CN100552558C - 在数字控制的基础上产生高压的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种数字高压产生装置及其方法，其中，转换块控制在电源变压器次级线圈中产生的电压，数字接口块提供通信接口，和数字控制块控制转换块的间歇。数字控制块包括用于计算转换块的转换区段宽度的转换区段宽度计算单元、用于计算与数字控制块输出电压的半个周期相对应的计数值的频率计数单元、和用于在所计算的转换区段宽度和计数值的基础上确定转换块的转换时间点的转换时间点确定单元。通过减少在开关中的发热量防止开关损坏是本发明实现的优点之一。

Description

在数字控制的基础上产生高压的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种在数字控制的基础上产生高压的装置和方法。具体地说，本发明涉及一种能够通过检测最佳转换时间点产生高压的高压产生装置及其高压产生方法。
背景技术
成像设备是一种在诸如打印纸的记录介质上打印与所输入的原始图像数据相对应的图像的装置。成像设备的例子包括打印机、复印机和传真机等。激光束打印机、发光二极管(LED)打印头打印机、传真机和其它成像设备采用在成像设备中使用的电子照相术方法。电子照相术成像设备经过充电、曝光、显影、传送和定影执行打印操作。
图1示出了传统电子照相术成像设备的剖面图。参看图1，传统的电子照相术成像设备包括光敏鼓1、充电滚筒2、激光扫描单元(LSU)3、显影滚筒4、传送滚筒5、控制器6和高压电源(HVPS)70。
下面将说明具有上述结构的电子照相术成像设备的打印操作。首先，高压电源70在控制器6的控制下将预定电平的电压提供给充电滚筒2、显影滚筒4和传送滚筒5。充电滚筒2利用从高压电源70提供的充电电压向光敏鼓1的表面均匀充电。激光扫描单元3利用与从控制器6输入的图像数据相对应的光扫描光敏鼓1，由此，在光敏鼓1的表面上形成静电潜像。
随后，由显影滚筒4提供的调色剂在光敏鼓1表面上的静电潜像中形成上色图像。由高压电源70提供的传送电压驱动的传送滚筒5将在光敏鼓1上形成的上色图像传送到用于记录的纸上。利用从定影器(未示出)提供的热和压力将传送到打印纸上的上色图像定影到该打印纸上，并最终到达排出路径(未示出)以排出在外部。
如上所述，是复印机、激光束打印机和传真机的基本组件的高压产生装置70将范围为12到24V的低压瞬间向上变化为范围为数百到数千伏的高压，并可以通过在打印机或复印机的光敏鼓上形成高压放电执行打印。高压产生装置70感测电压或电流，并可以根据用途被用做恒压源或恒流源。
图2的范例性电路示出了传统的高压产生装置。参看图2，传统的高产生装置包括低通滤波器10、压控器20、P2振荡器、电源变换单元30、电压分配器40、电压传感器50和保护器60。
当从引擎控制单元输入基于占空比确定输出电压电平的脉宽调制(PWM)信号D(t)时，低通滤波器10经过RC二阶滤波器将输入信号转换成DC信号。该DC信号被用做控制输出电压的基准信号。
压控器20被用做放大误差信号的差电路和控制器。它将经过低通滤波器10输出的DC信号与通过执行关于实际输出电压的反馈所获得的信号进行比较并在所述振荡器和电源变换单元30中产生晶体管Q的驱动信号。
所述振荡器和电源变换单元30基于压控器20的输出信号控制晶体管Q的基极电流量，从而使在晶体管的发射极和集电极中的电压波动。在该电压波动中，电源变压器中初级线圈的电压被改变，由此，在具有高匝数比的电源变压器的次级线圈中产生电压。
电压分配器40使用整流二极管D1和D2以及电压分配和平面化电容器C4和C5根据在电源变压器次级线圈中产生的交流电压产生最后的直流高压。电压传感器50和保护器60感测实际的输出电压，产生反馈信号并将其发送给压控器20，由此，防止电压非正常电压电平的施加。
图2示出了用于在高压产生装置内特定通道的显影单元中产生高压的电路。需要不同的通道将预定高压电平分别施加到充电滚筒2、显影滚筒4和传送滚筒5上。
