高压电源范文第1篇

    高压直流电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用,尤其在军事、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的高压直流电源采用线性电源技术的较多,这种结构形式造成电源整体效率较低,性能一般,体积大,重量沉。随着开关电源技术的进步和发展,各类用途的直流电源都倾向于采用开关电源技术。开关电源以其线性电源无法比拟的特点和优点已经成为电源行业的主流形式。开关电源技术应用于高压直流电源领域,使高压直流电源变得体积小,重量轻,效率高,性能更好。 本次论文研究工作是针对X射线发生装置设计所需高压电源。论文首先介绍了目前高压直流电源领域的发展情况,和X光管工作的基本原理,论证了各种开关电源主电路的拓扑结构,由于单一结构形式的变换器难以满足系统功能和性能指标的要求,提出了一种组合式结构,以半桥式变换器组合降压斩波电路的主电路结构形式,应用MATLAB仿真验证了系统设计的可行性。然后论文针对主电路中各主要元件参数进行了具体计算,对变换器中较为关键的高压变压器进行了具体设计,并指出了变压器制造过程中影响性能指标的关键因素和解决办法。控制电路设计中选用开关电源专用芯片TL494作为主要控制芯片,应用精密运算放大器和隔离反馈元件构成系统的反馈和PI调节控制器,应用控制领域使用最为广泛的51系列单片机构成控制电路中的数字控制部分,结合信号检测技术,组成具有完善控制和保护功能的电源系统。在论文的系统调试部分记录了此次设计的电源的调试步骤和过程,以及每步调试的波形和数据,尤其重要的是发现并记录了TL494的设计缺陷,提出了补救方法。经过多次试验和反复补充修改设计,最终制成了一台具有较高性能指标的高压开关电源样机。

高压电源范文第2篇

干扰产生的原因与分类

在星点高压电源控制系统中，既有模拟信号又有数字信号，数字信号的高电平为5V，低电平为0V，实际的高电平为3.2V以上，低电平为1.4V以下；因此，控制系统所受干扰极易引起数字电路的逻辑状态发生改变，引起系统的逻辑和时序混乱。另外，由于现场电磁干扰严重，影响采集数据的真实性，不利于反馈控制系统工作。针对控制系统的具体情况，其可能的干扰源包括射频干扰、电源干扰以及信号通道产生的干扰。（1）射频干扰[3]。射频干扰指复杂的电磁环境对计算机控制系统及接口电路造成的干扰。实验证明，现场接地开关的动作产生的干扰及负载设备打火都容易引起控制系统的误动作。（2）电源干扰[4]。工频电源电压的大幅度波动或电流冲击有可能通过变压器、整流和稳压电路进入数字电路，经过滤波，各种高频辐射干扰有较大衰减，而一些低频干扰叠加在50Hz电源波形上，难以滤除，形成差模干扰。此外，还存在着由电力电子和各种继电器切换时向电网倒灌的瞬态干扰，如浪涌、快速脉冲群等现象。（3）信号通道干扰[5]。相关信号一般需要经过信号调理转换才能接入控制系统，在信号传输过程中存在干扰因素，包括信号间的串扰、阻抗不匹配引起的反射及从信号输出线间接引入的干扰。若接地不当，地线与接地回路之间也会形成干扰。（a）为现场内的某设备在实验期间的干扰情况，比较可以发现，实验期间的电磁干扰相当严重。（b）为实验期间此套高压电源的一些控制信号和输出电压的测量信号，可以发现，在现场的高压脉冲调制器开通和关断瞬间，对设备的干扰比较严重，圈A和圈B已经表示出来；圈C则是显示当现场的接地开关动作时，对控制信号和电压输出信号造成的干扰，正常的控制信号是在5V范围以内，而当接地开关动作时，控制信号可以达到10V，这也表明接地开关的动作确实对现场设备造成非常大的电磁干扰；圈D则是显示在高压输出波形上叠加的测量干扰信号，这直接影响控制系统的精准度。由此可见，整个高压电源控制测量系统工作在一个非常恶劣的环境下，有必要研究并且解决这些问题。

