直流稳压电源的设计
直流稳压电源的设计范文第1篇
关键词：变压；整流滤波；稳压；
中图分类号：S611 文献标识码： A
1、引言
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。传统的直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多, 但均存在以下问题: 当输出电压需要精确输出, 或需要在一个小范围内改变时(如1. 05～ 1. 07V ) ,困难就较大。二是稳压方式均是采用串联型稳压电路, 对过载进行限流或截流型保护, 电路构成复杂,稳压精度也不高。
传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小. 因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损.而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。
从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。
在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由220V 的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。
2、方案论证与比较：
方案一: 采用单级开关电源，由220V交流整流后，经开关电源稳压输出。但此方案所产生的直流电压纹波大，在其后的几级电路中很难加以抑制，很有可能造成设计的失败与技术参数的超标。
方案二：并联式稳压电源，电路简便易行，所用元器件相对较少，当负载电流恒定时稳定性相对较好，其突出优点就是可承受输出短路。但是效率低于串联式稳压电源，输出电压调节范围较小，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因而不能采用。
方案三：串联式稳压电源，利用可调的三端式集成稳压器先提供稳压电压和小电流，再通过三极管扩流的方式使之提供大功率。由于集成稳压器通常内部已有各种保护电路，辅助电路就可以简化。其次想采用经典的分立式元件形式，因为在理论课及实验室中看到的大多是这种电源，并且具体电路形式很丰富，可借鉴的结构也较多。
比较以上几种方案，决定采用方案三，即经典的串联式稳压电源，稳扎稳打，力争做好。
3、硬件电路的组成与设计
直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。
我国电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。
3.1电源变压器
电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的交流电压。
本设计方案所需要用到的降压变压器是将电网交流电压220V变换成复合需要的交流电压，此交流电压经过整流后可获得后级电路所需要的直流电压12V。
由于所需的直流电压比起电网的交流电压在数值上相差较大，考虑到稳压部分中的集成稳压器须在输入电压≥10V 时才能使输出电压为0.7V～9V。所以，降压后的电压设为10V～12V，才能达到要求输出的电压为0V～10V，即该部分电路采用变压器把220V交流市电变为约10V 的低压交流电，作为电源的输入电压。变压器原辅线圈的匝数比为：
N1/N2 = U1/U2 = 220V/10V≈22/1
电路中的保险丝可起到保护电源的作用，当电流大于0.5A 时，保险丝熔断，从而防止电源烧坏。电源变压器的效率为：
其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表1所示，因此，当算出了副边功率后，就可以根据下表算出原边功率。
表1小型变压器的效率
3.2整流滤波电路
整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
如图所示，在本设计中采用四个二极管组成桥式整流电路，利用单相桥式整流电路把方向和大小都大小都变化的50Hz的交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。其优点是电压较高,纹波电压较小,整流二极管所承受的最大反向交流电流流过,变压器的利用率高。滤波电路：利用储能元件-电容C两端的电压不能突变的性质,采用RC滤波电路将整流电路输出的脉动成分大部分滤除,得到比较平滑的直流电。
图2桥式整流桥电路
直流电压与交流电压的有效值间的关系为：
在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：