但是，传统的高压产生装置使用模拟控制方法单独精确地控制每个通道的输出，因此，必须校正源于包括RF滤波器和电压控制部分的部件的特征变化所导致的误差。
另外，由于使用了很多的部件，所以很难降低成本，由外部因素引起的各部件中的缺陷可能会导致整个装置的故障。另外，被用做振荡器和电源变换单元中的开关的晶体管也工作于线性区域，所以，晶体管总是被加热。
另外，如图2所示，传统的电压产生装置使用很多部件，运送和组装各个部件需要很长的时间并且为放置所述部件的印刷电路板也需要很大的空间。由于所述部件被固定在PCB上，因此，不容易控制输出电压。
为了克服上述的问题，传统的高压产生装置采用数字控制方法。但是，通过将模拟设备变成特殊应用的集成电路(ASIC)所获得的高压电源(HVPS)通常包括MOSFIT，并且，当该MOSFIT在该晶体管的线性区域执行转换操作时，该开关可能会被损坏。
发明内容
根据本发明实施例的HVPS ASIC应当具有小发热值的转换电路拓扑结构。为此，需要确定转换的最佳操作时间点。当在开关两端的电压都变成最低的情况下执行转换时，该开关的发热值变得最小，这就是该开关的最佳操作时间点。
因此，本发明的目的就是提供一种能够确定最佳转换时间点的高压产生装置及其高压产生方法。
根据本发明范例性方面，提供了一种高压产生装置，包括：用于通过间歇流进连接的电源变压器的初级线圈的电流控制在该电源变压器的次级线圈中产生的电压的转换块、用于提供预定通信接口的数字接口块和用于根据经过数字接口块输入的控制数据控制所述转换块间歇操作的数字控制块。所述数字控制块包括：用于从所述数字接口块接收基准电压并计算所述转换块的转换区段(section)宽度的转换区段宽度计算单元、用于接收所述数字控制块的输出电压并计算与该输出电压的半个周期相对应的计数值的频率计数单元、以及用于在所计算的转换区段宽度和输出电压的计数值的基础上确定转换时间点的转换时间点确定单元。
根据本发明的执行范例，所述转换区段是所产生电压的最小值区段。
另外，转换区段宽度计算单元可以接收所产生电压的反馈信号并基于该反馈信号计算转换区段的宽度。
根据本发明的执行范例，转换时间点的开关接通时间基于下述等式计算：
Ton＝1.5*Tr-0.5*Teff
这里，Tr表示输出电压的半个周期，Teff表示转换区段宽度。
另外，转换时间点的关断时间基于下述等式计算：
Toff＝1.5*Tr+0.5*Teff
这里，Tr表示输出电压的半个周期，Teff表示转换区段宽度。
根据本发明的一执行范例，所述转换块、数字接口块和数字控制块被包含在特殊应用集成电路(ASIC)芯片内。
根据本发明的一执行范例，所述转换块使用单氧化物(mono-oxide)半导体场效应晶体管(MOSFIT)作为间歇操作的开关。
根据本发明的另一范例性方面，提供了一种具有用于产生电压的高压产生装置的成像设备，该高压产生装置包括用于通过间歇流进连接中的电源变压器初级线圈的电流控制在该电源变压器次级线圈中产生的电压的转换块、用于提供预定通信接口的数字接口块和用于根据经过所述数字接口块输入的控制数据控制所述转换块的间歇操作的数字控制块。所述数字控制块包括用于从所述数字接口块接收基准电压并计算该转换块的转换区段宽度的转换区段宽度计算单元、用于接收所述数字控制块的输出电压并计算与该输出电压的半个周期相对应的计数值的频率计数单元以及用于在所计算的转换区段宽度和与所述输出电压的半个周期对应的计数值的基础上确定所述转换块的转换时间点的转换时间点确定单元。
根据本发明的另一范例性方面，提供了一种用于在具有转换块、数字接口块和数字控制块的高压产生装置中产生高压的方法。该方法包括下述步骤：a)从所述数字接口块接收基准电压并计算所述转换块的转换区段宽度；b)接收所述数字控制块的输出电压并计算与该输出电压的半个周期对应的计数值；和c)在所计算的转换区段宽度和与输出电压的半个周期对应的计数值的基础上确定所述转换块的转换时间点，其中，所述转换块通过间歇流进连接中的电源变压器初级线圈的电流控制在该电源变压器次级线圈中产生的电压，和在所述数字控制块根据经过数字接口块输入的控制数据控制所述转换块的间歇操作的同时，所述数字接口块提供预定的通信接口。