抗干扰设计

提高高压电源控制测量系统的抗干扰能力可以从硬件和软件两个方面考虑。其中，硬件系统的抗干扰设计是提高系统抗干扰能力的根本，软件抗干扰设计则是主要抑制外来干扰的作用。在这套高压电源控制测量系统中，进行了大量的抗干扰方面的设计。硬件抗干扰措施（1）电源[6]。整套控制系统是由工频电源供电，电网中本身含有浪涌电压噪声，同时由于现场的大功率制冷设备运行时也产生较大的高频尖峰脉冲，为此，需要对电源进行一些处理。首先，整套控制系统采用1∶1的隔离变压器为整套控制系统提供电源，其初级绕组和次级绕组都是分开绕制，各自加以屏蔽，可以减小初次级之间的分布电容；另外，由于控制接口部分抗干能力弱些，抛开开关电源，制作了高性能直流+5V、+12V、-12V的线性电源，为控制系统的电路提供工作电压。（2）滤波和去耦[7]。在接口机箱的电源进线处增加电源滤波器，在电路板的设计上，在冲击电流较大的器件电源端加旁路电容，对信号处理电路入口处、每一个集成块电路增加滤波电容。这些措施都可以降低瞬态电流的影响，并且对高频干扰进行滤波处理。另外，对于抗干扰能力弱、开关电流比较大的器件，在芯片的电源线和地线间直接增加去耦电容。（3）屏蔽和接地。屏蔽隔离是提高控制系统抗干扰能力的有效措施，将控制系统的接口部分用机箱屏蔽、整套控制系统用机柜屏蔽都能有效减少射频干扰的影响。对于高压电缆，采用了屏蔽电缆，抑制它作为噪声源向外部信号产生干扰。而对于信号电缆，为使其在噪声环境中不受噪声的电磁耦合，也采用屏蔽电缆，并且屏蔽体两端接地，减小回路所包围的面积，尽量选择双绞线作为屏蔽信号导线，减小噪声电流。考虑系统接地时，将机箱与机柜的外壳与电缆的屏蔽层直接与大地相连，能起到防漏电及屏蔽的效果。为了减小外部环境通过电源线对控制系统形成干扰，控制电路部分采用浮地方式，即将控制电路的地线与外部地线完全隔离，彻底切断外部干扰通过电源、地线串入数字电路。另外，在接口电路中广泛采用了光电耦合器件，使控制系统与外界通道做到完全的电气隔离。（4）信号通道间的抗干扰。在A/D采集11路信号采用独立的屏蔽电缆，进入A/D采集卡时采用单端输入，可以有效地避免信号通道之间的干扰。另外，由于控制系统与外部联系较多，大多数采用光信号传输，远程的数字信号利用数字光纤，在控制机柜内，专门制作光电/电光信号转换板，将从其他系统送来的光信号转换为电信号，同时，送到其他系统的信号也都转换为光信号后进行传输。对于其他系统送来的模拟量，也都进行V/F和F/V转换后进行传输。这些措施，都可以减小信号间的相互干扰以及避免接收其他系统的干扰信号。软件抗干扰设计软件抗干扰主要是通过程序设计手段，使系统能识别错误操作、错误状态和错误信息，避免由此产生系统程序运行方面的错误。在这套控制系统中，程序主要处理数字量和模拟量，采用C++[8]编写软件，因此，软件设计时重点在这两方面进行处理。（1）数字量的处理。数字量输入接口的噪声处理主要是程序延时和对输入数字量的多次识别，在规定的时间范围内，进行数字量的多次采样，然后按位进行逻辑乘，通过比较结果的判断来鉴别数字量输入信号的真伪，软件流程如图2。（2）模拟量的处理。在整套控制系统中，采集信号的准确度直接关系到控制系统的控制精度，由于高压输出要控制在1%的范围以内，需要根据电压采集信号进行反馈；另外由于高压电源的过压、过流保护相当重要，采集数据的准确度也直接关系到过压保护和过流保护是否准确到位，当系统出现过压、过流等情况时，需要立即做出反应，切断某些控制信号，使相关的控制信号由正值变为负值。基于以上两点，需要对采集到的数据进行处理，既保证数据采集的准确性，又需要保证程序合理有效地对故障进行反应处理。软件滤波的方法比较多，有限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、去最高最低值滤波法、递推平均滤波法、一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法等。在这套高压电源控制程序中，针对采样数据种类的不同，综合采用了递推平均滤波法、限幅滤波法、去最高最低值滤波法以及一阶滞后滤波法等几种数据处理方法。在采集输出高压时，在采样时间允许范围以内，尽量多采集数据，对这些数据进行去最高最低值滤波，。在测量电机电压信号时，由于这个信号是用于在程序中前馈使用，变化不是太大，则采用递推平均滤波法；进行PID控制算法时，采用了一阶滞后滤波法。采用这些数字滤波方法以后，可以尽可能避免采集到干扰点，最大限度地使采集值接近真实值。其他抗干扰设计由于整个高压电源系统复杂，软件抗干扰和硬件抗干扰不可能解决所有问题，此时，可以尝试改变数据采集测量点等方法，在满足数据采集要求的情况下，尽量远离干扰源。例如，在这套电源控制系统中，由于负载远离电源，电源与负载之间是通过高压电缆进行连接，为了采集更为准确的高压输出信号，可以在负载侧直接进行测量，通过模拟光纤将采集值送到电源控制系统，这样也能减少电磁干扰。另外，对于接地开关干扰较大的情况，由于高压电源是脉冲工作方式，则可以采取在保证系统安全的情况下，延迟接地开关的动作时间，避免控制系统在电源工作期间受到干扰。

