一款小型化高压小功率电源的设计
引言
高压电源已经被广泛地应用，医学、工业无损探伤、车站、海关检验等检测设备中，也广泛应用于诸如雷达发射机、电子航空图显示器等军事领域。传统的高压电源体积大、笨重，严重影响了所配套设备的发展。目前的高压电源多采用开关电源形式，大大降低了体积重量，增加了功率，提高了效率。特别是高压小功率开关电源，几乎都是开关电源结构。本文所讨论的高压小功率开关电源，是为x射线电视透视系统配套设计的。这种系统是对原始x射线设备的改进，它增加一个叫做图像增强器的设备。这种设备采用电极对电子进行加速和聚焦，因而需要与之相配套的小功率高压电源。
方案选择
小功率高压电源最常用的例子是电视机的阳极高压发生器，它将几十伏的直流电源，通过功率变换和高压变压器升压，再整流滤波，变为高压输出；另一个应用实例是负离子发生器，常采用晶闸管调压方式。以上两种调压方式都需要一台单独可调的辅助电源，即高、低压组合方式。这样便加大了电源的体积和复杂程度。加之，由于电路结构形式的不同，它们的输出电压范围的调节很有限，需要大范围调节时，只能通过改变供电电压来实现。而x射线增强器的主路电压调节范围近 10kv，上述电路形式很难满足要求。本文采用的半桥谐振式开关电源，成功地解决了以上问题。
技术指标
输入电压220（1±10%）v，（50±0.5）hz；或宽范围输入电压180～250v.
输出电压/电流
阳极（正）电压/电流
标称值+25kv/1ma，
电压范围+23kv～+32kv；
标称值+7.35kv/200μa，
电压范围+6.0kv～+7.8kv；
标称值+0.985kv/200μa；
电压范围+0.8kv～+1.1kv；
阴极（负）电压/电流
标称值-0.75kv/500μa；
电压范围-0.5kv～-1kv.
以上4路电压连动输出。
稳定度1%.
工作温度范围0℃～+40℃。
存贮温度范围-40℃～+55℃。
外形尺寸160mm×135mm×43mm.
图像增强器的电极在加工时不可避免存在有毛刺，在高电压下尖端放电击穿打火。要把毛刺烧掉，需要有较大的电流。这样，一方面要求电源输出功率设计得更要大些，另一方面应有完善的保护措施。
系统框图及工作原理
25kv小型化高压电源的系统框图如图1所示。
图1 系统框图
输入的市电经净化滤波后整流成300v左右的直流电压加到半桥电路的mos管上。控制电路由最常用sg3525芯片组成。控制电路通过高压部件反馈绕组检测输出电压的变化量，产生激励脉冲去驱动功率mos场效应管，实现稳压输出。技术难点及解决办法
1、体积与绝缘
这种电源是专为x射线增强器配套的，它被安装在x射线增强器底座下一个狭小的空间，因而要求体积小。体积的减小与电路形式的选择，电路的性能及绝缘，散热等问题有直接关系。本电路将功率变换、控制电路等部分和高压部分分开屏蔽放置，并选择高强度的绝缘介质填充高压部分，很好地解决了这个问题。
2、高频高压变压器
图2 考虑分布电容的变压器模型
高频高压变压器是高压电源的核心部件。在低压（功率）变压器中，可以不考虑波形的畸变和工作频带的问题，因而可以忽略分布电容的影响。在高频高压变压器中，由于匝数增多，特别是次级匝数增多，当变压器工作频率比较高和电压变化率比较大时，必须考虑分布电容和漏感问题。这时，变压器模型如图2所示。l1为漏感，cp和cs分别为初级和次级的分布电容。变压器漏感l1和次级分布电容构成了串联谐振电路。当变压器次级开路或负载较轻时变压器可看成电感，因而与次级分布电容cs构成并联谐振电路，其等效电路如图3所示。发生谐振时，电容两端的电压会高出工作电压，也就是说变压器内部的电压会高于输出电压。这无形中增大了对变压器的耐压要求。因而在变压器的绕制过程中，要尽量减少分布电容和漏感。假设各层电容相等，绕组共有m层，则分布电容cs=c（c为次级绕组固有电容，n2为次级绕组匝数）。当次级匝数一定时，次级等效到初级的分布电容与次级的层数有关，层数越多分布电容越小。每一层上的匝数越少，分布电容越小。为了减小分布电容，采取分段分组绕制方式，并增加层数，减小每层匝数。变压器采用马蹄形铁氧体磁芯，其绕制示意如图4所示。