根据本发明的执行范例，所述转换区段是所产生的电压的最小值区段。
根据本发明的执行范例，所述方法还包括d)接收所产生电压的反馈信号，并在该反馈信号的基础上计算转换区段宽度。
根据本发明一执行范例，转换时间点的开关接通时间由下述等式计算：
Ton＝1.5*Tr-0.5*Teff
其中，Tr表示输出电压的半个周期，和Teff表示转换区段宽度。
根据本发明的一执行范例，所述转换时间点的开关关断时间有下述等式计算：
Toff＝1.5*Tr+0.5*Teff
其中，Tr表示输出电压的半个周期，和Teff表示转换区段宽度。
根据本发明的一执行范例，所述步骤a)到d)被体现到ASIC芯片中。
根据本发明一执行范例，所述转换块使用MOSFET作为间歇操作的开关。
根据本发明的另一范例性方面，提供了一种成像设备，用于经过高压产生方法在包括转换块、数字接口块和数字控制块的高压产生装置中产生电压。所述方法包括：a)从所述数字接口块中接收基准电压并计算该转换块的转换区段宽度；b)接收所述数字控制块的输出电压并计算与该输出电压的半个周期相对应的计数值；和c)在所计算的转换区段宽度和与输出电压的半个周期相对应的计数值的基础上确定所述转换块的转换时间点。所述转换块通过间歇流进连接中的电源变压器初级线圈的电流控制在该电源变压器次级线圈中产生的电压，在所述数字控制块根据经过所述数字接口块输入的控制数据控制所述转换块的间歇操作的同时，所述数字接口块提供预定的通信接口。
根据本发明另一范例性方面，提供了一种在半导体基底中实现的ASIC芯片。该ASIC芯片包括用于通过流进连接中的电源变压器初级线圈的间歇电流控制在该电源变压器次级线圈中产生的电压的转换块、用于提供预定通信接口的数字接口块、和用于根据经过所述数字接口块输入的数据控制所述转换块的间歇操作的数字控制块。所述数字控制块包括用于从数字接口块接收基准电压并计算该转换块转换区段宽度的转换区段宽度计算单元、用于接收数字控制块的输出电压并计算与该输出电压的半个周期相对应的计数值的频率计数单元、以及用于在所计算的转换区段宽度和输出电压计数值的基础上确定所述转换块的转换时间点的转换时间点确定单元。
根据本发明的执行范例，所述转换区段是所产生电压的最小值区段。
根据本发明的执行范例，所述转换区段宽度计算单元接收所产生电压的反馈信号并基于该反馈信号计算转换区段宽度。
根据本发明的执行范例，基于下述等式计算所述转换时间点的开关接通时间：
Ton＝1.5*Tr-0.5*Teff
其中，Tr表示输出电压的半个周期，而Teff表示转换区段宽度。
根据本发明的一执行范例，基于下述等式计算所述转换时间点的开关关断时间：
Toff＝1.5*Tr+0.5*Teff
其中，Tr表示输出电压的半个周期，而Teff表示转换区段宽度。
根据本发明的一执行范例，所述转换块使用MOSFET作为间歇操作的开关。
附图说明
通过结合附图对本发明的某些实施例的描述，本发明的上述方面和特性将会变得更加明显，在整个附图中，相同的附图标记应当被理解为指相同的部件、成分和结构，其中：
图1示出了传统成像设备的剖面图；
图2示出了传统高压产生装置的范例性电路；
图3的框图示出了根据本发明范例性实施例的高压产生装置；
图4的框图示出了图3的第一数字控制块的范例性实现；和
图5描述了根据本发明范例性实施例的在所述第一数字控制块中确定最佳转换时间点的原理。
具体实施方式
下面将结合附图更加详细地说明本发明的某些范例性实施例。
在下面的描述中，如上所述，相同的附图标记在整个附图中被用于相同的元件。在诸如详细的结构和元件的描述中所定义的事物都是范例性的，提供这些描述仅仅是为了增强对本发明的理解，而不是对本发明范围的限制。因此，很明显，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，可以各种方式执行本发明。另外，为清楚和简要起见，不再描述公知的功能或结构。
