CN102223089A - 一种大范围线性可调高精度的高压电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大范围线性可调高精度的高压电路，该电路主要包括：变压器、倍压整流电路、反馈电路、积分调节器和开关电路，其特征在于，所述高压电路还包含：线性稳压器电路；开关电路的两个输入端接两路MOSFET的控制信号，其输出端与所述变压器的初级线圈两端相连；积分调节器的正端接高压设定信号，其中该信号为高压输出电压的-1/2000；线性稳压器电路的电压调节引脚与积分调节器的输出端相连，其输出端与变压器初级线圈的中间抽头相连，该输出端实现0V到11.25V之间连续电压调节。MOSFET采用IR公司的Logic Level类型的IRLR120N，其栅极驱动信号直接由外部的FPGA或者单片机等控制电路产生，当外部控制电路不输出栅极驱动信号时，高压电路处于不工作状态，实现对高压输出使能和禁止。

Description

一种大范围线性可调高精度的高压电路

技术领域

本发明涉及一种大范围线性可调、高精度的高压电路，该高压电路可以用于空间低能量(十几eV到几十keV)离子或电子的测量，具体涉及一种大范围线性可调高精度的高压电路。

背景技术

空间低能量(十几eV到几十keV)离子或电子的测量中，传感器一般都使用静电分析器。静电分析器用于选择特定能量电荷比(E/q)的离子或电子进入传感器内部。E/q与静电分析器所加的电压大小成正比，因此为了实现十几eV到几十keV能量的离子或电子的测量，通常需要静电分析器上的电压从几伏到几千伏连续可调，并且为了实现准确的测量，要求高压输出要稳定。

现有技术中为了实现输出高压可调，开关管一般有两种控制方式：一是控制开关管的导通时间，即调节开关管的占空比；二是调节开关管的导通程度，即控制开关管的导通电流。方式一中开关管导通时始终处在饱和区，因此开关管的功耗小、发热量小，但是当占空比很低时，高压输出难以实现稳定，所以高压输出很难实现几伏到几千伏连续可调，尤其是低端(小于几十伏)非常困难。方式二中开关管工作于线性区，因此开关管的功耗和发热量比方式一都要大，但此种方式电压可调节范围比方式一要大，不过当输出电压到达几伏时，输出也不太稳定，从而导低端误差比较大。

静电分析器所需要的高压电源为高压小电流类型高压电源，因此目前国内外静电分析器的高压电源大多数都采用如图所示的结构，该电路由积分调节器、开关电路、变压器、倍压整流电路和反馈电路等部分构成。该结构中变压器的中心抽头加固定电源(如+12V)通过积分调节器的输出电压控制两个三极管的导通程度，从而控制变压器初级线圈输入电压，最终实现高压输出的控制，但是该结构的缺点是三极管绝大多数时间工作在线性区(只有在输出最高电压时才工作在饱和区)，因此功耗较大；另外该结构在高压输出较低时(如几伏)输出电压不太稳定，具体电路如图1所示。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术的高压电路的变压器的初级线圈的中间抽头接固定的输入电压导致的高压电路在输出电压较低时(如几伏)输出电压不太稳定的问题；同时，为克服现有技术的高压电路的开关管在导通时多工作于线性状态，导致的功耗很大的问题，从而提供一种大范围线性可调高精度的高压电路。

为了实现上述目的本发明的一种大范围线性可调高精度的高压电路，该电路主要包括：变压器、倍压整流电路、反馈电路、积分调节器和开关电路，其特征在于，所述高压电路还包含：与所述积分调节器输出端和所述变压器初级线圈的中间抽头相连的线性稳压器电路；所述线性稳压电路包含一线性稳压器，所述线性稳压器的输入端接大于等于+12V电源，输出端接所述变压器的中心抽头；所述线性稳压器的电压调节引脚与所述积分调节器的输出端相连；该稳压器输出端实现0V到11.25V之间连续电压调节；其中，其中，所述积分调节器的正端接高压设定信号，其中该信号为高压输出电压的-1/2000，可选的-1/2000是高压设定信号最大值与高压输出最大值的比值，本设计中高压设定值最大值为+4V，而高压输出最大值为-8000V，因此此值为-1/2000。如果高压设定信号最大值为+8V，高压输出最大值为-8000V，则此值为-1/1000。现有技术也是通过积分调节器输入此高压设定信号。

上述技术方案中，所述线性稳压器的输出端还通过一电容接地，用于稳定线性稳压器输出端电压；所述线性稳压器的电压调节引脚与输出端经由一电阻相连。

可选的，所述线性稳压器采用LT1085型号，该型号输出引脚电压值比电压调节引脚的电压值高1.25V；所述型号稳压器输出引脚和电压调节引脚之间接470Ω电阻；所述型号稳压器输出引脚还通过一22μF/35V电容接地。