流过每只二极管的平均电流为：
其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：
其中：T = ms是50Hz交流电压的周20期。
3.3稳压电源电路
三端稳压器各项性能指标的测试
输入电压u2受负载和温度发生变化到影响而发生波动时，滤波电路输出的直流电压VI会随着变化。因此，为了维持输出电压VI稳定不变，需要对电压进行稳压。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的电压输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。
三端稳压器的引脚及其应用电路见附录图3。
7806为三端式集成稳压器，这种集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。W78系列三端稳压器输出正极性电压，一般有：5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V，输出电流最大可达1.5A（加散热片）。若要求输出负电压，可选用W79系列稳压器。图3是7806的外型和三个引出端，其中：
1―输入端（不稳定直流电压输入端）；
2―输出端（稳定直流电压输出端）；
3―公共端；
图3三端式集成稳压器
它的主要参数有：输出直流电压Uo=6±5%；最大输入电压Uimax=35V； 电压最大调整率Su=50mV；静态工作电流Io=6mA； 最大输出电流Iomax=1.5A；输出电压温漂ST=0.6mV/oC。
3.4稳压系数的测量(调节输出电压为5V时)
按图所示连接电路， 在u1=220V时，测出稳压电源的输出电压Vo，应改变电源电压上升和下降10%，分别测量稳压电源的输出电压VO，RL=100Ω。在实验室调节交流不太方便时,可采用变压器的次级变换的方法,如①②脚电压为18V,测量一次,记下VO1.再更换到③①脚测量一次VO2, 将测量的结果填入表5中。则稳压系数为：
SV=(ΔVO/VO)/(Δu1/u1)
表2
3.5输出内阻的测量(调节输出电压为5V时)
按图4所示连接电路，保持稳压电源的输入电压不变 ，在不接负载RL时测出开路电压Vo1，此时Io1=0，然后接上负载RL，测出输出电压Vo2和输出电流Io2，测量结果填入表3中。则输出电阻为：
RO=-(VO1-VO2)/(IO1-IO2)=(VO1-VO2)/IO2
表3
3.6纹波电压的测量(调节输出电压为6V时)
用示波器观察Vo的纹波峰峰值，（此时Y通道输入信号采用交流耦合AC），测量Vop-p的值（约几mV）。
4、直流电源系统原理图
直流稳压电源的设计范文第2篇
关键词：无级；可调直流电压源；晶振测试
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）05-0235-02
The Design of Stepless DC Regulated Power Supply with Crystal Test
ZHENG Qi ， SHANG Dong-mei ， BAI Yun ， AN Jing-yu ， HAN Juan
（Xi'an University of Science and Technology，Engineering Training Center， Xi'an 710000， China）
Abstract： As an important part in quality-oriented education of undergraduate education practice， our school is a compulsory training course in science and engineering， electrical and electronic design in this course， with no exception of adjustable regulated power supply is used， as well as the crystal vibration tester. In order to meet the urgent needs of the electrical and electronic training courses in our school， has been developed with the test crystals stepless adjustable dc regulated power supply. This paper mainly introduces the stepless adjustable with the test crystals is main part of dc regulated power supply， working principle and application.
