hào)的數(shù)字量值。內(nèi)置的算法程序進(jìn)行計(jì)算處理后，生成電壓基準(zhǔn)值，經(jīng)D/A變換器處理由引腳l9輸出電壓基準(zhǔn)信號(hào)給電源管理芯片MC33060。如果輸入電壓、負(fù)載環(huán)境發(fā)生變化，單片機(jī)根據(jù)采樣信號(hào)的偏差計(jì)算，將實(shí)時(shí)改變電壓基準(zhǔn)值，從而調(diào)整PWM信號(hào)的頻率和脈寬，穩(wěn)定輸出電壓。單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生兩路PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)DR1和DR2，由引腳9、10輸出到H橋逆變電路驅(qū)動(dòng)功率管。

　　圖3 MCU 控制電路

　　H橋逆變電路如圖4所示。DR1和DR2為2路反相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由單片機(jī)的定時(shí)器模塊輸出。DR驅(qū)動(dòng)功率管Q2、Q5導(dǎo)通時(shí)，DR2驅(qū)動(dòng)功率管Q3、Q4關(guān)斷，負(fù)載供電150 V;DR1驅(qū)動(dòng)Q2、Q5關(guān)斷時(shí)，DR2驅(qū)動(dòng)Q3、Q4導(dǎo)通，負(fù)載供電-150 V。因此，輸入直流電壓經(jīng)H 橋電路作用后，在負(fù)載兩端形成方波交流波形，改變定時(shí)器程序設(shè)置的頻率參數(shù)就可調(diào)節(jié)方波電壓的工作頻率。為了減少功率管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的電壓尖峰，4個(gè)開(kāi)關(guān)管都并聯(lián)了濾波電容。

　　出于成本考慮，本文選擇了分立器件的方案構(gòu)建H橋變換器。從提高電路可靠性的角度出發(fā)，還能選用集成的全橋變換器芯片，如SLA2403等。

　　圖4 H橋逆變電路