单片机控制的双调控高压直流电源
陈礼俊++兰志勇
摘 要： 为了满足高压电源小型化、智能化的要求，设计一种基于单片机控制，输出电压为5～10 kV可调的新型高压直流电源。通过理论分析与硬件电路实验相结合的方法，对控制电路中高频PWM方波的产生、斩波与半桥的驱动电路以及电源输出过电保护电路做出简要的分析与说明。重点研究隔离型Zeta斩波电路调压原理与控制电路工作原理，同时针对实现数字化电源，提出了程序调压的设计思想。实验结果表明所设计电源可行且输出电压稳定。
关键词： 单片机控制； 高压直流电源； 隔离型Zeta斩波电路； PWM
中图分类号： TN86?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0165?04
Abstract： In order to satisfy the requirements of small?size and intelligence of the high?voltage power supply， a new high?voltage DC power supply controlled by single chip microcomputer was designed， whose output voltage is 5～10 kV adjustable. The method of combining theoretical analysis with hardware circuit experiment is adopted to analyze and describe the drive circuits of high?frequency PWM （pulse width modulation） square wave generation， chopping wave and half bridge， and over?voltage protection circuit of the output power supply. The voltage?regulation principle and working principle of the isolated Zeta chopper circuit are studied emphatically. The design thought of voltage regulation based on program is proposed to implement the digital power supply. The experimental results show that the power supply is feasible， and its output voltage is stable.
Keywords： single chip microcomputer control； high?voltage DC power supply； isolated Zeta chopper circuit； PWM
0 引 言
高压直流电源在工业生产应用和实验研究得到广泛运用，如工业环境的静电除尘、医用X光机、CT机等。传统的高压直流电源大多采用工频变压器升压，再经整流滤波得到，存在着电源体积大、效率低、输出电压纹波大等缺点[1?3]。随着电力电子技术的发展，开关电源技术逐步应用到高压直流电源中，高频技术的引入大大降低了设计电源的体积，同时随着电气智能化的发展，智能电源也随之发展起来。本文设计以AT89C51单片机为控制核心智能开关电源，通过程序调节前级Zeta斩波与半桥逆变的输出电压，从而控制电源输出电压，最高输出电压10 kV。电源的特点是能实现程序完全控制输出电压，同时具有自动监测和保护功能。
1 电源结构与工作原理
本文将单片机技术与脉冲宽度调节（PWM）相结合，进行直流高压电源的逆变、调压、升压控制。电源主体由滤波整流、Zeta斩波、半桥逆变、高频升压、倍压整流、保护电路以及PWM调节控制部分组成。电源基本工作原理为：市电220 V，50 Hz输入，电压经过电磁干扰（EMI）滤波以及全波整流变为电压值约为300 V的直流电，再通过隔离型Zeta斩波电路将电压控制在200～400 V之间，之后经过半桥逆变电路将其变为高频交流电，最后通过高频变压器升压和二倍压整流电路，将其变为所设定的直流高压。其中Zeta斩波、半桥逆变的开关频率与脉冲宽度利用单片机程序控制。为了使电源工作稳定且利于调节，设计规定Zeta斩波输出电压在DC 200～400 V即控制斩波电路开关占空比在0.4～0.6之间。同时在输出端设置过电压反馈控制回路，防止程序错误，电压异常升高。图1为电源整体结构图。
2 隔离型Zeta斩波调压电路
与Zeta斩波电路相比，隔离型Zeta斩波电路将高频变压器与电感L0并联，此时前级电路电压可通过变压器将电能递到后级电路[2?5]。如为考虑升高/降低电压，则可将变压器原副边变比增大/减小。采用Zeta隔离型斩波电路的优点：相同的输入、输出电压极性；输出电压可调；输入电流低，EMI小；输入、输出电气隔离。图2为Zeta隔离斩波调压电路[6?8]。
设计隔离型Zeta电路工作在电感电流不连续模式（DCM），电路存在三种不同的工作状态：
（1） 时，S闭合，电源E向L0充电，同时中间电容C1向L1与C2供电，二极管D截至，此时通过L1电流增加，输出电压Uo增加；
（2） 时，S断开，L0向变压器原边电感充电，变压器工作并通过副边电感向C1充电，二极管D导通，电感L1与电容C2向负载供电，输出电压Uo增加；
（3） 时，S处于断开阶段，变压器转换能量结束，二极管D截至，这时电容C1与C2向电感L2与负载供电，此时输出电感L2电流上升，输出电压Uo减小。