Key words： stepless. adjustable dc voltage source； crystal vibration test
作为理工科类大学生锻炼动手能力的最基础的电工电子实训课程-电工电子设计实训课程是我校面向理工类本科生的必选基础实训课程，覆盖面大、学生多、工作量大。提供给学生选择及要求学生选做的多个实训套件需要的电源不同。为了能够提供实训中不同套件的电源，需要具有可调直流电源。本文所述电源分为无级可调直流稳压电源及测试晶振两个模块。基于该实训课程需要的所购的可调直流稳压电源成本较高，数量有限，故研制该仪器以解决现存问题。该带测试晶振的无级可调直流稳压电源比专门的仪器相比，体积小巧，价格低廉、使用方便。晶振测试可用于51单片机12MHZ晶振的测试，市面上测试晶振的仪器比较少、且价格较高，51单片机的晶振经测试后再焊，可避免焊上坏的导致不易拆除、更换。
1 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的主要性能
可调直流稳压电源能够任意输出1.3-36V以内的直流电压，误差达到10%左右；实训所用晶振的测试误判率5%左右。
2 电原理图、方案及设计
2.1 无级可调直流稳压电源模块
电路主要应用了LM317。LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。其输出电压范围是1.2V-37V，最大负载电流为1.5A。使用时只需外接两个电阻即可设置输出电压。它的线性调整率和负载调整率比标准的稳压器好。LM317过载保护、输出短路保护、安全区保护等多种保护电路。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高得多的纹波抑制比。典型线性调整率0.01%，典型负载调整率0.1%。80dB纹波抑制比。输出短路保护，过流、过热保护，安全区保护。标准三端晶体管封装。
Vout≈1.25V*（1+R3/R2）
用LM317制作可调稳压电源，常因电位器接触不良使输出电压升高而烧毁负载。如果增加一只三极管（如下图所示），在正常情况下，T1的基极电位为0，T1截止，对电路无影响；而当W1接触不良时，T1的基极电位上升，当升至0.7V时，T1导通，将LM317T的调整端电压降低，输出电压也降低，从而对负载起到保护作用。
2.2 晶振测试模块
主要通过三极管和周边元件构成电路满足“巴克豪森准则”（即公式a），（环路增益不能太大，否则也不起振，）形成震荡，使晶振起振，如果不起振，那么晶振就是坏的，从而鉴别晶振的好坏。
|H（jω0）|R1
2.3 仪器设备硬件设计电原理图
2.3.1晶振测试模块电路原理图如图1所示。 印制板为PCB板1。
2.3.2可调直流电压源模块电原理图如图2所示。印制板为PCB板2。
3 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的应用及使用
3.1 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的应用
该设备可作为需要直流电压源套件的电源：收音机电源、门铃电源、报警器电源、功放电源、收音机电源、51单片机电源，另外晶振测试模块可用于51单片机晶振测试。
3.2 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的使用
输出端正极（红鳄鱼夹）接电路正极，输出端负极（黑鳄鱼夹）接电路负极。将220V的电源线插头插在市电插座上。打开开关1，直流电压源指示灯（红）亮，调节旋钮，输出电压变化，其值显示在电压表头上；另外，打开开关K2，测试晶振，晶振电源指示灯（红）亮，如果晶振是好的，晶振质量绿指示灯亮，否则绿指示灯不亮。
3.3 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的调试
调试过程：测试晶振的电源指示灯串联的限流电阻阻值1.8K，原先过于偏低，发光二极管发烫，经过多次试验最终选定合适值为5.1K；无级可调直流电压源原先设计的可调电位器（用于调节输出电压）为4.7K，电压输出偏低，经过调试，最终确定为6.8K，电压输出符合要求；LM317选用铁壳封装，否则温度过高容易高温损坏。
参考文献：
[1] 姜爱婷，杨毅，杨静. 高频开关直流屏的设计[J]. 山东工业技术，2013（12）：41-38.
直流稳压电源的设计范文第3篇
【关键词】电子 线路实验 分析
一、电源的应用背景
