CN100525037C - 高压电源产生器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种高压电源产生器，具有初级侧线圈、次级侧线圈、辅助线圈，以及PNP型双极结晶体管，通过LC谐振电路的原理将输入直流电压转换成初级侧线圈上的交流振荡电压，该振荡电压经次级侧线圈升压成高压交流电压。辅助线圈的一端与该晶体管的发射极耦接至该输入直流电压，并且辅助线圈的另一端经由电阻-电容电路耦接至该晶体管的基极端。初级侧线圈的一端耦接至该晶体管的集电极端，并且初级侧线圈的另一端耦接至地。因此初级侧线圈本身能够产生代表该高压电源产生器的次级侧输出端上电压的电压检测信号，使得比较单元能够产生电压控制信号来控制晶体管的基极电流以改变初级侧线圈上的振荡电压的振荡振幅，借此控制次级侧输出端上的输出电压。

Description

高压电源产生器

技术领域

本发明关于一种高压电源产生器，更特别的是本发明关于一种可用于影像成形装置的高压电源产生器。

背景技术

大部分的影像成形装置(image forming apparatus)，如激光打印机或传真机等，都需要一个高压电源产生器(high-voltage generator)来提供操作时所需要的电压。此种高压电源产生器系利用单开关谐振电路(single switch resonantcircuit)且令晶体管工作于有源区(active region)，如此便可将变压器初级侧所接收的低电压转换成振幅大小由电压反馈信号所控制的弦波电压。该弦波电压经由变压器的次级侧放大，再经由整流/倍增电路产生一个电压值可调整的高阶直流电压给影像成形装置。

图1显示一种公知用于激光打印机(laser toner printer)的高压电源产生器。如图1所示，高压电源产生器包含高压变压器T12，具有初级侧线圈(primary coil)N11、次级侧线圈(secondary coil)N12以及辅助线圈(auxiliarycoil)N13。脉冲宽度调制信号(PWM signal)41经由电阻R11与电容C11组成的滤波器滤波后，可在运算放大器18的正输入端产生一个随脉冲宽度调制信号41的占空比(duty cycle)不同而改变的直流参考电压Vref。初级侧线圈N11的一端与输入直流电压Vin相连接，另一端则与由NPN型双极结晶体管(NPN BJT)所组成的开关装置16的集电极(collector)相连接。开关装置16的基极(base)耦接至辅助线圈N13的一端，而开关装置16的发射极(emitter)连接至接地端。反馈控制单元(feedback control unit)11耦接于高压电源产生器的次级侧输出端(secondary output)以及运算放大器18之间，其功能为检测高压电源产生器的输出电压的变化，并且根据输出电压的变化产生反馈信号至运算放大器18的负输入端。该反馈信号与该直流参考电压Vref相比较，并根据比较的结果输出电压控制信号48。该电压控制信号48传送至辅助线圈N13的另一端，借此控制开关装置16的基极直流电流，并加上通过初级侧线圈N11与辅助线圈N13之间的磁性连接而提供至开关装置16的基极端的交流电流，达到改变初级侧线圈N11上的振荡电压(oscillating voltage)的振荡振幅(oscillating amplitude)的目的。因此，电压控制信号48能够控制初级侧线圈N11上的振荡电压振荡振幅，借此调整高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout为脉冲宽度调制信号41的占空比所指定的电压。在此，初级侧线圈N11上的振荡电压经过次级侧线圈N12的升压后，则感应生成于次级侧线圈N12的两侧。该高压交流电压经由次级侧整流/倍增电路(secondary rectifier/multiplier circuit)13而转换成高阶的输出电压Vout，其电压值约为数千伏特至数百伏特的正电压或负电压，其视反馈控制单元11及次级侧整流/倍增电路13的连接拓朴而定。类似于图1所示的高压电源产生器的参考文献提出于美国专利号6,501,921与美国专利公开号2006/0092672中。