3 控制电路的设计
控制电路以AT89C51单片机为核心，通过单片机程序控制P1.0～P1.2口的输出脉冲，即可控制斩波与逆变电路[9?11]。图5为隔离型Zeta斩波控制电路，当单片机P1.0口输出低电平时，控制脉冲通过TPL250隔离驱动Q1开通即斩波电路工作，反之输出高电平，Q1截至。
图6为单片机控制半桥逆变电路图。单片机P1.1、P1.2输出脉冲通过IR2110驱动芯片，驱动半桥开关管。当输出为低电平时，经非门转换为高电平，再经驱动芯片IR2110驱动Q2，Q3的开通，反之Q2，Q3截至。为使电源各芯片工作稳定，由两个独立的LM317精密稳压源提供各芯片工作电压，同时限制斩波与逆变的开关频率与占空比，即通过单片机控制输出端口的脉冲频率与脉冲宽度。为使电源各级电压输出在规定可调范围（斩波输出DC 200～400 V，倍压输出为5～10 kV），在各级分别设置由TL431与PC817和TL431与TLP521?1构成的光耦隔离过压反馈保护电路。当输出过压时，反馈电路工作，控制芯片中断/复位，各级引脚输出高电平Q1，Q2，Q3关闭，电路暂停工作，复位LED（D，D3）灯亮。
4 实验结果与分析
进行单片机程序控制实验，得到电源电压输出波形。图7为Zeta斩波输出电压与其驱动脉冲波形。由图7得驱动脉冲理想，斩波电路工作正常。图8为半桥驱动波形与电源电压输出波形。图8中驱动脉冲幅值与电源电压相位相差180°且有一定时间延迟（防直通）即死区时间，电源输出电压（电阻线性降压测得）纹波小，电路工作稳定。
5 结 论
本文以单片机为核心，研制了一种新型依据程序控制的智能高压直流电源。将高频引入电源设计中，有效地减小电源体积，节约电源成本；采用隔离型Zeta斩波调压电路，实现低压控制高压输出。实验结果表明，所设计电源输出电压稳定、输电纹波小、负载能力强。
参考文献
[1] 廖平，陈峰，马洪秋.基于ATmega16的智能数控高压直流电源的设计[J].高电压技术，2008，34（4）：734?738.
[2] MURTHY?BELLUR D， KAZIMIERCZUK M K. Isolated two?transistor Zeta converter with reduced transistor voltage stress [J]. IEEE transactions on circuits & systems II： express briefs， 2011， 58（1）： 41?45.
[3] SINGH B， SINGH S. Isolated Zeta PFC converter based voltage controlled PMBLDCM drive for air?conditioning application [C]// Proceedings of 2011 IEEE India International Conference on Power Electronics. New Delhi： IEEE， 2011： 1?5.
[4] BIST V， SINGH B. A brushless DC motor drive with power factor correction using isolated Zeta converter [J]. IEEE transactions on industrial informatics， 2014， 10（4）： 2064?2072.
[5] RUSELER A， BARBI I. Isolated Zeta?SEPIC bidirectional DC?DC converter with active?clamping [C]// Proceedings of 2013 Brazilian Power Electronics Conference. Gramado： IEEE， 2013： 1985?1991.
[6] CALLEGARO A D， MARTINS D C， BARBI I. Isolated single?phase high power factor rectifier using Zeta converter operating in DCM with non?dissipative snubber [C]// Proceedings of 2013 Brazilian Power Electronics Conference. Gramado： IEEE， 2013： 1?6.
[7] WORANETSUTTIKUL K， PINSUNTIA K， JUMPASRI N， et al. Comparison on performance between synchronous single?ended primary?inductor converter （SEPIC） and synchronous Zeta converter [C]// Proceedings of 2014 International Electrical Engineering Congress. [S.l.]： IEEE， 2014： 1?4.
[8] WANG L H， WEI X Y， ZHANG J H. Design of sinusoidal photovoltaic inverter based on DSP [C]// Proceedings of 2012 Asia Innovative Smart Grid Technologies. Tianjin， China： IEEE， 2012： 1?4.
[9] 张安保，刘展辰，于静，等.基于AT89C51的小功率调频调压电源设计[J].东北石油大学学报，2012，36（3）：104?109.