图3的框图示出了根据本发明范例性实施例的高压产生装置。参看图3，所述高压产生装置包括数字接口块100；振荡块130；上电复位块150；第一到第四数字控制块200、300、400和500；第一到第四转换块270、370、470和570。数字接口块100、振荡块130、上电复位块150、第一到第四数字控制块200、300、400和500以及第一到第四转换块270、370、470和570被包含在一个ASIC芯片中。
第一到第四转换块270、370、470和570中的每一个都被连接到具有电源变压器和电源分配电路的输出单元。为清楚和便于解释，图3示出了仅被连接到第一转换块270的第一输出单元650的情况。
数字接口块100从引擎控制单元接收用于控制输出电压的波形和强度的控制数据。该控制数据具有其中基于占空比确定输出电压电平的脉宽调制(PWM)、通用异步接收机/发射机(UART)、其中经过串行通信或诸如交互串行总线12C的串行通信接口在设备之间交换数据的串行外围接口(SPI)的数据格式。
数字接口块100将从所述引擎控制单元发送的控制数据的格式转换成预定的格式，并将该控制数据发送给第一到第四数字控制块200、300、400和500，以用做确定输出电压波形的时间常数data1、data2、data3和data4，以及用于确定输出电压强度的控制基准电压值V011*、V02*、V032*和V044*。
第一到第四数字控制块200、300、400和500具有相同的结构和功能。它们将从数字接口块100发送的控制基准电压值V011*、V02*、V032*和V044*中的每一个与通过感测每个通道的实际输出电压和执行反馈所获得的信号(V0)进行比较。然后，它们基于该比较结果使用信号(V0)作为与第一到第四转换块270、370、470和570对应的开关的操作信号。
在所述ASIC芯片上也提供第一到第四转换块270、370、470和570，以及它们使用单氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)M1、M2、M3和M4作为开关。当从第一到第四控制块200、300、400和500输出的操作信号被施加给所述MOSFET的栅极时，形成第一到第四转换块270、370、470和570，以控制流经通过导通/截止而被串联连接到漏极的电源变压器的初级线圈的电压。使用所述MOSFET代替晶体管减少或抑制了对用于防止晶体管发热的热辐射板的需要。
第一输出单元650包括电源变压器、电压分配器和整流器。电压分配器被串联连接到开关，并根据所述开关的导通/截止操作形成串行振荡并产生交流(AC)信号。因此，在所述电源变压器的次级线圈中产生具有高电势的AC电压。
电源分配器和整流器基于输出电压的范围整流和使用在电源变压器的次级线圈中产生的AC电压，或者，它们经过电压乘法电路提升所述电压并使用经过提升的最终输出电压。高压产生装置600包括作为时钟发生器的振荡块130和当上电时用于提供复位信号的上电复位块150。形成施加到高压产生装置600上的电源，以便提供用于提供高压的24V电源和用于操作集成电路(IC)的VDD。
具有上述结构的高压产生装置通过根据从所述引擎控制单元发送的控制数据控制每个通道的输出单元来产生高压。
图4的框图示出了图3的第一数字控制块。图5示出了根据本发明实施例的在第一数字控制块中确定最佳转换时间点的原理。
图5的波形示出了第一转换块270的开关的两端电压沿时间轴的变化。所述电压具有正弦电压特性，并具有经过振荡器电路的规则频率。
参看图4和5，下面将描述根据本发明实施例的在第一数字控制块200中确定最佳转换时间点的原理。第一数字控制块200包括转换区段宽度计算单元210、频率计数单元250、转换时间点区段单元270和栅极驱动(gatedriving)单元290。转换区段宽度计算单元210包括SPI211、A/D213、ZOH215、加法器217、PI控制器219和限幅器221。
频率计数单元250包括比较器251、计数器253和OSC255。
转换区段宽度计算单元210的SPI211、A/D213、ZOH215和加法器217将从数字接口块100发送的控制基准电压值(V0 *)与对实际输出电压执行反馈所获得的电压(V0)相比较，并将比较结果发送给PI控制器219。