图1的高压电源产生器虽然能够提供足够的高阶输出电压Vout来驱动影像成形装置内部的影像复制组件，其却无法避免地存在一些重要的缺点。最主要的缺点的形成原因在于提供给运算放大器18的负输入端的反馈信号乃是由高压电源产生器的次级侧输出端经由反馈控制单元11降压所产生。如前所述，高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout乃是电压值为数千伏特的高阶直流电压。然而，提供给运算放大器18的负输入端的反馈信号的电压电平通常仅为数个伏特。因此，反馈控制单元11必须具备由高阻抗的电阻所组成的分压电路。如此一来，高压电源产生器对于输出电压Vout的变化的瞬时响应(transient response)便会变的相当缓慢。若想要改善瞬时响应，则必须降低反馈控制单元11中的分压电阻的阻抗，如此会产生相当大的功率损失(power loss)。另外，若想要改变输出电压Vout的极性时，不仅次级侧整流/倍增电路13中二极管的极性必须反向，反馈控制单元11的连接拓朴亦必须改变，因此无法满足在同一片印刷电路板上提供具有不同极性的输出的需求。

图2显示一种改进的高压电源产生器。如图2所示，高压变压器T22具有初级侧线圈N21、次级侧线圈N22、辅助线圈N23以及电压检测线圈N24。输入直流电压Vin耦接至初级侧线圈N21的一端，并且由NPN型双极结晶体管所组成的开关装置26的集电极耦接至初级侧线圈N21的另一端。开关装置26的基极耦接至辅助线圈N23的一端，并且开关装置26的发射极耦接至接地端。电压检测线圈N24设定为产生与高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout相关联的交流电压。电压检测线圈N24所输出的交流电压由初级侧整流/倍增电路(primary rectifier/multiplier circuit)25转换成电压检测信号42，其代表高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout。电压检测信号42接着经由分压器R21，R22分压而产生一个部分电压检测信号43，其与脉冲宽度调制信号44一起输入至电压控制单元27。电压控制单元27比较部分电压检测信号43与脉冲宽度调制信号44经由电阻R25与电容C25所组成的滤波器滤波后所产生的直流电压之间的差异，并且根据比较的结果输出电压控制信号49。电压控制信号49经由电阻R23，R24传送至辅助线圈N23的另一端，并且通过初级侧线圈N21与辅助线圈N23之间的磁性连接将电压控制信号49提供至开关装置26的基极端。电压控制信号49设定为控制开关装置26的基极电流，进而控制初级侧线圈N21上的振荡电压的振荡振幅，借此调整高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout为脉冲宽度调制信号44的占空比所指定的电压。在此，初级侧线圈N21上的电压经过次级侧线圈N22升压后，则感应生成于次级侧线圈N22的两侧。该高压交流电压经由次级侧整流/倍增电路28转换成高阶的输出电压Vout，其电压值约为数千伏特至数百伏特的正电压或负电压，其视次级侧整流/倍增电路28的连接拓朴而定，而不受如图1所示的反馈控制单元11影响。由于部分电压检测信号43是由低阻抗的分压电阻所产生，其可改善输出的瞬时响应。又因为不论输出电压Vout的输出为正电压或是负电压，电压检测线圈N24与初级侧整流/倍增电路25都可产生正电压的检测信号，故不须对初级侧整流/倍增电路25及电压控制单元27的电路进行修改，仅须改变次级侧整流/倍增电路28的整流二极管极性即可改变输出电压Vout极性。因此在同一片印刷电路板上即可产生不同极性的输出电压。类似于图2所示的高压电源产生器的参考文献提出于美国专利号6,529,388中。

由以上的说明可知，图2所示的高压电源产生器设定为在位于低压侧的变压器的电压检测线圈N24的两侧产生与高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout相关联的交流电压，并且再经由初级侧整流/倍增电路25转换成用来代表输出电压Vout的电压检测信号42。因此，图2所示的高压电源产生器便可以在较短的反应时间内对输出电压Vout的变化作出反应，并且从而增进了高压电源产生器对于输出电压Vout的变化的瞬时响应。另外，无论输出电压Vout的极性为正或负(其视次级侧整流/倍增电路28的整流二极管的极性而定)，电压检测信号42的电压电平必然为正值。因此，在同一片印刷电路板上可产生具有不同极性的输出电压。然而，图2所示的高压电源产生器需要一个额外的变压器的电压检测线圈N24来产生电压检测信号42，因而增加高压变压器T22的制造成本并且降低高压变压器T22的效率。