图3 分布电容折合到初级的等效电路
图4 高压变压器绕制示意图
3、输入电压范围的调制
工作在高频高压条件下的小功率电源，输入电压范围的调节会出现困难。不但调整率很差，而且在输入电压超过一定值时，电源无输出，或输出电压不稳定。原因是高压小功率电源的占空比很小，工作时的导通脉宽很窄（呈窄脉冲工作状态）。当输入电压升高时，输出能量不变，脉冲宽度变窄，幅度加长。输入电压升高到一定限度，控制电路呈失控状态，无法实现有效的闭环控制，导致整个电路关闭。为解决这个问题，经过分析试验，设计了一个输入电压调节电路，如图5所示。
图5 输入电压调节电路
它实际上是一个输入电压预稳压电路，输入电压经过它，成为基本稳定的电压，再加到主电路（开关电路）上。
经过调试，试验和长期装机应用，证明了该电路的稳定与可靠。表1是设置输入电压调节电路与没有设置时的实测数据。为简化起见，这里只给出输出主电路（25kv）参数。明显看出，加了该电路后，输入电压调整率大大提高，输入电压调节范围也增至250v.
表1 输入电压变化对输出电压的影响
由于上电时，输入端瞬间冲击电流很大，对输入电压调节电路造成危害。为此，还专门设计了输入缓冲电路。
另外，高压电源变压器的变比n大，变压器次级反馈到初级变化率较小，带来的问题是稳压效果不理想。这样，还设计了输出电压预稳压电路。因篇幅有限，实际电路从略。
4、开关电路的仿真实验
图6 开关电路电原理图
开关级电路原理图如图6所示。这里开关级的负载是高频高压变压器，它的输入特性与负载的特性有关。在高压小功率应用中，由于输出电流小，负载电阻大，次级整流二极管的导通角很小。为便于建立仿真模型。可忽略负载电阻的影响。
由于应用了仿真技术，大大简化了实验过程，降低了设计周期。用pspice仿真程序对图6电路分为轻载10μa和重载1ma两种情况进行仿真，结果见图 7（a）和图8（a）。在以后进行的电路实验中，实测的电流波形见图7（b）和图8（b）与仿真的波形基本相符。另外，从仿真波形还可看到轻载时的浪涌电流峰值较大，与重载时几乎相等。变压器空载损耗增加，导致变压器发热，这是需要进一步解决的问题。
结语
经过小批量生产和几年的装机使用，证明该电源达到了设计要求，性能稳定、可靠，可以替代同种类产品（例如日本某公司生产的汤姆逊电源）。
在x射线增强器生产工序中，需配置一台大功率的高压（输出电压高达30kv）电源，对半成品进行老化，打毛刺。由于本电源性能已满足上述要求，可以用来替代这台大功率电源，既节省了设备，又缩短了生产加工周期。
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技术指标
输入电压220（1±10%）v，（50±0.5）hz；或宽范围输入电压180～250v.
输出电压/电流
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标称值+25kv/1ma，
电压范围+23kv～+32kv；
标称值+7.35kv/200μa，
电压范围+6.0kv～+7.8kv；
标称值+0.985kv/200μa；
电压范围+0.8kv～+1.1kv；
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标称值-0.75kv/500μa；
电压范围-0.5kv～-1kv.
以上4路电压连动输出。
稳定度1%.
工作温度范围0℃～+40℃。
存贮温度范围-40℃～+55℃。
外形尺寸160mm×135mm×43mm.