电源可分为交流电源和直流电源，它是任何电子设备都不可缺少的组成部分。交流电源一般为220V、50HZ电源，但许多家用电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电电源，如收音机、电视机、带微控制处理的家电设备等都离不开这种电源。直流电源又分为两种：一类是能直接供给直流电流或直流电压，如电池、蓄电池、太阳能电池、硅光电池、生物电池等；另一类是将交流电变换成所需的稳定的直流电流或电压，这类变换电路统称为直流稳压电路。现在所使用的大多数电子设备中，几乎都必须用到直流稳压电源来使其正常工作。220V、50HZ的单向交流电源变压器降压后，再经过整流滤波可获得低电压小功率直流电源。然而，由于电网电压可以有+10%变化。为此必须将整流滤波后的直流电压由稳压电路稳定后再提供给负载，使负载上直流电源电压受上述因素的影响程度达到最小。直流电源电压系统一般有四部分组成，他们分别是电源变压器、整流电路，滤波电路、稳压电路。
二、总体设计
（一）设计的目的和任务
1、设计目的
（1）了解整流、电容滤波电路的工作原理；（2）掌握集晶体管稳压电源设计方法；（3）掌握仿真软件EWB使用方法；（4）掌握稳压电源参数测试方法。
2、设计任务
（1）稳压电源的主要技术指标：① 电网供给的交流电压为220V，50Hz；② 输出电压为6～12V；③ 输出电阻《0.4Ω；④ 最大允许输出电流2A； ⑤ 稳压系数S《8*10-?；⑥ 输出纹波电压《10mv（当Io=2A）；⑦ 具有限流保护功能，输出短路电流
（2）设计要求：① 根据设计要求确定直流稳压电源的设计方案，计算和选取元件参数。② 完成各单元电路和总体电路的设计，并用计算机绘制电路图。③ 完成电路的安装、调试、使作品能达到预期的技术指标。④ 给出测试各项技术指标的方法，撰写测试报告。
（二）设计原理
1.设计原理
电子线路在多数情况下需要用直流电源供电，而电力部门所提供的电源为220V、50HZ交流电，故应首先经过变压，整流，然后在经过滤波，和稳压，才能够获得稳定的直流电稳压电路稳定后再提供给负载，框图如下：
2.串联型晶体管稳压电路
晶体管串联稳压电源的组成，220V交流市电经过变压，整流，滤波后得到的是脉动直流电压Vi，他随市电的变化或直流负载的变化而变化，所以，Vi是不稳定的直流电压，为此，必须增加稳压电路。稳压电路取样电路，比较电路，基准并电压，和调整元件等部分组成
（三）总体设计方案
1.变压环节
通电为电压220V，频率为50Hz，为了保证后面可调范围为6～12V，选择初次级线圈匝数比为2000：141的pq4-10
2.整流、滤波环节
实验选择4个IN4002的二极管作为整流电路
因为市电频率是50Hz为低频电路，选择RC滤波电路。本实验选择的电容为1200μF
3.稳压环节
（1）调整元件。作为一个理想的电源，其内阻应该尽量小才能保证具有稳压的效果，根据晶体管放大器的知识可知：共集电极电路的输出阻抗最小。所以选择共集电极电路来实现，且尽量选择β值较大的晶体管，但是后来会发现并不是如此。由于电流和功耗等的影响，所以最好采用复合管来实现该要求，且有一个大功率管就可，本实验该电路选择的晶体管型号为2N3414（早期电压为51V，测试前高电流拐点为4.6A，功率很大），其它两管为小功率管MRF9011
（2）取样电路。这部分由两个电阻和电位器来实现，通过调整电位器的使输出电压的可调范围从6V到12V。
4.参数计算
输出电压 V0=5.982～12.15V
最大输出电流2A
R0计算：Ro=ΔVo/ΔIo*Vo
RL=50 Vo=7.177V，Io=143.5mA
RL=100 Vo=7.181V，Io=71.82mA
R0=0.35
稳压系数：s=0.038
Ro=ΔVo/ΔIo*Vi/V0
当vi=23.16v时候，v0=7.176
当vi=20.86v时候，v0=7.146
通过计算可得S=0.038
符合要求
纹波电压20.1mv
输出电流=3.016A
三、结束语
通过这次课程设计，我对于模电知识有了更深的了解，尤其是对串联直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。在电路的仿真过程中也提升了我的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了对模拟电路设计方面的兴趣，理论与实践得到了很好的结合，加深自己对实用价值和理论的统一的了解，但对于理论和实际应用的统一和对于器件在实际中的使用还有很大的不足，不能在使用器件时选择合适的参数的器件，不能根据器件的编号知道器件的基本功能。在这方面需要很大的提高。
直流稳压电源的设计范文第4篇
【关键词】流稳压电源；漏电保护；LT1529；分级稳压
1.引言