因此需要提出一种高压电源产生器，其能够以最少数目的变压器线圈来达成输出电压控制，并且达成较佳的瞬时响应性能以及较少的功率损失，进而提高印刷电路板对具有不同极性的输出电压的兼容性(compatibility)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压电源产生器，可用于例如影像成形装置，其可在最少数目的变压器线圈的条件下增进高压电源产生器的瞬时响应性能，并且减少高压电源产生器的功率损失。

为达成此目的，本发明设计了一种高压电源产生器，其包含：

1.开关装置，例如PNP型双极结晶体管，具有基极端、发射极端以及集电极端；

2.变压器，具有初级侧线圈、次级侧线圈以及辅助线圈，其中该辅助线圈的一端经由电阻-电容电路耦接至该基极端，并且该辅助线圈的另一端以及开关装置的发射极端耦接至输入直流电压，此外，该初级侧线圈的一端耦接至该开关装置的集电极端，并且该初级侧线圈的另一端耦接至地；

3.电压检测信号产生装置，耦接至该初级侧线圈，用以接收该初级侧线圈的输出并产生代表该高压电源产生器的输出电压的电压检测信号；以及

4.比较单元，耦接于该电压检测信号产生装置以及该开关装置的基极端之间，用以根据该电压检测信号以及切换控制信号，例如一脉冲宽度调制信号，来产生电压控制信号，其提供至该开关装置的基极端以调整该开关装置的基极电流，使得初级侧线圈上的交流振荡弦波电压的振荡振幅因而改变，借此调整高压电源产生器的输出直流电压。

根据所述的高压电源产生器，其中该辅助线圈经由电阻-电容电路耦接至该控制端。

根据所述的高压电源产生器，其中该开关装置为PNP型双极结晶体管，并且该PNP型双极结晶体管的控制端为基极，第一电流传导端为发射极，并且第二电流传导端为集电极。

根据所述的高压电源产生器，还包含电容，耦接于该开关装置的第二电流传导端以及接地端之间，其与该初级侧线圈的激磁电感组成谐振电路。

根据所述的高压电源产生器，其中该电容为该变压器的杂散电容或外加电容。

根据所述的高压电源产生器，其中该电压控制信号设定为控制流入该开关装置的控制端的电流以改变该初级侧线圈上的振荡电压的振荡振幅，借此调整该高压电源产生器的输出电压。

根据所述的高压电源产生器，其中该高压电源产生器的输出电压经由该次级侧线圈来产生。

根据所述的高压电源产生器，其中该切换控制信号为脉冲宽度调制信号。

根据所述的高压电源产生器，其中该电压控制信号为直流电压。

根据所述的高压电源产生器，其中该高压电源产生器用于影像成形装置中。

一般来说，该比较单元由运算放大器所组成，并且该电压检测信号产生装置包含初级侧整流/倍增电路以及分压器。

一般来说，初级侧线圈上的交流振荡弦波电压通过该次级侧线圈而升压，以在该次级侧线圈的两侧感应生成高压交流电压。

除此之外，该高压电源产生器还包含次级侧整流/倍增电路，耦接至该次级侧线圈，其由多个二极管与电容所组成，用以将该次级侧线圈两侧的高压交流电压整流并且升压以产生该高压电源产生器的输出电压。

因此，本发明可以利用最少数目的变压器线圈来达成输出电压控制，进而减少变压器的制造成本并增强变压器的效率。若想要改变输出电压Vout的极性时，仅须改变次级侧整流/倍增电路的二极管极性即可达成。因此本发明的另一优点为在同一片印刷电路板上即可产生不同极性的输出电压。