可选的，所述积分调节器包含运算放大器、电阻和电容；所述电阻和电容并联连接于所述运算放大器的负向输入端和输出端之间；其中，所述积分调节器的输出接所述线性稳压器的电压调节引脚，控制所述线性稳压器的输出电压。

可选的，所述反馈电路进一步包含依次串联的一组分压电阻、一保护电路、一跟随器和一反相；所述倍压整流电路输出的高压通过分压电阻分压将高压输出按比例转换为低压，同时使用保护电路对低压电路进行保护；经过保护电路的电压信号依次输入跟随器和反相器，经所述反相器进行反相，该反相输出信号与所述积分调节器的负向输入端相连作为所述积分调节器的反馈信号。

所述一组分压电阻为：两个分压电阻串联，它们的连接点为分压值，高阻值电阻的另一端接高压输出，低阻值电阻另一端接地。低阻值电阻阻值与高阻值电阻阻值的比值为高压设定信号最大值与高压输出最大值的比值。所述保护电路为：分压电阻输出接一1k欧姆到10k欧姆的限流电阻，之后接两个二极管，其中一个二极管的阴极接+12V并且阳极接限流电阻，另一个二极管的阳极接-12V并且阴极接限流电阻。所述反相器的输出作为高压检测值给外部电路，进行高压输出的检测，确认高压输出是否正确。

可选的，所述变压器的初级采用推挽结构，变压器的变压比为1∶1∶50，其中，所述变压器初级的两个绕组并绕；层间进行足够的绝缘处理；次级采用多股导线并绕或采用多个绕组Z型串联方式绕制。

所述倍压整流电路使用电容和二极管实现串联倍压整流，因此可以采用耐压值较低的电容，所述倍压整流电路采用8阶。

作为本发明的又一改进，所述开关电路采用两个金属氧化物半导体场效应管作为开关管，每个金属氧化物半导体场效应管的栅极接输入的3.3伏或5伏的相位相反的数字脉冲信号，每个金属氧化物半导体场效应管的源极接地，这使得使金属氧化物半导体场效应管导通时工作于饱和区，金属氧化物半导体场效应管漏极与所述变压器初级线圈两端相连。改进的所述每个金属氧化物半导体场效应管的栅极和源极之间各接各接一10k～1M欧姆的电阻到地。所述相反的脉冲信号的占空比15％且频率为15K。

本发明电路的工作过程为：首先控制电路输出两路相位相反的脉冲信号(所述相反的脉冲信号的占空比15％，频率为15K)，控制两个MOSFET交替导通；初始状态下高压设定信号为0V，反馈电路的电压输出为0V，积分调节器输出为-1.25V，LT1085的输出电压为0V，即变压器的初级线圈电压为0V，从而高压输出为0V，系统稳定在此状态；当需要高压输出时，高压设定信号设定为-高压输出值/2000，此电压作为设定值给积分调节器，由于反馈电路反馈给所述积分调节器负端得电压小于高压设定信号，则所述积分调节器输出电压升高，进而与所述积分调节器输出端相连的线性稳压器的输出电压增加，此后与该线性稳压器输出端相连的变压器初级线圈电压增加，最后与所述变压器次级线圈相连的倍压整流输出高压；当反馈电路的电压等于给高压设定信号时，所述积分调节器输出电压停止增加，电路达到新的稳定工作状态。

本发明的优点在于，本发明提供一种大范围线性可调、高精度的高压电路设计方法，同时该方法可以保证开关管的低功耗工作状态，即本发明巧妙使用输出可调节的线性稳压器实现变压器初级线圈电压的线性调节，从而实现高压输出的线性可调。此外，作为本发明的进一步优化采用Logic Level的MOSFET，其驱动信号可直接由FPGA或单片机等控制电路的IO输出实现，并且开关管导通时始终工作在饱和区。MOSFET开关管的控制信号由外部电路提供，使得外部控制电路可以根据工作情况改变工作频率和占空比，并实现高压使能和禁止。

附图说明

图1是现有技术的高压电路的电路图；

图2是本发明的一种大范围线性可调高精度的高压电路原理图。

附图标识：

101、开关电路  102、变压器      103、倍压整流电路

104、反馈电路  105、积分调节器  106、线性稳压器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