高压电源范文第3篇

【关键词】等离子体;辉光放电;PCB微切片;高压开关电源

Abstract：A type of high voltage witching power supply of plasma cleaning machine for cleaning of PCB microsection was developed by using the method to produce plasma through glow discharge at low atmospheric pressure.The high voltage switching power supply adopts pulse width TL494 of modulation integrated circuit as the core control circuit of the power supply.The article makes detailed introduction to integrated design and use of high voltage switching power supply by centering on TL494.

Key words：plasma;glow discharge;PCB microsection;high voltage switching power supply

1.引言

等离子体清洗机利用气体作为清洗介质，有效地避免了因液体清洗介质对被清洗物带来的二次污染。等离子清洗机外接一台真空泵，当真空清洗腔中的工作气体在高压电场作用下发生电离时，产生相当数量的高能电子、离子和自由基等活性粒子，这些活性粒子很容易与固体表面分子反应生成产物分子，产物分子解析形成气相;同时使固体表面会受到化学轰击及物理轰击，在真空和瞬时高温状态下，使污染物分子在极短的时间内发生分解、蒸发从而脱离固体表面。同时污染物在各种高能量粒子的冲击下被击碎并被真空泵抽走，其清洗程度可达到分子级。

作为现代电子信息工业的重要元件――印制板[1]（PCB），集成电路（IC）的电气互连及装配离不开它;高新技术产品要靠它连接各类电子元器件和实现电气互连。可以说如果没有PCB今天将没有手提电话、计算机、因特网、GPS、医学上的CT等等。而PCB的质量关系到电子设备稳定性和电子仪器的准确度。如果PCB和电子元件组装后才发现电子产品的质量问题，就会浪费掉大量的材料和人工费用，所以有必要在PCB装上元件前对其质量做出评判，而对PCB产品检测最好靠的是金相剖切检测。为了对PCB的质量进行监控，专门开发了用于PCB质量检查的等离子体清洗机，对PCB微切片进行清洗，使PCB微切片的金相显微组织图像清晰，易于观察。

该等离子体清洗机直接利用空气作为工作气体，主要由真空泵、电阻真空表、真空系统、高压开关电源组成，。

2.真空系统与辉光放电

由图1见真空系统主要由真空腔、放电电极、真空微调阀、放空阀、手动角阀、样品固定座、电阻真空规、真空观察窗等组成。

图1 真空系统结构示意图

（图例说明：1.高压电源接头;2.变径接头;3.基座4真空盲板;5.真空腔;6.放电电极;7.挡板;8.样品固定座;9.真空观察窗;10.真空微调阀;11.三通;12.放空阀;13.卡箍14.数显电阻真空表接头;15.电阻真空规;16.手动角阀;17.真空泵连接软管）

清洗机开启电源后，真空泵启动开始抽取真空。当真空腔内真空度下降到设定真空度时，定时器被触动将高压电源的直流高压输出到电极上。电极间的空气在高压电场作用下发生电离，电离产生的次级电子再被高压电场加速与气体分子碰撞，使更多气体分子电离，正负离子复合过程中会有光子释放，即产生辉光放电。

