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1、目 录引言11.传统的高压电源升压方式21.1 变压器升压原理22系统整体设计52.1高压电源的整体设计53各模块单元设计53.1.功率场效应管的驱动控制53.2功率MOSFET的工作原理73.3单片机的选择73.4单片机时钟电路设计93.5单片机复位电路设计93.6键盘输入模块设计103.7显示模块设计103.8功率整流二极管123.9 过载采样133.10报警指示133.11 A/D 转换133.12 高压发生电路设计143.13 串行接口通信154.数字化小功率高压电源的电路原理图及软硬件设计164.1数字化小功率高压电源整体电路图及各部分接线图164.2 高压逆变硬件设计164.3单片
2、机软件设计185主回路仿真实验185.1仿真软件介绍185.2 数字化小功率高压电源系统仿真196总结217.致谢21参考文献21附录23数字化小功率高压电源设计摘要:高压直流电源在科学和工业生产中有着普遍的应用，光学仪器，医疗设备，质谱分析，静电喷涂，激光器，x射线衍射仪和其他有些分析成像射线类仪器中很重要部件。传统的高压电源很多都采用线性技术，缺点是这种结构形式使电源变换损失功率增多，体积大，重量沉，操作和维修都不方便。由于电源技术的快速发展，人们对于高压电源的智能化和数字化程度、转换的效率和带负载能力提出了更高的要求。设计了一种以单片机技术为基础的智能化小型高压电源。该电源由单片AT89
3、C51机控制，利用黑白电视机中的高压包和一些简单易购的元件来制作高压发生器实现升压输出直流，该电源源具有通用性强、输出可调范围宽、制性能优良等特点。关键词： 高压电源；数字控制；单片机 Digital low-power high-voltage power supply design ABSTRACT High voltage DC power supply in the scientific and industrial production has a broad application, Optical instruments, medical equipment, mass spec
4、trometry, electrostatic spraying, laser, X ray diffraction and some other analysis imaging ray instrument in an important and indispensable component. The traditional high voltage power supply with linear technique, the structure causing the power transform efficiency is low, large volume, heavy wei
5、ght, inconvenient repair operation. With the power of technology development, people on the high-voltage power supply intelligent degree, conversion efficiency and load ability raised taller requirement. Design of a microcontroller based intelligent miniature high voltage power supply. The power sup
6、ply is composed of STC89C51 single chip microcomputer control, Useof FBT and some simple components to make available high voltage generator to achieve step-up DC output.The high voltage power supply with high universality, adjustable output range, high precision, good control performance characteri
7、stics.Key word: High voltage power supply; digital control ;MCU引言小体积高压电源在高能离子能量分析器和小功率X光管供电等方面有重要的应用, 这些应用对高压电源提出特殊要求:(1) 输出电压值高, 一般在+ 30 + 50kV；(2) 高压的稳定性好, 一般要求输出波动的范围是千分之几；(3) 输出高压范围比较宽, 而且能连续可调；(4) 体积小、输入功率较低, 适合野外操作等；根据这四点要求, 文中使用全集成化的电路设计出稳定并且可靠的新型数字化高压电源, 该电源具有功率损耗低、体积小、重量轻、绝缘性能强等特点, 而且输出的高压能
8、连续可调,稳定性好。现在的研究现状是20世纪70年代世界的电源史上出现了一场革命，即20kHz的开关频率融合脉宽调制技术(PWM)在电源市场的应用。到现在为止，电源频率已经能达到数百赫兹，使用先进的准谐振技术几乎能达到兆赫兹水平。以减少结构体积和性能要求高电压变压器，滤波电容器，电抗器，高压电容器等电子元件，使高压电源体积减少。高频电源，高压电源体积轻，便于携带，实用性和易用性，大大减少并有明显改善。世界正在大力开发新的高压高频电源供应，包括电力新理论，新的模块化电路，新型电子设备，以满足电子设备的小型化，高效率和高性能的发展要求，目前，国外高压直流电源已经比较成熟，已生产出小型，高效，智能高
