小功率10?kV直流高壓電源設計

陸小飛

摘 要：該文介紹了一種由電池供電的10 kV小功率高壓開關電源。單片機PIC12F1822控制的反激式直流-直流變換器和諧振變換器構成電源的核心部分，諧振電壓經輸出變壓器升壓和高頻整流得到10 kV直流高壓。該電源具有體積小，輸出電壓穩定等特點，還可實現電池欠電壓指示等實用功能。

關鍵詞：高壓電源 反激DC-DC轉換器 電池供電 PIC12F1822

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0061-02

小體積高壓電源在工業領域有著重要的應用，例如：靜電植絨和靜電噴涂工藝中就普遍使用到高壓電源。植絨是絨毛在高壓電場作用下垂直植入布料的過程，高壓電源是整個靜電植絨過程的核心組成部分[1]。在一些特殊情況下，需要采用便攜式的植絨設備。該文介紹了一種由PIC12F1822控制的小功率高壓電源，可以克服這些問題。

1 高壓電源的整體設計

電源主要由反激變換電路、控制電路、諧振電路、輸出整流4個部分組成[2]。高壓輸出端的電阻R1是放電電阻，可防止C2的殘留高電壓對使用者產生電擊傷害。輸入電壓由電池VBAT提供，反激電路由開關管NMOS、高頻變壓器T1、二極管D1、電容C1及諧振變壓器T2的初級構成。通過反激電路將電池電壓VBAT升高到約400 V。控制電路采集反激輸出電壓V1，當檢測到V1的電壓達到400 V時，控制電路停止產生PWM信號，同時輸出高電平觸發可控硅SCR，使得可控硅SCR導通，此時電容C1兩端的電壓為400 V。

SCR導通后，C1通過SCR向T2放電，C1、SCR、D2、T2初級形成LC諧振電路，將電容C1中存儲的能量傳輸到輸出電容C2。諧振電路電流仿真結果如圖1所示[3]。圖1中Is是流經可控硅SCR的電流，Id是流過二極管D2的電流，變壓器T2的初級電流為Ip。

圖中Ip是諧振電流，其諧振頻率如公式1所示。

（1）

其中，L為輸出變壓器T2的初級電感；C為電容C1的電容量。

2 高壓電源控制電路

2.1 主控芯片

高壓電源采用兩節電池供電，輸出電壓可達10 kV。為滿足重量輕、體積小、穩壓性較好等特點，文中采用PIC12F1822作為核心控制器件。PIC12F1822是一款高性能RISC單片機，圖2是PIC12F1822外圍電路圖。電路中由單片機內部的PWM模塊產生PWM信號控制反激電路，將電池電壓轉換成約400 V左右的直流電壓。由內部10 bit ADC采樣V1電壓，當V1達到設定電壓值時，關閉PWM信號，同時產生SCR信號觸發輸出諧振電路。開關SW用來控制高壓轉換的啟停，開關按下單片機才輸出控制信號進行升壓。

2.2 電池欠壓指示

通過電阻分壓檢測電池電壓，通過內部ADC模塊讀取當前電池電壓值。當采樣電壓低于設定值，軟件控制LED開始閃爍，電壓越低，閃爍的頻率加快直至常亮。

3 組裝測試

變壓器采用透明環氧樹脂罐封，電路板的高壓部分采用浸蠟處理。在結構組裝上，對高壓部分做好屏蔽、絕緣等措施，防止高壓打火放電現象。測試采用Zentech 900B-HV高壓表，該高壓表輸入阻抗為30 GΩ，對電源的負載影響小。實測結果表明電源可正常輸出10 kV直流電壓，通過對長度3 mm的尼龍絨毛進行驗證，該電源植絨效果良好。

4 結語

設計的電池供電10 kV高壓電源經過實際測試，能滿足小規模的植絨要求。具備體積小重量輕、使用方便、電池低壓檢測等特點。經過實際使用，電源運行可靠，可作為便攜植絨電源使用，功能實用，具備一定的應用推廣價值。

參考文獻

[1] 季濤，王漢成，高強.靜電技術在紡織生產中的應用[J].紡織科學研究，2002（4）：38-42.

[2] （美）普利斯曼.開關電源設計[M].3版.北京：電子工業出版社，2010.

[3] LTspice IV Getting Started Guide[EB/OL].http：//www.linear.com.