辉光放电是产生等离子体的一种有效方式，一般在低气压情况下进行。低气压辉光放电的击穿机制是：从阴极发射电子，在放电空间引起电子雪崩，由此产生的正离子再轰击阴极使其发出更多的电子。它是由电子雪崩不断发展而引起的放电[2]。辉光放电须在低气压下才能稳定放电，因此等离子体清洗机在工作时通过手动角阀及真空微调阀的配合将真空清洗腔的真空度控制在12～22Pa之间。由图1见辉光放电主要是在放电电极6和挡板7之间发生，放电电极6为直流高压电源的阴极（即负极），挡板7为另一电极也就是电源的地。PCB微切片安装时将要清洗的表面对着挡板7的通孔，清洗机工作时等离子体穿过挡板7的通孔，到达PCB微切片的表面进行清洗。

3.高压开关电源系统

3.1 设计方案及原理

辉光放电需要比较高的放电电压U（几百～几千V），但电流I（mA量级）比较小;当两电极的直流电压调节到等于气体着火电压时，两电极就会从非自持放电过渡到自持放电，此时放电电流I会继续增大，管压降U下降，进入辉光放电区。由于真空系统在工作过程中真空度会发生微小的变化，其形成的等离子体等效阻抗也是变化的，而且清洗的效果跟高压电场的强度也有关系，所以设计的高压直流电源的直流电压须在一定范围内可调，以适应负载的变化。因为开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点，所以该高压直流电源采用开关电源技术。

清洗机由高压电源通过向电极施加高压直流电场来实现辉光放电。为了实现电压调节及电流的保护，采用电压控制脉宽型芯片TL494来设计高压电源。高压开关电源整体工作原理框图见图2。由图2知电路实现可控高压的关键是执行DC-AC逆变的PWN驱动器TL494。

因为要从阴极发射电子所以高压电源输出电压为负极性。开关电源的主要技术指标：输出电压由0V到2500V可调，最大输出电流为10mA，负载调整率：≤0.5%。为了表述的方便，下面没有特别说明的，输出电压都是指电压绝对值的大小，不跟其负极性一齐表述。

考虑到安装及调试的方便，该开关电源系统采用模块式安装结构主要分为AC-DC模块（24V低压直流）、DC-AC逆变模块、AC-DC模块（高压直流）、DC-DC模块（24V转±5V，电压电流测量用）、电压、电流显示模块。为了减少外界供电的影响及隔离，电源输入端用220V输入，直流24V输出的成品开关电源作为整个电源系统的工作电源。下面分别就DC-AC逆变电路、倍压整流电路、电压电流取样反馈电路、电压电流显示电路、输出过压保护电路、输出高压控制电路作出说明。

图2 电源系统原理框图

3.2 DC-AC逆变电路

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端式、推挽式、半桥式、全桥式开关电源[3]。内部集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置两个误差放大器，可实现输出电压和电流的双重控制。内置5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置的功率晶体管可提供500mA的驱动能力，推或拉两种输出方式。

由TL494组成推挽式DC-AC变换电路如图3所示。高压电源采用推挽式电路实现24V直流低压到交流高压的输出。5、6脚分别用于外接振荡电阻C4和振荡电容R7，用于设定电路的脉冲频率，电路工作频率f=1.1/（R7・C4）≈41kHz;误差放大器的输出端（3脚）接电阻R1、R2，和电容C1组成增益控制和相位校正网络。14脚为5V基准电压输出端，由于采用推挽式输出方式，所以输出控制端13脚接14脚的5V基准电压。1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端，用于输出电压的反馈和设定输出电压。设定的电压通过调节电位器VR1来分压VREF实现，当VR1顺时针旋转即增加设定电压Ug时，TL494的输出脉冲宽度逐渐增大，令输出电压Uo逐渐上升。反之则输出电压下降;4脚为死区时间控制端，其上加0～3V电压时可使脉冲占空比从最大线性变化到零，因此该引脚用于开关电源的开、关机控制;8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极，由于是推挽式输出，8脚、11脚接电源供电端12脚，而9脚、10替输出脉冲信号用以驱动VT1、VT2，继而推动开关管VT3、VT4;R6和C3组成TL494的软启动电路，使PWM比较器输出脉宽缓增大到额定脉宽，避免开机冲击电流损坏开关管。因为VT3、VT4需要具有高频的导通截止特性，为了保护VT3，VT4正常工作，分别并联C5，R12和C6，R13;15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端，用于高压电源的过流保护。