9、压直流电源斯佩尔曼，像Classman高电压电源公司。在20世纪70年代开始，美国有些公司将直流电直接逆变成500Hz的中频方波送给高压发生器，从而减少了尺寸和重量。日本国家开始使用开关电源技术，将电流整流逆变到3kHz范围的中频电流，然后升压。到了20世纪80年代，高压电源技术的的大幅度发展，西门子公司研究了手机镜头大功率的晶体管开关元件，电源开关频率在20kHz以上。而且将干式变压器技术正在实现用于高频高压电源，省去了高压变压器油箱，使变压器的系统体积减小。我国高压开关电源的技术虽然已取得了很大的进步，但跟国外一些技术很是没得比的，尤其是大功率高压开关电源技术仍处研究和开放中。虽然高频高压
10、电源的研发工作已经取得了很多的进展，但是在电压恒定、纹波系数等指标方面仍然与理想中有很大的差别，与国外同类技术水平也有不小的差距，我们仍需要增加科研力度来促进更广泛的高频高压电源的使用，在工业，农业，医疗，环保等领域尤其重要。1.传统的高压电源升压方式 1.1 变压器升压原理从工频交流电源得到交流供电，然后经过高压隔离升压变压器升压后，得到高电压交流电，再通过整流滤波最后输出直流高电压。它有很多接线方式比如半波整流、全波整流、桥式整流、倍压整流、多相整流等。1全波倍压电路 全波倍压电路原理 如图1。图1全波整流电压电路 （a）正半周 （b）负半周(1)正半周时，D1导通，D2截止，电容器C1充
11、电到Vm，其电流路径及电容C1的极性如上图（a）所示。负半周时，D1截止，D2导通，电容器C2充电到Vm，其电流路径及电容C2的极性如上图（b）所示。 (2)由于C1与C2串联，故输出直流电压，V0=Vm。如果没有自电路抽取负载电流的话，电容器C1及C2上的电压是2Vm。如果自电路抽取负载电流的话，电容器C1及C2上的电压是与由全波整流电路馈送的一个电容器上的电压同样的。不同之处是，实效电容为C1及C2的串联电容，这比C1及C2单独的都要小。这种较低的电容值将会使它的滤波作用不及单电容滤波电路的好。优缺点：这类整流电路优点是接线简单，缺点是所用设备、组件的电压较高，体积、重量和占地面积大，一般
12、只能作为试验室内使用。最大缺陷就是带负载能力差，带负载后电压掉得厉害2. N倍压电路半波倍压电路的推广形式，它能产生输入峰值的的三倍或四倍的电压。根据线路接法的发式可看出，如果在接上额外的二极管与电容器将使输出电压变成基本峰值（Vm）的五、六、七、甚至更多倍。（即N倍）原理如图2。图2 N倍压的工作原理(1)负半周时，D1导通，其他二极管皆截止，电容器C1充电到Vm，其电流路径及电容器的极性如图（a）所示。(2)正半周时，D2导通，其他二极管皆截止，电容器C2充电到2Vm，其电流路径及电容器的极性如上图（b）所示。(3)负半周时，D3导通，其他二极管皆截止，电容器C3充电到2Vm，其电流路径及
13、电容器的极性如上图（c）所示。(4)正半周时，D4导通，其他二极管皆截止，电容器C4充电到2Vm，其电流路径及电容器的极性如上图（d）所示。所以从变压器绕线的顶上量起的话，在输出处就可以得到Vm的奇数倍，如果从变压器的绕线的底部量起的话，输出电压就会是峰值电压的Vm偶数倍。优缺点:这种电路能提高直流电压的输出的幅度，是带负载能力越来越差。因此只能用于小电流电路。综上原因可知传统的高压电源存在设备重、体积大、精度低、效率低等这些缺点已经无法适应现代电源技发展的市场。随着开关元件的研发和电力电子技术的发展，开关电源技术已经广泛地应用于高压开关电源技术之中。采用高压电源技术产生比工频高上千倍频率的方
14、波或正弦波可以大幅度减小高压电源的体积和重量，并且提高高压电源的输出电压精度、输出电压功率，实现自动化控制，高压电源发展趋势重要性就在于此。随着这几年电子电力技术的快速发展，如MOSFET，IGBT等新一代电子器件的应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了数字智能化高压电源，与其相比它突出的优点是：储能少、重量轻、效率高、体积小、响应速度快、设计与制造周期短。由于其优越的特点，如今已逐步代替了传统高压的电源。50/60 Hz交流电流首先通过整流后得到相应的直流电，经过高频逆变、高频变压器、整流器输出高压，进行误差信号的进一步处理产生IGBT功率开关管的PWM控制信号并通过负载电压反馈信号与指定电压
15、信号相比较，采用闭环反馈来实现输出电压的精确控制。开关电源技术的数字高压电源具有纹波系数低、重量轻、保护速度快、体积小、稳定性高、控制精度高等优点，因此它必将在高压电源中有着更广泛的应用。基于高频逆变数字化高压电源的工作原理如图3:图3基于高频逆变高压电源示意图2系统整体设计2.1高压电源的整体设计整体设计图如图4，将从高压侧得到的电压输入单片机，经功率管驱动送入高频逆变器。将高压发生电路得到的交流电压进行过载采样和A/D转换后送入单片机并将结果用LCD显示出来。同时串行通信接口与单片机的信息进行持续交换。报警显示 LCD显示过载采样高压发生电路单片机输入串行通信接口驱动控制A/D转换图4高压电源的整体设计图4 高压电源整体设计3各模块单元设计3.1.功率场效应管的驱动控制使用M0SFET功率管比使用双极型晶体管可得到更多的好处。特别当器件用在高频时(一般在100kHz或更高)，M0SFET的突出优点更会显现出来。所以M0SFET工作频率一般都很高，必须采用一些预防措施来设计，把高频时出现的问题，如寄生振荡等应于消除。M0SFETT管在高频工作时，防止振荡，必须注意两点。首先，M0SFET各端点