[10] SINGH H K， BEZBORUAH T. Micro?controller based frequency to digital converter for interfacing frequency output sensors [C]// Proceedings of 2015 International Conference on Electronic Design， Computer Networks & Automated Verification. Shillong： IEEE， 2015： 34?37.
[11] WANG Z， LIU L S. The design of a speed regulator of DC motor based on TMS320LF2407A and AT89C51 [C]// Proceedings of 2010 International Conference on E?Product E?Service and E?Entertainment. Henan， China： IEEE， 2010： 1?4.
摘 要： 为了满足高压电源小型化、智能化的要求，设计一种基于单片机控制，输出电压为5～10 kV可调的新型高压直流电源。通过理论分析与硬件电路实验相结合的方法，对控制电路中高频PWM方波的产生、斩波与半桥的驱动电路以及电源输出过电保护电路做出简要的分析与说明。重点研究隔离型Zeta斩波电路调压原理与控制电路工作原理，同时针对实现数字化电源，提出了程序调压的设计思想。实验结果表明所设计电源可行且输出电压稳定。
关键词： 单片机控制； 高压直流电源； 隔离型Zeta斩波电路； PWM
中图分类号： TN86?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0165?04
Abstract： In order to satisfy the requirements of small?size and intelligence of the high?voltage power supply， a new high?voltage DC power supply controlled by single chip microcomputer was designed， whose output voltage is 5～10 kV adjustable. The method of combining theoretical analysis with hardware circuit experiment is adopted to analyze and describe the drive circuits of high?frequency PWM （pulse width modulation） square wave generation， chopping wave and half bridge， and over?voltage protection circuit of the output power supply. The voltage?regulation principle and working principle of the isolated Zeta chopper circuit are studied emphatically. The design thought of voltage regulation based on program is proposed to implement the digital power supply. The experimental results show that the power supply is feasible， and its output voltage is stable.
Keywords： single chip microcomputer control； high?voltage DC power supply； isolated Zeta chopper circuit； PWM
0 引 言
高压直流电源在工业生产应用和实验研究得到广泛运用，如工业环境的静电除尘、医用X光机、CT机等。传统的高压直流电源大多采用工频变压器升压，再经整流滤波得到，存在着电源体积大、效率低、输出电压纹波大等缺点[1?3]。随着电力电子技术的发展，开关电源技术逐步应用到高压直流电源中，高频技术的引入大大降低了设计电源的体积，同时随着电气智能化的发展，智能电源也随之发展起来。本文设计以AT89C51单片机为控制核心智能开关电源，通过程序调节前级Zeta斩波与半桥逆变的输出电压，从而控制电源输出电压，最高输出电压10 kV。电源的特点是能实现程序完全控制输出电压，同时具有自动监测和保护功能。
1 电源结构与工作原理
本文将单片机技术与脉冲宽度调节（PWM）相结合，进行直流高压电源的逆变、调压、升压控制。电源主体由滤波整流、Zeta斩波、半桥逆变、高频升压、倍压整流、保护电路以及PWM调节控制部分组成。电源基本工作原理为：市电220 V，50 Hz输入，电压经过电磁干扰（EMI）滤波以及全波整流变为电压值约为300 V的直流电，再通过隔离型Zeta斩波电路将电压控制在200～400 V之间，之后经过半桥逆变电路将其变为高频交流电，最后通过高频变压器升压和二倍压整流电路，将其变为所设定的直流高压。其中Zeta斩波、半桥逆变的开关频率与脉冲宽度利用单片机程序控制。为了使电源工作稳定且利于调节，设计规定Zeta斩波输出电压在DC 200～400 V即控制斩波电路开关占空比在0.4～0.6之间。同时在输出端设置过电压反馈控制回路，防止程序错误，电压异常升高。图1为电源整体结构图。
2 隔离型Zeta斩波调压电路