3.3 倍压整流电路

倍压整流电路适用于输出直流高电压、小电流的场所，符合辉光放电的电压电流条件。而且倍压整流电路不仅可以使整机缩小体积、减轻重量，而且还具有输出电压稳定、脉冲幅度低、自动适应负载变化，即具有软的负载特性的优点。由图3可知：设计中采用2倍压整流电路将高频变压器T1输出的交流电压整流成负极性直流高压，电路由2个倍压电容器C7、C8，和2个高压整流二极管D2、D3组成。

3.4 电压电流取样反馈电路

电阻R14和R15组成输出电压反馈取样，为防止前后级电路互相影响用运放IC5作电压跟随器隔离。而高压电源输出电压为负极性，所以反馈电压先经运放IC5隔离再输入运放IC4反相放大。由图3知：放大倍数A=R18/R19=20，反馈电压变为正极性电压后再经电阻R3输入到1IN+（1脚），与1IN-（2脚）的设定电压Ug进行比较，令TL494的PWN输出合适的脉宽的信号去控制输出电压。当电位器VR1调到最大值时，Ug=UREF=5V，则最大输出直流电压UO=UREF（1+R14/R15）/A=5（1+24M/2.4k）/20=2500V。电阻R16跟负载串联作为回路电流的取样电阻，R5和R17将基准电压分压得到52.2k/（110k+2.2k）=0.1V的偏置电压。此电压加到误差放大器II的反相输入端（15脚），其同相输入端（16脚）接地。当电流取样电阻流过大于10mA的电流时，将产生0.1V以下的电压与偏置电压抵消，使误差放大器II的反相输入端（15脚）电压低于0V，误差放大器II会输出高电平将输出关断，从而起到过流保护的作用。

3.5 电压和电流的显示电路

清洗机将来需要和计算机通讯，实现程控，所以选用的模数转换器都带有BCD码输出的。高压开关电源输出电压测量采用4位半的模数转换器ICL7135，而ICL7135满量程为2.0000V。在这里将输出电压通过取样电阻R14和R15的分压来间接测量输出电压，为防止对测量电路的影响用运放IC5作电压跟随器隔离，可测量的最大电压为：Uo=2.0000/（R15/（R15+R14））=2.0000/0.0001=20000V，即满量程为20000V，满足电压测量要求。输出电流的测量则是通过测量回路电流取样电阻R16上的压降来显示电流值。采用3位半的模数转换器MC14433来实现电压的测量，而MC14433满量程为2.000V或200.0mV，这里采用2.000V量程。则当取样电阻R16的电阻值为10时，显示最大电流为：Io=2.000V/10=200.0mA，而高压电源输出最大电流为10mA，满足电流测量要求。ICL7135、MC14433的电路见[4]这里从略。

3.6 输出过压保护电路

输出电压的取样反馈电压经IC5隔离，IC6反相，输入电压比较器IC7的同相端。而IC7的反相端接电位器VR2分压过来的参考电压，由图3知参考电压由TL431基准源产生的2.5V电压获得，只要将IC7的反相端的参考电压设定为0.26V。当IC7的同相端输入电压值大于0.26V，即某种原因令到电源输出电压超过0.26V/（R15/（R15+R14））=2600V时，由于同相端电压大于反相端电压，比较器将翻转，输出低电平变为输出高电平，该电平经R22令光电耦合器IC2得电导通，结果TL494的4脚的死区电平升高达到最大，使TL494输出脉冲关断，导致输出电压归零，从而达到过压保护的目的。设置过压保护的电压为2600V，是为输出电压留出一定的裕量，可根据需要调节VR2设定其他保护电压。

3.7 高压输出控制电路

清洗机开启电源后，真空泵启动开始抽取真空。预先将真空表的真空度设定在22Pa的工作点，即当真空腔内真空度下降到22Pa时，电阻真空表将发出一个指令信号给定时器，定时器接受到信号后将常闭触点Kt打开，光电耦合器IC3失电关断，令到TL494的4脚由高电平变为低电平，TL494恢复输出脉冲，直流高压输出到电极6。使真空腔内空气在高压电场作用下发生电离，由此产生的正离子再轰击阴极使其发出更多的电子，引起电子雪崩即可实现辉光放电。定时器主要对辉光放电的时间进行设定，时间可精确到秒。对不同的清洗对象设置不同的放电时间，一般将放电时间设定在几十秒到几分钟以内。放电时间一到定时器将常闭触点Kt闭合，光电耦合器IC3得电导通，令TL494的4脚由低电平变为高电平，TL494关闭输出脉冲，电源无直流高压输出。

