基于PWM的微型高压电源设计

摘要：本文介绍了一种利用脉宽调制(PWM)芯片TL494设计稳压电源的新方法，通过对电路图的设计优化，充分利用TL494芯片内部的三极管实现脉冲宽度调制;再通过对所制作的集成电路PCB板的合理布局布线，最终达到降低成本和功耗、减小模块体积的效果。经过实践测试，该电源模块可实现输入+12V直流电源，输出200~1000V可调高压，空载功率小于0.3W，纹波小于60mV，输出电压稳定小于度0.5%。电源性能稳定可靠，可用作相应工程应用仪器的微型高压偏置源。

前言

电源可以看成是一个典型系统的心脏，它给系统的电路提供持续的、稳定的能量，使系统免受外部的侵扰，并防止系统对其自身作出伤害。在各种工程应用仪器仪表中往往要用到高压偏置源，因此，在这一类器件中能否拥有功耗低、体积小、重量轻的高压偏置电源就比较重要。

实践中设计电源时通常用到两种技术：线性电源和开关电源。相比较而言，线性电源设计成本低、开发周期短，但是成品电源模块体积大、效率低、稳定性差，一般都只用在对功耗要求不高的场合;而开关电源具有功耗低、体积小、重量轻等优点，近些年来发展比较广泛。其中主要包括高效率的谐振开关电源和脉冲宽度调制(PWM)开关电源。前者主要用于工作环境要求比较严格的场合;而PWM被广泛应用于对温度、湿度等变化不敏感，对电磁噪声干扰不敏感的环境。

PWM开关电源在使用时具有较高的效率和灵活性，在很多方面如医疗器械、航空航天、自动化、仪器仪表、离线式等领域的便携式产品中都能发现它的踪影。PWM开关电源通常被应用于要求效率高、功耗低、稳定性强和可靠性高的场合，这也是本次高压偏置电源设计的基本原则。

PWM控制芯片的选用

PWM开关电源控制原理是利用开关电源控制芯片输出的脉冲调制波对开关器件通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲;按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，改变变换电路输出电压的大小;最后经滤波电路滤波就变成了平滑的直流电压^[1]。按照这样的要求我们选用TL494作为本设计的PWM控制芯片。TL494采用电压和电流双闭环控制电路，外环由输出电压反馈形成，内环由电流采样和控制电路形成。这样构成的电压电流双闭环控制系统具有瞬态性好、稳态精度高、结构合理、性能可靠等优点，大大降低了MOSFET开关管功率损耗，比常规开关电源提高了效率和可靠性^[2]。

TL494介绍

TL494是由美国德州仪器(TI)公司生产的一款脉宽调制PWM发生器。它包含了控制开关电源所需的全部功能，可作为单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源的控制器，是典型的固定频率脉宽调制控制集成电路。其内部结构和工作原理框图如图1所示，相应引脚名称和功能如表1。

电路设计

该高压偏置电源主要由PWM集成控制电路、变压器、倍压整流滤波电路和取样反馈电路组成，其原理如图2所示。

控制电路的设计

TL494内部电路由锯齿波振荡电路、基准电压产生电路、两个误差放大器、调整电路、脉宽调制比较器及输出电路等组成。其内置振荡器的工作频率f₀由外接定时电阻RT和定时电容CT决定，估算公式如下：

式中，R_T和C_T的取值范围：R_T=5~100kΩ，C_T=0.001~0.1μF。

系统采用压控型变压器隔离正激式拓扑，TL494接成单端输出模式，并利用其内部集成的NPN型功率开关管产生脉冲波。TL494内部比较器产生的脉冲信号控制其内部功率开关管Q1的饱和或者截止，使得变压器的初级线圈上产生交替变换的脉冲电流，从而在次级产生升压后的感应电流。最后输出的高压又经过分压取样网络后与2脚输入的基准电压比较，得到的误差信号再与内部振荡器产生的锯齿波信号进行比较，调节输出脉冲信号的占空比，从而稳定变压器次级的输出电压。

变压器及其倍压整流电路的设计

(1)变压器初级线圈匝数N_pri可用下式确定^[3]：

式中：V_in为变压器的工作电压，单位V;B_max为变压器的最大工作磁通密度，单位T(Wb/cm2);A_c为所用磁心的有效横截面积，单位cm²。

(2)将变压器次级输出的交流电压进行滤波整流，最后得到所需的直流电压。按照设计需要，这里选择倍压整流电路，其原理是利用二极管的整流和导引作用，将电压分别贮存到各自的电容上，然后把它们按极性相加的原理串接起来，以获得几倍于变压器次级电压的高压来。如图3所示，该电路中的整流二极管和滤波电容总是成对出现的，有N对则电压升高N倍。当N为奇数时，输出电压从二极管的正向端取出;当N为偶数时，输出电压从二极管的反向端取出。

综上所述，根据本次设计的要求，通过计算得出初级线圈匝数N_pri≈3，变压器初级和次级线圈可按20:500的匝数比进行绕制;采用4倍的倍压整流，整流二极管选用IN4007，其反向击穿电压1000V、反向漏电流5μA、最大正向压降1V。

反馈取样电路

本设计的反馈网络如图4如示，输出高压HV经分压电路后再经过TL494的内部误差放大器A构成电压负反馈回路。误差放大器的同相端接入取样电压，反相端接入TL494的基准电压，网络中的电位器可实现对系统输出高压的调节。取样分压比的确定：反相端接的基准电压最大为5V，所以要将输入的取样电压限制在5V以下。当输出高压为1000V时，取样电压为1000V×(180k/40M)=4.5V，分压比约为1/200，符合要求。实际应用时为了降低器件的功耗，在保证分压比不变的前提下尽可能增大分压电阻的阻值。

结束语

开关控制电源是当今电源发展的主流，适用于多种便携式、低功耗的仪器中，与线性电源相比具有许多优点。本文以PWM芯片TL494为核心，提出了一种设计高压偏置电源的新方法，并通过对PCB电路的合理布局布线设计出一个外形尺寸为5"×2.8"×1.8"的独立电源模块，并得出如下结论。

(1)充分利用TL494的内置晶体管产生脉冲信号，降低了设计成本，减小了模块体积。
　　(2)外接电位器，可实现输出高压200~1000V调节，方便仪器设计的底层应用。
　　(3)负反馈网络使得输出电压与其控制信号间有较好的跟随性，电源模块工作稳定、纹波小。
　　(4)实际应用中有待优化设计，进一步降低功耗或采用贴片变压器减小体积;增大电压可调范围，增加调节灵敏度。

参考文献：

[1] 朱志甫.开关电源PWM比较器的研究与设计[D].成都:西南交通大学,2008-05
　　[2] 毋炳鑫,吴必瑞等.TL494控制智能开关稳压电源设计[D].郑州:中原工学院,2008-02
　　[3] Marty Brown著,徐德鸿等译.开关电源设计指南[M].北京:机械工业出版社,2004