随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。直流稳压电路是后级的功能电路正常稳定工作的前提，一种宽输入电压范围、可调输出电压、低的电压调整率和负载调整率，安全可靠的直流稳压电源的设计至关重要。本文设计了一种较低的电压调整率和负载调整率，较大的输入电压范围，输出电压可调，自带漏电保护装置的直流稳压电源，具有广泛的实用价值。
2.总体设计方案
为了达到较低的电压调整率和负载调整率，本设计中前端稳压电路采用LT1529可调输出电压稳压芯片为主稳压芯片，该芯片额定输出电流最高可达3A，可接受最低输入电压5.5V，性能出色，在输入电压大于15V时，自动切换为两级稳压结构，避免LT1529输入电压过高。本设计使用AD623差分仪表运算放大器对采样电阻上的压降进行放大，使用MSP430F149最小系统板来实现电压采集、功率计算，并使用1602显示功率和电流。后级的漏电保护电路采用AD623差分仪表运算放大器对两个采样电阻上的电压进行差分放大实现漏电检测，使用LM311电压比较器控制继电器自锁电路控制输出电路通断。电路由纯模拟元件构成，具有精度高功耗低的特点。
3.前端稳压电路设计
3.1 前端稳压电路设计
LT1529可调输出为3.3V～14V，额定输出电流最高达3A，但输入电压最大仅为+15V。为了同时满足高压稳压和低压稳压，采用分级稳压的方案，分级切换控制电路采用迟滞比较器连接电磁继电器控制稳压，输入低于14.5V时，直接使用LT1529稳压，高于14.5V时先用LM317稳压，再经过LT1529稳压输出。本文采用LM317做一级稳压，额定输出为1.5A。前端稳压模块分级切换功能使用比较器LM311实现。
3.2 功率测量与显示电路
使用差分运放放大采样电阻两端电压，经AD采样、单片机计算可以实现测量与显示功率，差放抗干扰，能准确的放大采样信号，因此可令采样电阻阻值较小，不至于影响输出电压。由于电源为正向单电源，不能使用一般的双电源差分运放，采用AD623，电路简单，性能稳定。使用单片机驱动1602进行功率值的显示。
前端可调稳压电路实际设计如图1所示。分5个模块，一级稳压电路、级联切换电路、主稳压电路、独立稳压供电电路和功率测量电路。其中，独立稳压电路供给级联切换电路，使其在切换前后都能稳定工作。
4.后端漏电保护电路设计
4.1 漏电检测分析
漏电保护常用的检测方法为采样电阻采样测电流差异，漏电要精准测量出30mA量级的电流，这要求检测电路精准、抗噪。本文使用采样电阻和差分运放对漏电流差值进行计算。上下两端使用相同的采样电阻，对采样差值进行差分放大，即可精准检测到漏电流。之后做比较，继电器控制线路通断。
4.2 关断保护电路分析设计
关电保护电路采用自锁电路，控制继电器切断通路，如图2中的关断保护电路：Vctl为前级比较器输出的控制电压，当漏电达到阈值时，Vctl为高电平，控制C9013三极管的集射极导通，使C9012导通，继电器动作使线路关断。此时反馈电阻Rb12将C9013基极拉高，保持C9013通路，实现自锁功能。自锁的解除需要断电，所以关断电源后，可以解除自锁。
综上所述，后端漏电保护电路实际设计电路图如图2所示。
后级的漏电保护电路分为三个模块，由AD623差分仪表运算放大器和两组精密采样电阻组成的漏电差分检测电路，由LM311电压比较器组成的漏电流阈值判定电路，和阈值判定电路控制的继电器自锁电路组成的关电保护电路。电路由纯模拟元件构成，具有精度高功耗低的特点。
5.系统调试和测试分析
5.1 测试方法
（1）RL阻值固定为5Ω。当直流输入电压在7～25V变化时，测量输出端电压变化；连接方式不变，RL阻值固定为5Ω。当直流输入电压在5.5～7V变化时，测量输出电压；
（2）转换开关接输出，输入电压固定在7V，调节负载电阻阻值，测量输出电压。连接方式不变，直流输入电压固定在7V，分别联结5欧姆和500欧姆电阻，测量输出电压。
（3）直流输入电压固定在20V，联结500欧姆电阻，调节前端控制输出电压的电阻，测量输出电压。
（4）设置前端输出5V，将后级漏电保护电路接上，输出接20Ω负载，测量输出电压。将200欧姆滑动变阻器和电流表接入电路，调节电阻从26mA漏电流增大测关断电流。
5.2 测试结果
6.结论
本文所设计直流稳压源及漏电保护装置达到较高性能，所有指标均达到较高标准，实现了较低的电压调整率（S?U≤1%）和负载调整率（SL≤1%），较大的输入电压范围（5.5V～25V），可调输出电压（3.3V～14V），额定功率可达到1A，漏电保护功能灵敏（动作电流误差的绝对值
参考文献
[1]刘京南编著.电子电路基础[M].（第2版）电子工业出版社（第2版），2003.
[2]周加超.直流稳压电源的演变过程[J].科技情报开发与经济，2005（3）.
[3]程杰宝.实用高效率直流稳压电源[J].实用电子制作，2003.