附图说明

图1：显示一种公知的高压电源产生器的电路示意图；

图2：显示一种改进的高压电源产生器的电路示意图；以及

图3：显示根据本发明的优选实施例的高压电源产生器的电路示意图。

其中，附图标记说明如下：

Vin：输入直流电压

T12：高压变压器

N11：初级侧线圈

N12：次级侧线圈

N13：辅助线圈

11：反馈控制单元

13：次级侧整流/倍增电路

16：开关装置

18：运算放大器

Vout：输出电压

R11：电阻

C11：电容

41：脉冲宽度调制信号

Vref：参考电压

48：电压控制信号

T22：高压变压器

N21：初级侧线圈

N22：次级侧线圈

N23：辅助线圈

N24：电压检测线圈

25：初级侧整流/倍增电路

R21：电阻

R22：电阻

42：电压检测信号

43：部分电压检测信号

44：脉冲宽度调制信号

R25：电阻

C25：电容

R23：电阻

R24：电阻

26：开关装置

27：电压控制单元

49：电压控制信号

28：次级侧整流/倍增电路

T32：高压变压器

N33：初级侧线圈

N32：次级侧线圈

N31：辅助线圈

32：谐振电路

33：电压检测信号产生装置

34：初级侧整流/倍增电路

R34：电阻

R35：电阻

45：电压检测信号

46：脉冲宽度调制信号

50：比较单元

47：电压控制信号

36：开关装置

38：次级侧整流/倍增电路

C32：第一电容

R36：电阻

C36：电容

R31：电阻

C381：第二电容

C382：第三电容

具体实施方式

体现本发明的特征与优点的优选实施例将在后面的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

图3显示根据本发明的优选实施例的高压电源产生器的电路示意图。如图3所示，高压电源产生器包含由PNP型双极结晶体管所组成的开关装置36，以及高压变压器T32，具有初级侧线圈N33、次级侧线圈N32以及辅助线圈N31。辅助线圈N31的一端与开关装置36的发射极端耦接至输入直流电压Vin，而辅助线圈N31的另一端经由电阻R31与电容C31所组成的电阻-电容电路(RC circuit)耦接至开关装置36的基极端。初级侧线圈N33的一端耦接至开关装置36的集电极端，而初级侧线圈N33的另一端连接至地。初级侧线圈N33设定为产生与高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout相关联的交流电压。初级侧线圈N33的激磁电感(magnetizing inductance)与第一电容C32组成谐振电路(resonant circuit)32，其中第一电容C32一般而言为高压变压器T32的杂散电容(stray capacitance)或外加电容。初级侧线圈N33上的交流振荡电压经由电压检测信号产生装置33的初级侧整流/倍增电路34来整流与倍增。接着，初级侧整流/倍增电路34的输出经由电压检测信号产生装置33的分压器R34，R35分压以产生电压检测信号45，其代表高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout。

电压检测信号45与脉冲宽度调制信号46经由电阻R36与电容C36组成的滤波器滤波后所产生的直流电压分别输入至由运算放大器所组成的比较单元50的正输入端与负输入端。脉冲宽度调制信号46为具有可在预定范围内占空比可调变的脉冲信号，其能够使高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout根据脉冲宽度调制信号46的占空比改变而连续变化。比较单元50设定为比较电压检测信号45与脉冲宽度调制信号46的直流成份(DCcomponent)之间的差异，并且根据比较的结果输出电压控制信号47。电压控制信号47为直流电压，其经由电阻、晶体管或齐纳二极管(zener diode，上述组件皆未显示于图中)而耦接至开关装置36的基极端，从而控制开关装置36的基极电流以改变初级侧线圈N33上的交流振荡电压的振荡振幅，借此将高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压Vout稳定于由脉冲宽度调制信号46的占空比所指定的电压电平。

通过次级侧线圈N32的升压作用，初级侧线圈N33上的交流振荡电压便可升压为数百或数千伏特的高压交流电压，其感应生成于次级侧线圈N32两侧。除此之外，在高压变压器T32的次级侧上设置了一个次级侧整流/倍增电路(secondary rectifier/multiplier circuit)38，其由数个二极管、第二电容C381与第三电容C382所组成，用以将次级侧线圈N32两侧的高压交流电压进行整流并且升压为所想要的电压电平。因此，次级侧线圈N32两侧上的电压便不需要被提升至与输出电压Vout相同的电平，从而减少高压变压器T32的次级侧所承受的电压应力(voltage stress)。由于次级侧整流/倍增电路38的电路结构与操作方法乃是本领域的普通技术人员所熟知的，在此不加以详细说明。

