基于压电陶瓷变压器的超小型高压电源.doc

基于压电陶瓷变压器的超小型高压电源 1、引言 在一些小型电子测量仪器中，经常需要用到电压为几千伏特、电流为微安级的高压电源，我们通常称这类电源为小高压电源。这些小高压电源目前多采用传统的绕线式变压器进行交流升压，再经过整流倍压达到所需要的电压值。倍压次数可为2倍-6倍。由于绕线式变压器的升压绕组的导线很细，匝数又多，所以绕制和浸渍工艺中的某些缺陷会造成质量隐患，在变压器使用一段时间后会形成匝间短路打火，导致变压器失效，影响仪器使用的可靠性和安全性。现在，有一种新的升压元件可供选择，即片式压电陶瓷变压器（简称压电陶瓷变压器）。 压电陶瓷变压器作为一种新型电子变压器元件的历史并不算很短，但进行工业化生产和大范围应用则是近几年的事。现在，利用其独特的性能制作的小高压电源已经成功地使用到液晶显示器的背光电源和正负离子发生器等众多领域，形成一个新的产业。以下就如何应用压电陶瓷变压器作些扼要介绍。 2、压电陶瓷变压器的驱动原理 2.1 谐振工作原理 压电陶瓷变压器不论单层（PT）或多层（MPT）使用时都要在输入端施加交流电压（或脉冲）U1，而且所施加的电压频率与变压器谐振频率相同。在此电压的作用下，压电变压器产生逆压电效应，形成机械振动，此振动波沿变压器纵向传递，形成正压电效应，到达输出端，在输出端产生交流正弦波输出电压U0。电压U0是U1的n倍，n为升压比。目前，单层变压器的升压比可达到200倍以上，多层变压器则可以达到更高。 2.2 压电变压器的基本驱动方式 单层和多层压电陶瓷变压器的驱动方式有所不同。因其功率较小，单层结构的可用单管单端驱动方式。多层结构的更多的是采用双管推挽驱动电路。也有采用四管桥式驱动形式的电路。基本驱动电路如图1所示。 2.3 对驱动专用IC的要求 初期，人们利用现有的资源，采用通用开关电源PWM控制IC，再附加外围电路来驱动多层压电变压器，达到了一定的技术水平。随着技术的进步和要求保护功能更加完善，各大公司纷纷推出自己的专用IC，使驱动技术上升到一个新的水平。国外典型的专用IC有HLMM936、UCC3976和KPA9000A等。从实际使用角度看，对此IC的主要要求有： (1) 具有较宽的输入电压适应范围 输入电压从2V-6V或6V-18V，以满足使用锂电池的小型设备和大型设备的不同要求。在输入电压从小到大的变化过程中，IC内部应具有前馈功能，自动调节输出驱动信号的脉冲宽度，使负载功耗基本恒定，而不需要靠后级的反馈再来进行调节，缩短系统的调节时间，使系统对电压变化的适应性能提高。 (2)自动扫频和跟踪功能 使变压器始终工作在准频谐振状态。由于压电变压器的特点是只有工作在其谐振频率时输出电压才会最高。但是，在实际工作中，随着时间和环境温度的变化，其固有的谐振频率都会有小的变化。同时为了生产的方便，减少调试工作量，也需要IC能够自动完成频率扫描和跟踪功能。 (3)完善的保护功能 压电变压器是电压输出器件，内阻较高，所以，在负载开路时输出电压很高。为了避免过高的输出电压引起自身和外围元件的损坏，IC应能够检测到负载状况是否开路，若开路时，则IC应能够在一定时间内关断对变压器的激励。同时还具有过电压和过电流保护功能。 (4) 调功功能 在背光电源应用中，由于负载为冷阴极灯管，在高压作用下，冷阴极灯管产生辉光放电，其闪烁频率与电源频率相同，当其闪烁频率在200Hz以上，人的眼睛已感觉不到其闪烁变化。所以，可以采用断续供电的方式来降低电源的功耗。这种功能在采用电池供电的设备中尤为重要。 3、单端躯动电路推动多层变压器制成的高压电源 在该电源中升压元件采用多层变压器，电路为单端躯动工作方式，因而具有电路简单、工作可靠性高的特点，电路原理如图2所示。其中，Q1、Q2分别为NPN和PNP三极管组成的互补输出，用来驱动MOSFET管Q3。这里Q3工作在开关状态。IC1为专用IC，其输出振荡频率fo跟踪变压器谐振频率。输入U1为高电平时，Q1导通，Vcc经过R、Q2向Q3栅极电容器Cgs充电，当栅极电压达到开启电平时，Q3导通，在电感器L中储能，当U1为低电平时，Q1截止，Q2因射极电位高于基极而导通，为Q3栅极电容器Cgs提供放电通路，使Q3栅极电位下降，使Q3截止。由于Q3截止，流过电感器L中的电流Lds突然下降为零，所以在电感器L中产生反电势，此脉冲电压加在变压器的输入端，其幅度为Vcc的2倍左右。二极管D1、D2对变压器输出的交流正弦波电压进行整流倍压后向电容器C充电，Ra、Rb为取样反馈电阻器，通过IC对振荡器输出信号进行断续控制，使高压电源的输出电压维持在稳定状态。如某专用电源要求输出电压达到稳定值3000伏时的时间，在环境温度为-40-60的范围内，过渡时间不大于200ms。实际上已经达到小于150ms，在常温下仅为75ms。该电源采用了KH3005变压器。这是一种多层压电陶瓷变压器，其尺寸为30（L）5（W）2.6（H）（mm3），额定功率为3.