图像增强器的电极在加工时不可避免存在有毛刺，在高电压下尖端放电击穿打火。要把毛刺烧掉，需要有较大的电流。这样，一方面要求电源输出功率设计得更要大些，另一方面应有完善的保护措施。
系统框图及工作原理
25kv小型化高压电源的系统框图如图1所示。
图1 系统框图
输入的市电经净化滤波后整流成300v左右的直流电压加到半桥电路的mos管上。控制电路由最常用sg3525芯片组成。控制电路通过高压部件反馈绕组检测输出电压的变化量，产生激励脉冲去驱动功率mos场效应管，实现稳压输出。技术难点及解决办法
1、体积与绝缘
这种电源是专为x射线增强器配套的，它被安装在x射线增强器底座下一个狭小的空间，因而要求体积小。体积的减小与电路形式的选择，电路的性能及绝缘，散热等问题有直接关系。本电路将功率变换、控制电路等部分和高压部分分开屏蔽放置，并选择高强度的绝缘介质填充高压部分，很好地解决了这个问题。
2、高频高压变压器
图2 考虑分布电容的变压器模型
高频高压变压器是高压电源的核心部件。在低压（功率）变压器中，可以不考虑波形的畸变和工作频带的问题，因而可以忽略分布电容的影响。在高频高压变压器中，由于匝数增多，特别是次级匝数增多，当变压器工作频率比较高和电压变化率比较大时，必须考虑分布电容和漏感问题。这时，变压器模型如图2所示。l1为漏感，cp和cs分别为初级和次级的分布电容。变压器漏感l1和次级分布电容构成了串联谐振电路。当变压器次级开路或负载较轻时变压器可看成电感，因而与次级分布电容cs构成并联谐振电路，其等效电路如图3所示。发生谐振时，电容两端的电压会高出工作电压，也就是说变压器内部的电压会高于输出电压。这无形中增大了对变压器的耐压要求。因而在变压器的绕制过程中，要尽量减少分布电容和漏感。假设各层电容相等，绕组共有m层，则分布电容cs=c（c为次级绕组固有电容，n2为次级绕组匝数）。当次级匝数一定时，次级等效到初级的分布电容与次级的层数有关，层数越多分布电容越小。每一层上的匝数越少，分布电容越小。为了减小分布电容，采取分段分组绕制方式，并增加层数，减小每层匝数。变压器采用马蹄形铁氧体磁芯，其绕制示意如图4所示。
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图5 输入电压调节电路
它实际上是一个输入电压预稳压电路，输入电压经过它，成为基本稳定的电压，再加到主电路（开关电路）上。
经过调试，试验和长期装机应用，证明了该电路的稳定与可靠。表1是设置输入电压调节电路与没有设置时的实测数据。为简化起见，这里只给出输出主电路（25kv）参数。明显看出，加了该电路后，输入电压调整率大大提高，输入电压调节范围也增至250v.
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由于上电时，输入端瞬间冲击电流很大，对输入电压调节电路造成危害。为此，还专门设计了输入缓冲电路。
另外，高压电源变压器的变比n大，变压器次级反馈到初级变化率较小，带来的问题是稳压效果不理想。这样，还设计了输出电压预稳压电路。因篇幅有限，实际电路从略。
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开关级电路原理图如图6所示。这里开关级的负载是高频高压变压器，它的输入特性与负载的特性有关。在高压小功率应用中，由于输出电流小，负载电阻大，次级整流二极管的导通角很小。为便于建立仿真模型。可忽略负载电阻的影响。
由于应用了仿真技术，大大简化了实验过程，降低了设计周期。用pspice仿真程序对图6电路分为轻载10μa和重载1ma两种情况进行仿真，结果见图 7（a）和图8（a）。在以后进行的电路实验中，实测的电流波形见图7（b）和图8（b）与仿真的波形基本相符。另外，从仿真波形还可看到轻载时的浪涌电流峰值较大，与重载时几乎相等。变压器空载损耗增加，导致变压器发热，这是需要进一步解决的问题。
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