综合以上所述，本发明所提出的高压电源产生器的特点在于高压电源产生器的输出电压Vout由初级侧线圈上的交流振荡电压经由次级侧线圈升压后，再经由次级侧整流/倍增电路整流与升压后产生。因此可利用位于高压变压器的初级侧线圈来检测高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压，而不需要如图2的高压电源产生器一般设置一组电压检测线圈。为了要达成此目的，初级侧线圈的一端耦接至地并且采用PNP型双极结晶体管作为开关装置。因此，初级侧线圈能够感应生成与高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压相关联的交流电压，并且经由初级侧整流/倍增电路以及分压器产生代表高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压的电压检测信号。很明显的，本发明所提出的高压电源产生器可在高压变压器的低压侧(初级侧)产生代表高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压的电压检测信号，因此高压电源产生器对输出电压的变化的瞬时响应便可以大幅的增强。更有利的是，在本发明的高压电源产生器中，产生代表高压电源产生器的次级侧输出端上的输出电压的电压检测信号乃是由变压器的初级侧线圈来产生，因此本发明的高压电源产生器相对于图2的高压电源产生器而言便可省略电压检测线圈N24。因此，本发明可以利用最少数目的变压器线圈来达成输出电压控制，进而减少变压器的制造成本并增强变压器的效率。若想要改变输出电压Vout的极性时，仅须改变次级侧整流/倍增电路38的二极管极性即可达成。因此本发明的另一优点为在同一片印刷电路板上即可产生不同极性的输出电压。

本发明可由本领域的技术人员进行多种修饰，然而都不脱离所附的权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一种高压电源产生器，其包含：

开关装置，具有控制端、第一电流传导端以及第二电流传导端；

变压器，具有初级侧线圈、次级侧线圈以及辅助线圈，其中该辅助线圈的一端耦接至该控制端，并且该辅助线圈的另一端以及开关装置的第一电流传导端耦接至输入直流电压，而该初级侧线圈的一端耦接至该开关装置的第二电流传导端，并且该初级侧线圈的另一端耦接至地；

电压检测信号产生装置，耦接至该初级侧线圈，用以接收该初级侧线圈的输出并产生代表该高压电源产生器的输出电压的电压检测信号；以及

比较单元，耦接于该电压检测信号产生装置以及该开关装置的控制端之间，用以根据该电压检测信号以及切换控制信号来产生电压控制信号，其提供至该开关装置的控制端以调整该高压电源产生器的输出电压。

2.如权利要求1所述的高压电源产生器，其中该辅助线圈经由电阻-电容电路耦接至该控制端。

3.如权利要求2所述的高压电源产生器，其中该开关装置为PNP型双极结晶体管，并且该PNP型双极结晶体管的控制端为基极，该第一电流传导端为发射极，并且该第二电流传导端为集电极。

4.如权利要求3所述的高压电源产生器，还包含第一电容，耦接于该开关装置的第二电流传导端以及接地端之间，其与该初级侧线圈的激磁电感组成谐振电路。

5.如权利要求4所述的高压电源产生器，其中该第一电容为该变压器的杂散电容或外加电容。

6.如权利要求4所述的高压电源产生器，其中该电压控制信号设定为控制流入该开关装置的控制端的电流以改变该初级侧线圈上的振荡电压的振荡振幅，借此调整该高压电源产生器的输出电压。

7.如权利要求6所述的高压电源产生器，其中该高压电源产生器的输出电压经由该次级侧线圈来产生。

8.如权利要求7所述的高压电源产生器，其中该初级侧线圈上的振荡电压通过该次级侧线圈而升压，以在该次级侧线圈的两侧感应生成高压交流电压。

9.如权利要求8所述的高压电源产生器，还包含次级侧整流/倍增电路，耦接至该次级侧线圈，用以将该次级侧线圈两侧的高压交流电压整流并且升压以产生该高压电源产生器的输出电压。

10.如权利要求9所述的高压电源产生器，其中该次级侧整流/倍增电路由多个二极管、第二电容与第三电容所组成。

11.如权利要求1所述的高压电源产生器，其中该切换控制信号为脉冲宽度调制信号。

12.如权利要求11所述的高压电源产生器，其中该比较单元由运算放大器所组成，其具有正输入端以接收该电压检测信号，以及负输入端以接收该脉冲宽度调制信号。

13.如权利要求1所述的高压电源产生器，其中该电压检测信号产生装置包含：

初级侧整流/倍增电路，耦接至该初级侧线圈，用以对该初级侧线圈的输出进行整流与升压；以及

分压器，耦接至该初级侧整流/倍增电路，用以将该初级侧整流/倍增电路的输出进行分压而产生该电压检测信号。

14.如权利要求1所述的高压电源产生器，其中该电压控制信号为直流电压。

15.如权利要求1所述的高压电源产生器，其中该高压电源产生器用于影像成形装置中。

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