直流稳压电源的设计范文第5篇
关键词：电子束曝光机； 高压电源； 制版精度； 复合补偿
中图分类号：TN710-34； TM46 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0014-04
A Precision High-voltage Power Supply with Compound Regulation Mode
CHEN Zhen-sheng1, LIU Bo-qiang2, YIN Shu-xia1, QI Shuang1
(1. Shandong Kaiwen College of Science & Techlology, Jinan 250200, China;
2. Shangdong University, Jinan 250061, China)
Abstract： In order to ensure the high static accuracy and the high dynamic stability of high-voltage power supply used for elctron beam exposure apparatus, two schemes of compound regulation (in combination with direct regulation and indirect regulation) and compound compensation (in combination with centralized compensation and dispersed compensation) are adopted in the high-voltage powe supply. Some reasonable circuit design items and effective processing measures are used to guarantee the achievement of high stabiliy and the low ripple voltage. The testing of the performace indexes and the practical usage show that the power supply can satisfy the high precision requivements of the electron beam exposure apparatus. All of its performance indexes can reach or exceed the original design reqirements.
Keywords： elctron beam exposure apparatus; high-voltage power supply; plate making accuracy; compound compensation
由于电子束曝光机的高压电源波动对曝光机的束流大小、束斑直径及扫描尺寸都有直接影响，因而提高高压电源的稳定性和可靠性，降低高压电源的纹波，是保证电子束曝光图形高精度的必要措施［1］。为了满足新型电子束曝光机对高压电源高精度的要求，在电源系统的设计中，采用了直接调整和间接调整相结合的系统调整方案，还采用了集中补偿和分散补偿相结合的系统补偿方式，对关键技术采取了针对性的有效措施，研制出了输出电压高达30 kV的精密高压稳压电源。
1 主要设计特点
30 kV精密高压电源原理框图如1所示。主要设计特点体现在以下几个方面。
1.1 采用交流预稳与直流预稳
如图1所示，220 V工频电压经稳压变压器交流预稳压后再给高压电源系统各单元电路进行交流供电。稳压变压器的电压调整率小于等于1%，负载稳定度小于等于2%，它对甚低频、音频和高频干扰都有比较强的抑制作用。稳压变压器还有过载保护特性，当输出电流达到保护值时，输出电压急聚下降。稳压变压器的采用，对电源系统的稳定性、抗干扰性和可靠性起到重要的保证作用。
图1 30 kV精密高压电源原理框图本电源系统有5个前级稳压电源，分别为各相应单元电路提供直流电源。这些稳压电源必须有足够高的稳定性，才能保证高压输出高技术指标要求。其中，基准电压源和前置放大器K1的工作电源性能指标要求最高，电压调整率小于等于2×10-4,负载调整小于等于5×10-4,纹波电压有效值小于等于1 mV,温度系数小于等于5×10－5 ℃-1。