PI控制器219将输出电压控制成预定的电平。它将所述控制基准电压(V0 *)与通过对实际输出电压执行反馈所获得的电压(V0)进行比较，并基于该比较的结果计算转换区段宽度(Teff)。
根据本发明的执行范例，所述转换区段宽度是图5所示的正弦波形的最低电压区段。当在所述最低电压区段中执行转换时，减少了所述开关的热产生量，从而获得最小的转换损失。
第一数字控制块200的输出电压值可以被定义为开关执行转换有效时间的转换区段宽度(Teff)。
频率计数单元250的比较器251检测被用作开关的MOSFET的两端的电压，由此检测过零状态。在范例实施例中，过零状态处的电压是24V。
另外，计数器253根据在比较器251中检测的过零状态计算计数值，直到再次出现初始过零状态为止。在计数器253中计算的计数值对应于第一数字控制块200的输出电压(Vout_x)的半个周期(Tr)。
随后，将与在计数器中计算的半个周期Tr对应的计数值发送给转换时间点确定单元270。转换时间点确定单元270基于从转换区段宽度计算单元210发送的转换区段宽度和与从频率计数单元250发送的输出电压(Vout_x)的半个周期(Tr)对应的计数值计算在第一转换块270中的实际转换通/断时间。在转换时间点确定单元270中的计算如下述等式1和2所示；
Ton＝1.5*Tr-0.5*Teff     等式1
Toff＝1.5*Tr+0.5*Teff    等式2
其中，Tr表示输出电压的半个周期，而Teff表示转换区段宽度。
为了在等式1和2的基础上解释在转换时间点确定单元290中的计算，通过将来自第一数字控制块200的输出电压(Vout_x)的半个周期(Tr)乘以1.5获得用于达到其中输出电压(Vout_x)的强度是基于24V的最低强度的正弦波形的最低点的时间。
当从达到所述正弦波形的最低点的时间中减去通过将是开关执行转换的有效时间的转换区段宽度(Teff)乘以0.5所获得值时，计算与在第一转换块270中实际转换‘接通’所对应的时间‘TON’。当将通过将是开关执行转换操作的有效时间的转换区段宽度(Teff)乘以0.5所获得的值加到达到所述正弦波形最低点的时间时，计算与第一转换块270中实际转换‘关断’所对应的时间‘TOFF’。
转换时间点确定单元270基于上面所计算的‘TON’和‘TOFF’产生将被施加到被用作开关的MOSFET的栅极上的PWM型栅极信号(Vout_x)。
同时，第二到第四数字控制块300、400和500具有与第一数字控制块200相同的结构和功能。
如上所述，根据本发明的范例性实施例，通过减少热产生量，可以防止开关损坏。另外，由于转换时间点是通过直接检测在该开关两端处的电压而设置的，因此，即使当在负载中存在波动时，也能够建立最佳的转换区段。另外，根据本发明范例性实施例的高压产生装置具有比基于载波比较(carriercomparision)的传统PWM产生电路更简单的电路，并且它能够确定精确的转换时间点。
前述的实施例和优点仅仅是举例性质的，并不是用于限制本发明的范围和精神。本发明的教导可以很容易地被用于其它类型的装置。因此，本发明的范例性实施例仅仅是用于示出，并不用于限制本发明的范围，本发明的范围是由所附权利要求书及其等效物定义的。很明显，本领域的技术人员可以做出很多替换、修改和变化。

Claims (16)

1.一种高压产生装置，包括：
转换块，用于通过间歇流进电源变压器初级线圈的电流控制在该电源变压器次级线圈中产生的电压；
数字接口块，用于提供通信接口；和
数字控制块，用于根据经过所述数字接口块输入的控制数据控制所述转换块的间歇，
其中，所述数字控制块包括：
转换区段宽度计算单元，用于从所述数字接口块接收基准电压，并计算所述转换块的转换区段宽度；
频率计数单元，用于接收所述数字控制块的输出电压并计算与该输出电压的半个周期相对应的计数值；和
转换时间点确定单元，用于基于所计算的转换区段宽度和所计算的计数值确定所述转换块的转换时间点，
其中确定转换时间点的开关接通时间包括基于下述等式的计算：
Ton＝1.5*Tr-0.5*Teff
确定转换时间点的开关关断时间包括基于下述等式的计算：
Toff＝1.5*Tr+0.5*Teff
