小功率10?kV直流高压电源设计

陆小飞

摘 要：该文介绍了一种由电池供电的10 kV小功率高压开关电源。单片机PIC12F1822控制的反激式直流-直流变换器和谐振变换器构成电源的核心部分，谐振电压经输出变压器升压和高频整流得到10 kV直流高压。该电源具有体积小，输出电压稳定等特点，还可实现电池欠电压指示等实用功能。

关键词：高压电源 反激DC-DC转换器 电池供电 PIC12F1822

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0061-02

小体积高压电源在工业领域有着重要的应用，例如：静电植绒和静电喷涂工艺中就普遍使用到高压电源。植绒是绒毛在高压电场作用下垂直植入布料的过程，高压电源是整个静电植绒过程的核心组成部分[1]。在一些特殊情况下，需要采用便携式的植绒设备。该文介绍了一种由PIC12F1822控制的小功率高压电源，可以克服这些问题。

1 高压电源的整体设计

电源主要由反激变换电路、控制电路、谐振电路、输出整流4个部分组成[2]。高压输出端的电阻R1是放电电阻，可防止C2的残留高电压对使用者产生电击伤害。输入电压由电池VBAT提供，反激电路由开关管NMOS、高频变压器T1、二极管D1、电容C1及谐振变压器T2的初级构成。通过反激电路将电池电压VBAT升高到约400 V。控制电路采集反激输出电压V1，当检测到V1的电压达到400 V时，控制电路停止产生PWM信号，同时输出高电平触发可控硅SCR，使得可控硅SCR导通，此时电容C1两端的电压为400 V。

SCR导通后，C1通过SCR向T2放电，C1、SCR、D2、T2初级形成LC谐振电路，将电容C1中存储的能量传输到输出电容C2。谐振电路电流仿真结果如图1所示[3]。图1中Is是流经可控硅SCR的电流，Id是流过二极管D2的电流，变压器T2的初级电流为Ip。

图中Ip是谐振电流，其谐振频率如公式1所示。

（1）

其中，L為输出变压器T2的初级电感；C为电容C1的电容量。

2 高压电源控制电路

2.1 主控芯片

高压电源采用两节电池供电，输出电压可达10 kV。为满足重量轻、体积小、稳压性较好等特点，文中采用PIC12F1822作为核心控制器件。PIC12F1822是一款高性能RISC单片机，图2是PIC12F1822外围电路图。电路中由单片机内部的PWM模块产生PWM信号控制反激电路，将电池电压转换成约400 V左右的直流电压。由内部10 bit ADC采样V1电压，当V1达到设定电压值时，关闭PWM信号，同时产生SCR信号触发输出谐振电路。开关SW用来控制高压转换的启停，开关按下单片机才输出控制信号进行升压。

2.2 电池欠压指示

通过电阻分压检测电池电压，通过内部ADC模块读取当前电池电压值。当采样电压低于设定值，软件控制LED开始闪烁，电压越低，闪烁的频率加快直至常亮。

3 组装测试

变压器采用透明环氧树脂罐封，电路板的高压部分采用浸蜡处理。在结构组装上，对高压部分做好屏蔽、绝缘等措施，防止高压打火放电现象。测试采用Zentech 900B-HV高压表，该高压表输入阻抗为30 GΩ，对电源的负载影响小。实测结果表明电源可正常输出10 kV直流电压，通过对长度3 mm的尼龙绒毛进行验证，该电源植绒效果良好。

4 结语

设计的电池供电10 kV高压电源经过实际测试，能满足小规模的植绒要求。具备体积小重量轻、使用方便、电池低压检测等特点。经过实际使用，电源运行可靠，可作为便携植绒电源使用，功能实用，具备一定的应用推广价值。

参考文献

[1] 季涛，王汉成，高强.静电技术在纺织生产中的应用[J].纺织科学研究，2002（4）：38-42.

[2] （美）普利斯曼.开关电源设计[M].3版.北京：电子工业出版社，2010.

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