1.2 采用复合调整方案
复合调整方案指直接调整和间接调整相结合的电源系统调整方案。直接调整是在高压回路内进行的直接调整方式。它的调整闭合环路由图1中的取样分压器、比较放大器（K1，K2，K3）、补偿网络Ⅰ、倍压整流滤波器和调整管组成。直接调整具有调整速度快，动态稳定性好的优点，可在高环路增益和具有交流负反馈的情况下不自激，从而有利于实现高静态精度的要求［2］。间接调整是调整器件设置在低压侧的调整方式，调整闭合环路由取样分压器、比较放大器、补偿网络Ⅱ、跟随器、5 kHz振荡器和倍压整流滤波电路等组成。间接调整通过调整5 kHz正弦振荡器的输出幅度，进而使倍压整流滤波器的输出电压得到前级预稳，使直接调整环路中调整管有一个尽可能低的管压降设计值。这样既能改善系统性能，又能延长调整管的使用寿命。间接调整环路是一个大闭环系统，为防止自激，保证系统的稳定性，间接调整环路增益应适当低。
1.3 采用复合补偿电路方案
复合补偿是指集中补偿和分散补偿相结合的电路结构，其目的是为了解决因直接调整环路的高增益设计而带来的动态稳定问题。集中补偿是通过将放大器K2设计为PID放大器而实现的，电路见图2所示。为了减小各参数之间的影响，使C2C1,R1R2,PID放大器的传输函数为［3］：G1(s)≈(T1s+1)(T2s+1)T0s
(1)式中:T1，T2为微分时间常数， T1＝C1R1 ，T2＝C2R2；T0为积分时间常数，T0＝C1R0。
图2 PID放大器原理图分散补偿是指在比较放大器的输出端（K2的输出端）分别对两调整环路设置两个电路结构相同，但参数不同的补偿网络，其电路如图3所示。网络的传输函数为:G2 (s)≈T1′s + 1T2′s + 1
(2)式中:T1′为微分时间常数，T1′＝R2C ；T2′为积分时间常数，T2′＝（R1+R2）C。
1.4 逆变器选用5 kHz正弦振荡器
通常，高压电源均采用高效率的饱和式逆变器，但它不适合高精度高压稳压电源，原因是输出波形中有大的尖峰脉冲，会使高压输出呈现出很大的纹波电压［4］ 。为此，采用5 kHz正弦振荡器，将700 V直流电压变换为振幅高达320 V的5 kHz正弦电压。正弦电压再经升压变压器升压、倍压整流滤波器后，可获得33 kV的高电压。由于正弦振荡器输出不存在尖峰脉冲，这就有效地降低了高压输出中的纹波电压。
图3 分散补偿网络结构1.5 采用交流平衡器
为了抑制高压电源输出工频纹波，采用了交流平衡器，它可输出幅度和相位均可调的工频电压。该电压经比较放大器放大后，传递到电源输出端，可有效地抑制抵消输出端的工频纹流电压。
1.6 采用双通道放大器作为比较放大器
直流通道由K1，K2构成，交流通道由K3，K2构成。采用双通道放大器可兼顾直流增益和交流增益的不同要求，使电源系统既有高的静态精度和好的动态稳定性，又能有效地降低输出纹波电压。
2 提高稳定度的措施
稳压电源的精密度和稳定性主要取决于基准电压的精度、比较放大器的增益高低及其稳定性、取样分压比的稳定性［5］。为此，采取了以下针对性措施。
2.1 比较放大器的增益核定
由于电源系统采取前级交流预稳和直流预稳，并且比较放大器前置级和基准电压源都置于电磁屏蔽恒温槽内，再加上采样电阻采用绝缘油冷脚，因此输出电压受输入工频电压和温度的影响可以忽略。这样放大器的增益仅由电源的负载效应核算即可。根据直接调整环路Ⅰ，可得图4所示的信号流图。
图4 调整环路Ⅰ信号流图图中：Rd为调整管内阻；Ri为整流滤波器内阻；ΔUo为输出电压变化量；μ为调整管放大系数；n为取样分压比；K为比较放大器增益绝对值；P为补偿网络的衰减系数；ΔUg为调整管栅阴电压变化量；ΔIh为负载电流变化量；ΔId为整流电路输出电流变化量；图4中，μKnPμ1，RiRd。由图4可推出：K≈Ri|ΔIh|μnPUo|ΔUo|/Uo
(3) 设计要求在|ΔIh|=100 μA时， |ΔUoUo|≤2×10－5,K应满足下式：K≥Ri|ΔIh|2×10－5μnP|Uo|
(4) 由式（4）计算出输出电压为20 kV的K值应满足K≥3×105。为留有余量，K的设计值为6×105。
2.2 比较放大器前置级设计
对多级直流放大器来说，零点漂移、噪声系数、增益稳定性等重要技术指标主要由前置级决定，并且前置级增益越高，其决定作用就越强［6-7］。因此前置级放大器的精密度对比较放大器的精度起决定作用。前置放大器电路如图5所示。电路中运算放大器选用目前精密极高的斩波稳零集成运放ICL7650［8］,其失调电压温漂小于等于0.01 μV/℃,输入失调电流大于等于0.5 pA，开环增益大于等于5×106,共模抑制比小于等于1×106。电路所用电阻均用精度为0.01%的Rx700.5 W型高精密电阻。前置级增益设定值应尽可能高，设定值为2×104。把前置级电路置于电磁屏蔽恒温槽内，以减小增益温漂和电磁干扰。