与Zeta斩波电路相比，隔离型Zeta斩波电路将高频变压器与电感L0并联，此时前级电路电压可通过变压器将电能递到后级电路[2?5]。如为考虑升高/降低电压，则可将变压器原副边变比增大/减小。采用Zeta隔离型斩波电路的优点：相同的输入、输出电压极性；输出电压可调；输入电流低，EMI小；输入、输出电气隔离。图2为Zeta隔离斩波调压电路[6?8]。
设计隔离型Zeta电路工作在电感电流不连续模式（DCM），电路存在三种不同的工作状态：
（1） 时，S闭合，电源E向L0充电，同时中间电容C1向L1与C2供电，二极管D截至，此时通过L1电流增加，输出电压Uo增加；
（2） 时，S断开，L0向变压器原边电感充电，变压器工作并通过副边电感向C1充电，二极管D导通，电感L1与电容C2向负载供电，输出电压Uo增加；
（3） 时，S处于断开阶段，变压器转换能量结束，二极管D截至，这时电容C1与C2向电感L2与负载供电，此时输出电感L2电流上升，输出电压Uo减小。
3 控制电路的设计
控制电路以AT89C51单片机为核心，通过单片机程序控制P1.0～P1.2口的输出脉冲，即可控制斩波与逆变电路[9?11]。图5为隔离型Zeta斩波控制电路，当单片机P1.0口输出低电平时，控制脉冲通过TPL250隔离驱动Q1开通即斩波电路工作，反之输出高电平，Q1截至。
图6为单片机控制半桥逆变电路图。单片机P1.1、P1.2输出脉冲通过IR2110驱动芯片，驱动半桥开关管。当输出为低电平时，经非门转换为高电平，再经驱动芯片IR2110驱动Q2，Q3的开通，反之Q2，Q3截至。为使电源各芯片工作稳定，由两个独立的LM317精密稳压源提供各芯片工作电压，同时限制斩波与逆变的开关频率与占空比，即通过单片机控制输出端口的脉冲频率与脉冲宽度。为使电源各级电压输出在规定可调范围（斩波输出DC 200～400 V，倍压输出为5～10 kV），在各级分别设置由TL431与PC817和TL431与TLP521?1构成的光耦隔离过压反馈保护电路。当输出过压时，反馈电路工作，控制芯片中断/复位，各级引脚输出高电平Q1，Q2，Q3关闭，电路暂停工作，复位LED（D，D3）灯亮。
4 实验结果与分析
进行单片机程序控制实验，得到电源电压输出波形。图7为Zeta斩波输出电压与其驱动脉冲波形。由图7得驱动脉冲理想，斩波电路工作正常。图8为半桥驱动波形与电源电压输出波形。图8中驱动脉冲幅值与电源电压相位相差180°且有一定时间延迟（防直通）即死区时间，电源输出电压（电阻线性降压测得）纹波小，电路工作稳定。
5 结 论
本文以单片机为核心，研制了一种新型依据程序控制的智能高压直流电源。将高频引入电源设计中，有效地减小电源体积，节约电源成本；采用隔离型Zeta斩波调压电路，实现低压控制高压输出。实验结果表明，所设计电源输出电压稳定、输电纹波小、负载能力强。
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[6] CALLEGARO A D， MARTINS D C， BARBI I. Isolated single?phase high power factor rectifier using Zeta converter operating in DCM with non?dissipative snubber [C]// Proceedings of 2013 Brazilian Power Electronics Conference. Gramado： IEEE， 2013： 1?6.
[7] WORANETSUTTIKUL K， PINSUNTIA K， JUMPASRI N， et al. Comparison on performance between synchronous single?ended primary?inductor converter （SEPIC） and synchronous Zeta converter [C]// Proceedings of 2014 International Electrical Engineering Congress. [S.l.]： IEEE， 2014： 1?4.
[8] WANG L H， WEI X Y， ZHANG J H. Design of sinusoidal photovoltaic inverter based on DSP [C]// Proceedings of 2012 Asia Innovative Smart Grid Technologies. Tianjin， China： IEEE， 2012： 1?4.
[9] 张安保，刘展辰，于静，等.基于AT89C51的小功率调频调压电源设计[J].东北石油大学学报，2012，36（3）：104?109.
[10] SINGH H K， BEZBORUAH T. Micro?controller based frequency to digital converter for interfacing frequency output sensors [C]// Proceedings of 2015 International Conference on Electronic Design， Computer Networks & Automated Verification. Shillong： IEEE， 2015： 34?37.
[11] WANG Z， LIU L S. The design of a speed regulator of DC motor based on TMS320LF2407A and AT89C51 [C]// Proceedings of 2010 International Conference on E?Product E?Service and E?Entertainment. Henan， China： IEEE， 2010： 1?4.