4.高压开关电源的使用及效果

4.1 高压开关电源的使用

将PCB微切片样品放置在样品固定座后，再将真空观察窗盖上。然后打开清洗机的电源，真空泵开始工作，同时电阻真空表显示的真空度逐渐下降。当真空度下降到22Pa时，由高压输出控制电路知，直流高压将输出到放电电极。同时可在电压表上看到实时的输出电压的示值。一般输出电压要在1000V以上才能在两电极间有效起辉。如发现电压在1000V以下时可顺时针旋转电位器VR1，令TL494输出脉宽增大，输出电压增大，输出电流增大。同时观察放电电极6和挡板7间有无辉光产生。当输出电压等于气体着火电压时，两电极的放电空间将发出辉光，形成等离子体对PCB微切片样品进行清洗，具体清洗时间可根据需要自行设定。如果在清洗过程中觉得电流偏小可适当升高输出电压。根据我们的经验，比较合适的输出电压在1500V左右，输出电流在3mA左右。当放电结束后关闭电源，打开放空阀，让真空腔内气压升至一个大气压。再将真空观察窗拿开，取出样品观察即可。高压电源工作时的辉光放电状态如图4所示。

图4 辉光放电

4.2 PCB微切片清洗的效果

需要检验的PCB经取样、灌胶、研磨、抛光、微蚀后，使用该等离子体清洗机做最后的清洗。

PCB微切片清洗后在显微镜下即可观察到清晰的图像。清洗前后PCB微切片的显微图片见图5：

a.清洗前 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; b.清洗后

图5 PCB微切片图片

5.结束语

该等离子体清洗机高压开关电源在清洗PCB微切片时运行稳定、适应负载能力强、稳压精度高、控制性能优良。只要选择合适的工作电压或工作电流和清洗时间，清洗后的PCB微切片显微图象逼真、颜色真实、边界分明、层次清晰，满足了生产中对PCB的质量监控，将电子产品的质量问题控制在萌芽阶段，节省了材料及人工的费用，有效地保证了电子产品的质量。

参考文献

[1]李乙翘，陈长生.印制电路[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]许根慧，姜恩永，盛京等.等离子体技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2006.

[3]马洪涛，沙占友，周芬萍.开关电源的制作与调试[M].北京：中国电力出版社，2010.

高压电源范文第4篇

（中国船舶重工集团公司第七0三研究所，黑龙江哈尔滨150078）

摘要：在此基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺，设计一种高精度低温漂的低压基准电压源。该基准源的供电电源电压为1.8 V，输出电压为1.0 V，电路的总电流小于5 μA。在-40～80 ℃范围内的温度系数为5.7 ppm/℃。当频率在100 kHz以内时，电源抑制比始终保持在-75 dB以下。该基准电压源具有低功耗、低温度系数、高电源抑制的特性，能够很好地应用于低压供电的集成电路设计中。

关键词 ：电压基准源；带隙基准源；温度系数；电源抑制比

中图分类号：TN710-34；O47 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0123-03

收稿日期：2014-12-19

基准电压源在电路系统中提供电压基准，大多数模拟/混合集成电路系统中都需要基准电压源去确定其子系统的工作条件。基准电压源要求电压保持稳定，理想的基准源不随工艺、供电电压以及温度的变化而变化。另一方面，为了提升集成电路系统芯片的良率及稳定性，要求基准源具有很宽的工艺及温度变化冗余度甚至能够补偿工艺与温度的变化所带来的影响。对于降低温度变化对基准源的影响已经有大量的研究[1-5]，补偿温度变化对基准源的影响可以采用片上电阻方法[1]，使晶体管工作在零温度系数（Zero Temperature Coefficient，ZTC）偏置点[2-3]，或者在负温度系数的电源上叠加一个正温度系数的电源[4-6]。CMOS 带隙基准源是能够实现上述要求的最常见解决方案之一[7-10]，但这样的带隙基准源仅能够提供一个固定的1.25 V电压，这极大的限制了随着CMOS 工艺尺寸的减小所带来的低压供电需求与应用。本文采用温度补偿方法，基于SMIC 0.18 μmCMOS 工艺设计了一款低压低功耗的高精度带隙电压基准源。