2.3 采用精密电压基准源
采用REF102型高精度电压基准源，其输出电压10 V，温漂小于等于2.5 PPM/℃,长时间稳定为10 PPM/100 h，在0.1～10 kHz频段内，噪声电压小于等于6 μV［9］。对REF102的电路进行严格的低温漂、低噪声设计，并将整个电压基准电路设置在电磁屏蔽恒温槽内，进一步减小基准电压的温漂和电磁干扰［10］。
2.4 保证取样分压比的稳定性
取样分压器的高压臂电阻全部选用4 MΩ，2 W的Rx70型精密电阻，并将其全部镶入密封的有机玻璃圆筒内，再把圆筒放入绝缘油箱内。低压臂电阻选用0.5 W的Rx70型精密电阻。低压臂电阻全部放入电磁屏蔽恒温槽内。分压器高压端电阻的电晕放电将严重影响分压比的稳定性和可靠性。为防止分压器电晕放电发生，在分压器的高压端装有直径为400 mm,表面光洁度在7以上的椭圆球，使高压端的最大场强小于2.6 kV/cm。这一措施，切实有效地消除了电晕放电发生，保证了分压比的稳定性。
3 技术指标测试与测试结果
测试电路如图6所示。图中负载电阻RL的电流用来模拟电子束曝光机电子枪的束流。调整RL可调节高压电源负载电流。μA表用来检测电源负载电流；自耦变压器用来调整设定高压电源工频输入电压。
图6 性能指标测试电路3.1 技术指标测试
（1） 纹波电压测试
电源输入电压Ei维持220 V不变,在额定负载电流100 μA情况下，高压输出经过0.035 μF，35 kV的高压电容隔直后，其交流分量耦合到10 MΩ电阻上，用LM400型示波器测量其上的纹波电压。
纹波的主要成份为5 kHz分量，其次是50 Hz分量。考虑高压电容的容抗以及示波器的输入阻抗，根据上述情况可由测得的4 MΩ上的纹波电压换算出输出纹波系数。
（2） 电压调整率的测量
维持额定负载电流100 μA不变，输入工频电压Ei改变±10%。输出高压经分压器分压得一低值电压。用7位半数字电压表HD3455A测量这一低值电压。由此可换算出电压调整率。
（3） 负载调整率的测量
维持输入的工频电源电压Ei为220 V不变，改变负载电流100 μA,用数字电压表测量分压器的输出电压，由此换算出负载调整率。
（4） 长期稳定度的测量
维持工频输入电压不变和额定负载电流不变。用数字电压表HD3455A连续测量9 h，由此测算出长时间稳定度。
3.2 测得技术指标
输出电压：20 kV,25 kV,30 kV。
输出电流：额定值100 μA,最大值300 μA。
电压调整率(～220 V＋10%)：
20 kV :≤3.5×106；
25 kV :≤2×106；
30 kV :≤3×106。
负载调整率（负载电流变化100 μA）:
20 kV :≤2×106；
25 kV :≤4×106；
30 kV :≤3×106。
纹波系数（负载电流为100 μA）:
P-P/Uo≤5×10－6
长期稳定度（负载电流为100 μA）:
≤2.5×105／h；
≤4×105／4h。
3.3 高压电源的实际应用
高压电源给电子束曝光机电子枪提供加速电压。高压输出的正级与电子枪阳极相接、负极与电子枪阴极相接。投入实际应用1年多以来，性能稳定，效果良好，提高了电子束曝光机的制版精度。对于4 mm×4 mm的扫描场，因高压电源波动引起的扫描场波动仅有0.01 μm，精度可达0.3×105。由于加速电压的长期稳定性好，大大提高了电子束曝光机长时间工作时的制版合格率。
4 结 语
本文提出了既采用直接调整与间接调整相结合，又采用集中补偿与分散补偿相结合，使实现高压稳压电源系统既有高静态精度，又有高动态稳定性的切实有效的设计方案。对前置级放大器、基准电压源和取样分压器的高精度设计是提高高压电源精密度的关键措施。采用交流平衡器、交流负反馈和交直流前级预稳，是实现低纹波输出的强有力措施。
参 考 文 献
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作者简介: 陈振生 男，1946年出生，山东东平人，教授。从事电子技术应用及精密高压电源的研究工作。
刘伯强 男，1956年出生，山东枣庄人，博士研究生，教授。从事电工电子技术及计算机控制技术的研究工作。