其中，Tr表示输出电压的半个周期，而Teff表示转换区段宽度。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述转换区段包括在其间所产生电压为最小值的时段。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述转换区段宽度计算单元接收所产生电压的反馈信号并基于该反馈信号计算所述转换区段宽度。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述转换块、所述数字接口块和所述数字控制块中的至少一个被包含在特殊应用集成电路芯片中。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述转换块包括作为用于间歇的开关的单氧化物半导体场效应晶体管。
6.一种包括如权利要求1所要求的高压产生装置的成像设备。
7.一种产生高压的方法，该方法包括：
从高压产生装置的数字接口块中第一接收基准电压；
第一计算所述高压产生装置的转换块的转换区段宽度；
第二接收所述高压产生装置的数字控制块的输出电压；
第二计算与所述输出电压的半个周期对应的计数值；和
基于所计算的转换区段宽度和所计算的计数值确定所述转换块的转换时间点；
其中，所述转换块通过间歇流进电源变压器初级线圈的电流控制在该电源变压器次级线圈中产生的电压，所述数字接口块提供通信接口，并且所述数字控制块根据经过所述数字接口块输入的控制数据控制所述转换块的间歇操作，
其中确定转换时间点的开关接通时间包括基于下述等式的计算：
Ton＝1.5*Tr-0.5*Teff
确定转换时间点的开关关断时间包括基于下述等式的计算：
Toff＝1.5*Tr+0.5*Teff
其中，Tr表示输出电压的半个周期，而Teff表示转换区段宽度。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述转换区段包括在其间所产生电压为最小值的时段。
9.如权利要求7所述的方法，还包括第三接收所产生电压的反馈信号并基于该反馈信号计算所述转换区段宽度。
10.如权利要求7所述的方法，其中，第一接收、第二接收、第一计算、第二计算和确定当中的至少一个在特殊应用集成电路芯片中执行。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述间歇包括使用单氧化物半导体场效应晶体管作为转换块中的开关。
12.一种利用成像设备成像的方法，该方法包括如权利要求7所述的产生高压的方法。
13.一种在半导体基底上的特殊应用集成电路，包括：
转换块，用于通过间歇流进连接中的电源变压器的初级线圈的电流控制在该电源变压器次级线圈中产生的电压；
数字接口块，用于提供通信接口；和
数字控制块，用于根据经过所述数字接口块输入的控制数据控制所述转换块的间歇；
其中，所述数字控制块包括：
转换区段宽度计算单元，用于从所述数字接口块中接收基准电压并计算所述转换块的转换区段宽度；
频率计数单元，用于接收所述数字控制块的输出电压并计算与该输出电压的半个周期相对应的计数值；和
转换时间点确定单元，用于在所计算的转换区段宽度和所计算的计数值的基础上确定所述转换块的转换时间点，
其中确定转换时间点的开关接通时间包括基于下述等式的计算：
Ton＝1.5*Tr-0.5*Teff
确定转换时间点的开关关断时间包括基于下述等式的计算：
Toff＝1.5*Tr+0.5*Teff
其中，Tr表示输出电压的半个周期，而Teff表示转换区段宽度。
14.如权利要求13所述的特殊应用集成电路，其中，所述转换区段包括在其间所产生电压为最小值的时段。
15.如权利要求13所述的特殊应用集成电路，其中，所述转换区段宽度计算单元接收所产生电压的反馈信号并基于该反馈信号计算所述转换区段宽度。
16.如权利要求13所述的特殊应用集成电路，其中，所述转换块包括作为用于间歇的开关的单氧化物半导体场效应晶体管。
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