1 电路分析与设计

电压基准源的基本原理是将两个具有温度系数相反的量以适当的方式叠加，使其产生零温度系数，则该电压基准源与温度变化无关。假设有两个随温度变化向相反方向变化的电压V1和V2，如选取恰当的α1 和α2 使得：

这样就得到了具有零温度系数的电压基准Vref ，Vref = α1V1 + α2V2 。

1.1 具有负温度系数的电压

对于一个双极型晶体管，其集电极电流为：

Ic = Is exp(VBE VT ) （2）

式中：VT = kT q 为绝对温度为T 时的热电压；Is 为饱和电流，Is 可以表为：

Is = bT 4 + m exp(-Eg kT ) （3）

式中：b 为比例系数；Eg 为硅的带隙能量，约为1.12 eV；k 为波尔兹曼常数；m 约为-3/2 。

在VBE 对T 取导数时Ic 也是温度的函数，为了简化分析，假设Ic 保持恒定不变。由式（2）可得：

式（5）给出了在给定温度T 下基极-发射极电压的温度系数，从中可以看出，它与VBE 本身大小有关。当VBE≈ 750 mV ，T=300 K 时，VBE 的温度系数约为-1.5 mV/K。这样由双极晶体管的BE 结电压降就可以获得具有负温度系数的电压。

由上面的分析可以看出，双极晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数，另一方面，热电压VT = kT q ，其对温度的变化为：

由式（6）得知热电压具有正温度系数。因此理论上，双极晶体管的基极-发射极电压与热电压以一定的方式叠加即可得到零温度系数的电压，如采用如图1所示电路结构从而可得到与温度无关的电压基准源。

1.2 正温度系数电压

如图2所示，当两个晶体管（ IS1 = IS2 ）偏置的集电极电流分别为nI0 和I0 并忽略它们的基极电流，则有：

由此可以看出VBE 的差值具有正温度系数特性，并且这个温度系数与温度或集电极电流的特性无关。

1.3 另温度系数电压根据上面得到的具有正负温度系数的电压，将它们进行适当的叠加即可以得到零温度系数的基准电源压源。即Vref = α1VBE + α2(VT ) ln n ，通过选择合适的α1 ，α2和n 值，就可以使得Vref 的温度系数变为零。因此需要一种能将两种电压相加的电路结构，这个相加结构可由图3所示的电路实现。

其中运算放大器电路如图4所示。

该基准源电压由下式给出：

Vref = VBE1 + (1 + R2/R1)·VT ln n （9）

因此输出电压的温度系数如式（9）所示，通过选择合适的电阻值和n 值的大小就可以将Vref 的温度系数变为零：

增加电阻R2是为了减小零温度系数时对应的n 值，而且增加电阻R2还可以消除电阻的温度系数，因为基准电压中存在的是电阻的比值而不是一个电阻的绝对值。

2 仿真分析

图5~图7分别供给出了该基准电压源随供电电压变化的曲线、温度漂移曲线以及共模抑制比特性。

由图可以看出，当供电电压在1.8 V左右时，输出电压已经稳定在1.0 V左右，而温度系数的为5.7 ppm/ oC ，同时，当频率在100 kHz以内时，电源抑制比始终保持在-75 dB以下。该基准源的版图如图8所示。

3 结语

本文基于SMIC 0.18 μm 工艺设计了一种高精度、低压低功耗、低温度系数的电压基准源。由仿真结果可以看出本文设计的带隙基准源的电源抑制比（PSRR）、温度系数、总电流和输出电压和电源电压等各项指标均能满足设计要求。

作者简介：李惊东（1972—），男，浙江人，硕士，高级工程师。研究方向为传动装置测控技术、电子科学与技术。

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高压电源范文第5篇

【关键词】电子脉冲 高压灭菌 脉冲电源

液体食品（饮用水、饮料、啤酒、牛奶）的灭菌是食品工业的重要加工工序，高压脉冲电子灭菌和传统上普遍使用的巴氏灭菌法相比，因其除仍保持有不改变液体成分的优点外，还有设备小、成本低、消费少、易操作、灭菌强度可控、环保等著多优点，是灭菌方法的技术革新主方向。

