Abstract：The principle and parameters of switching power supply for correct magnet in HIRFL (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou) is introduced. Its output rating is 15A/15V.It adopted PWM control method and two-transistor forward converter, which has high stability over 1´10-3, low current ripple, high efficiency and reliability.

Keyword：Switching power supply；forward converter；Correct magnet；High stab

1　　引 言

　　校正磁铁极其励磁电源是粒子加速器中的一种重要设备,其输出功率不大,但是要求却很高,在物理实验中七折八扣重要作用。兰州重离子加速器(HIRFL)要求校正磁铁电源输出电流调节范围很宽，稳定度高，电流纹波小，电磁干扰符合国家标准。以前加速器校正电源多采用大功率晶体管，存在着体积大、效率低等缺点。基于以上原因，我所研制了一种采用高频双管正激式原理的校正电源，具有体积小，重量轻，转换效率及可靠性高，内部结构新颖等特点，已在HIRFL中大量使用。

2　　主要参数设计及性能指标：

　　交流输入：　50HZ　　220V
　　直流输出：　电压15V　　 电流15A
　　电流调节范围：（1％－100％）额定值
　　电流稳定度：1×10－3（10％－100％）额定值 8h
　　电流纹波： 1×10－3（10％－100％）额定值8h

3　　加速器粒子束校正电源主电路和工作原理

　　该电源主电路采用PWM控制，变换器采用双晶体管正激变换器，主电路包括：交流滤波、整流、高频变换及高频整流。控制部分包括：PWM控制调节器、软启动电路、保护电路、驱动电路及计算机接口,如图1.所示

　　耗和由于线路杂散电感引起的尖峰电压，其工作原理如下：

图2变换器原理图　　
　　　　　　　　　　　
　　当V1，V2同时导通，变压器初级绕组N1藕合后,N2次级绕组就感应出电压，此电压通过二极管D1整流为直流电压，滤波电感L储能。在V1,V2截止期间，二极管D1截止电感L中产生储积的能量通过二极管D2整流，经L与C滤波平滑后供给负载。由于高频变压器工作在单端励磁方式，在V1,V2截止期间，D1 ,D2起着变压器磁复位的作用，所以该电路的开关管开通时间小于50%开关周期。

4　　PWM控制调节器的设计

　　调节部分是由电流环组成的PI调节器，PWM比较器，软启动电路组成。调节器根据电流给定值调节脉冲宽度，经光电偶合驱动电路等来控制变换器主开关MOSFET管工作。脉宽调制器是采用TL494构成的开关电路，在工作时，其工作频率主要取决与外接在锯齿波发生器（即振荡器）上的定时元件RT和CT所决定，其频率F=1.1/RT·CT。PI调节器的误差信号与TL494内部固定频率三角波比较，以此来控制TL494的输出脉冲的占空比，，再由驱动电路驱动MOSFET管，从而使输出电压得以调节，得到稳定的输出电压。TL494对于该电路较为适合，其每路脉冲输出的占空比小与50%，且有软启动功能。

5　　变压器的设计

　　工作频率的设定。工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计。
　　计算原初次绕组匝数的计算，按输入电压最低及输出满载的情况（此时占空比最大）来计算原副边绕组匝数：

次级匝数计算时取输出电压最大值

　　磁芯材料选用。开关电源的工作频率较高，要求磁心材料的功率损耗应尽可能小。我们设计和选用的磁心材料是铁氧体磁心Bm=2000～2500GS，这个取值应保证离变压器饱和点有一定的裕量。变压器的漏感引起尖峰电压是功率开关管损坏的主要原因。因此减小漏感是非常重要的。

6　　基准电压和整机的测试结果

　　如何提高电源的高稳定性是取决于基准电压是否达到电源的指标要求，该电源采用的是LM399具有非常良好的长期稳定性，温度漂移为1ppm/℃的及稳定基准电压源，它使用了全温度补偿，利用半导体表面附近的齐纳击穿，获得电压的稳定性和低噪声特性，使该电源的稳定度大大提高。
　　经用英国Solartron公司生产的7081型八位半数字电压表，采样积分时间51.2秒，在八小时的测量期间，大约可获得560个数据，连续八小时满功率的测试，按以下公式计算输出电流稳定度：

　　则输出电流稳定度为2.7×10-4，测试结果如图3所示。
　　电流纹波用7081型数字电压表交流档测输出端电压的峰-峰相对纹波电压值, 按以下公式计算输出电流纹波;

　　试中
　　则输出电流纹波为好于4.1×10-4

图3 输出电流趋势

7　　测试波形

　　开关频率： 40KHZ
　　　　下面是一组实测波形：

8　　计算机接口和保护电路

　　电源控制电路与计算机按一定的协议通讯，使电源实现远端电流的给定，远端合分闸操作，并将电源的当前运行状态及输出电流电压值传送给远端计算机。接口输入输出的信号全部采用独立的供电电源和接地端隔离，避免其它噪声串入控制系统回路。原理图如图7所示
。

图7 计算机接口原理

　　保护电路的合理设计大大提高了电源的可靠性，软启动可使脉冲宽度缓慢启动达到保护MOSFET管，过流，过压保护采用传感器模块（LEM）使保护瞬时响应，超温保护可监测各功率管的温度，还具有风机故障保护等功能。

9　　结　论

　　本文介绍的开关电源结构新颖紧凑，体积小，整机电路全部采用PCB板设计形式，易操作使用方便，采用标准机箱尺寸。在设计中我们合理选择各元器件参数，基准参数，反馈参数，滤波给定参数和调节器的参数，从而达到性能指标的要求，现已生产了60台作为兰州重离子加速器校正磁铁电源，目前已投入使用。实际运行表明，该种电源可靠性高、成本低，实现了很好的性能价格比。

参考文献

[1] 王英剑，常敏慧，何希才.新型开关电源实用技术[M].电子工业出版社，1991.
[2] 叶慧贞，杨兴州.新颖开关稳压电源[M].国防工业出版社，1991.