高压脉冲电子灭菌是在食品处理设备中的传输液体食品的管道中设置高压电极，高压电极上加上高压电脉冲，使流经电极腔的液体内的细菌在瞬态的高压、大功率电击下死亡。

食品工业管道内的液体食品因为种类不同、悬浮物颗粒浓度及体积不同、离子种类及浓度不同而导致其电导不同，对灭菌高压脉冲的功率要求不同；管道内的液体食品需杀灭的细菌不同，对高压灭菌脉冲的电压要求不同；管道内的液体食品的流速及流量不同、对脉宽和脉冲频率要求也不同。这就是脉冲变压器直接升压式的电子灭菌高压脉冲电源不能满足工业灭菌实用要求的原因，新的灭菌高压脉冲电源要有足够的高压功率（瞬态）输出，要有一定宽度的高压可调范围，要有可调的放电脉冲宽度。

1 工作原理

该电子灭菌高压脉冲电源由电源电路部分、高压储能电路部分与高压脉冲放电电路部分及电脑控制部分构成。

1.1 电源电路

电源电路见图1所示。电路由整流电路（Z）、稳压控制器（K）、开关管Q、高频变压器（B）构成。整流电路（Z）先将220V交流整流为310V左右的直流，再经频率是30K的脉宽调控式稳压控制器（K）控制开关管Q，受到调控的电流经高频变压器（B）的初级绕组L，高压由高频变压器（B）的次级高压绕组L1-Ln多路输出，其输出电压的稳定值大小由稳压控制器（K）根据电脑指令控制开关管Q导通角实现。Lp是取样绕组，给稳压控制器（K）提供稳压调控参数。

1.2 高压储能电路

高压储能电路见图2。高压储能电路元件包括高频变压器（B）的次级绕组Ln，高压整流二极管Dn，高压电容Cn（n=1，2…n-1，n）。Ln、Dn、Cn串联成环路，Ln上输出的高压经Dn整流后给电容Cn充电，在2脉冲内充电达到饱和并被高压电容储存。高频变压器（B）的次级绕组有n组等电压输出级，分别给n个高压电容冲电，灭菌的放电电压则是所有高压电容上的电压之和。

1.3 高压脉冲放电电路

高压脉冲放电电路见图2。电路由放电三极管Qn、偏压阻尼二极管Dbn、限流电阻Rn、 放电脉冲耦合变压器（B1）的次级Lin（n=1，2…n-1，n）构成。偏压阻尼二极管Dbn和三极管Qn的发射结反向并联，三极管Qn的基极通过限流电阻Rn和Lin一端相连，Lin另一端接Qn发射极。工作时，放电脉冲形成与控制电路产生的放电脉冲信号经脉冲耦合变压器（B1）初级Li耦合给次级Lin（n=1，2…n-1，n），经Rn、Dbn产生正向偏压使Qn导通，n个导通的三级管使得n个相应的存储着高电压的电容得到叠加级联，叠加后的n倍高压直接释放到灭菌放电电极上实现灭菌的功效。当三极管Qn关断时，Lin中的反向电压被偏压阻尼二极管Dbn所释放。

1.4 控制电路

该电子灭菌高压脉冲电源的电源电路和放电电路均由电脑控制，电脑依据各种传感器获取的参数和操作者输入的参数运算出合适的灭菌脉冲电压峰值和脉冲宽度及脉冲频率。电脑通过稳压控制电路控制灭菌脉冲电压峰值的大小，以确保灭菌脉冲电压大于被灭菌的电压耐压值。电脑通过放电脉冲形成与控制电路控制着灭菌脉冲的宽度和频率，是针对不同灭菌溶液的流量变化和电导变化。

2 结论

本文所设计研究的电子灭菌高压脉冲电源采用了高压电容级联进行能量储存，使用电子开关进行放电控制，极大降低了高压脉冲电源的输出内阻，增加了高压脉冲的瞬态输出功率，是高压脉冲灭菌有效的高压电源，其可调控的输出高压值对不同种类的细菌确保有可靠且稳定的灭菌率，其脉宽脉频的可调性则加强了灭菌设备对不同食品液体和处理量要求不同的适应。

参考文献

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作者简介

陈爱群（1956-），男，汉族，山东省泰安市人，本科，副教授。主要研究方向：电子应用技术研究。