本发明涉及一种大范围线性可调、高精度的高压电路，该高压电路可以用于空间低能量(十几eV到几十keV)离子或电子的测量。

图2是本发明的高压电路实施例的原理图，该高压电路产生负高压输出。该电路主要包括：开关电路101、变压器102、倍压整流电路103、反馈电路104、积分调节器105、线性稳压器106。图中PULSE_A和PULSE_B为MOSFET的控制信号；REF_HV为高压输出的设定信号，该信号为高压输出电压的-1/2000；HV_MONITOR为高压检测输出，该输出为高压输出电压的-1/2000。

线性稳压器106使用Linear公司的LT1085，该器件的OUT引脚和ADJ引脚之间的电压始终保持为1.25V，因此通过调节ADJ引脚的电压，可以实现输出电压的控制OUT。该器件多数情况下应用于给其它电路提供固定电压输出，输出电压值通过OUT引脚与ADJ引脚之间的电阻以及ADJ与地之间的电阻来设定。本发明中，通过变压器的初级电压调节实现高压输出的调节，因此要求LT1085的输出电压要在在0V到11.25V(对应最高电压8000V)之间连续调节。当ADJ引脚的电压为-1.25V时，OUT引脚的输出电压为0V；当ADJ引脚为10V时，OUT引脚的输出电压为11.25V。由于LT1085的输出需要保证最小工作电流，因此在LT1085的输出端和ADJ引脚之间接470Ω电阻R10；LT1085的输出端的22μF/25V电容用于保持输出电压的稳定。

运算放大器U1及电阻R1、C1构成积分调节器105。外部输入的高压设定信号REF_HV接积分调节器的正端作为高压设定值，积分调节器的输出接LT1085的ADJ引脚，控制LT1085的输出电压。

反馈电路104由分压电阻、保护电路、跟随器和反相器等部分组成。倍压整流输出的高压通过分压电阻R2(1000M)、R3(500K)分压及保护电路(R4、D17、D18构成保护电路，防止高压放电造成运放的损坏)。运算放大器U2接成跟随器形式，为减小运放的输入偏置电流对于分压的影响，需要选用偏置电流尽量小的运放，本设计中选用TI公司的TLE2161。当输出高压为2V时，R3分得的电压仅为1mV；TLE2161的偏置电流典型值为5pA，其在R3上产生的电压仅为2.5μV，可以忽略。U3对U2输出的电压进行反相，输出作为积分调节器的反馈信号。U3的输出作为高压检测值给外部电路，进行高压输出的检测。

开关电路101主要由两个MOSFET构成。由于此类高压电路多数都有外部控制电路(FPGA或者单片机等)进行控制，因此MOSFET使用IR公司的Logic Level类型的IRLR120N(其开启电压仅为1～2V)，其栅极驱动信号可直接由外部的FPGA或者单片机等控制电路产生，而不需要专门的脉冲发生电路，从而减少所需要的元器件种类。另一方面，当外部控制电路不输出栅极驱动信号时，高压电路处于不工作状态(即高压禁止状态)，可以很方便地对高压输出使能和禁止。

变压器102的初级采用推挽结构，可以防止变压器出现饱和状态。变压器的变比为1∶1∶50，初级的两个绕组并绕；层间进行足够的绝缘处理；次级采用多股导线并绕，减小趋肤电流的影响；次级采用多个绕组Z型串联方式绕制，减小分布电容。

倍压整流电路103采用串联方式，这种方式的优点是每个电容的电压不会超过变压器峰值电压的两倍，可以选用耐压值较低的电容。本设计中共采用8阶(16倍压)。

当需要高压输出时，首先外部控制电路输出两路相位相反的脉冲信号(占空比15％，频率15K，参数也可根据工作情况调节)，控制两个MOSFET交替导通。初始状态下外部输入的高压设定信号REF_HV为0V，反馈电压输出为0V，积分调节器输出为-1.25V，LT1085的输出电压为0V，即变压器的初级线圈电压为0V，从而高压输出为0V，系统稳定在此状态。当需要高压输出时，外部输入的高压设定信号(REF_HV)设定为-高压输出值/2000，此电压作为设定值给积分调节器，由于反馈电压小于设定值，因此U1输出电压升高(即LT1085的ADJ输出电压增加)，从而LT1085的输出电压增加(变压器初级线圈电压增加)，倍压整流输出高压。当反馈电压等于给定值时，积分调节器输出停止增加，电路达到新的稳定工作状态。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种大范围线性可调高精度的高压电路，该电路主要包括：变压器、倍压整流电路、反馈电路、积分调节器和开关电路，其特征在于，所述高压电路还包含：设置在所述积分调节器输出端和所述变压器初级线圈的中间抽头之间的线性稳压电路；

所述线性稳压电路包含一线性稳压器，所述线性稳压器的输入端接大于等于+12V电源，输出端接所述变压器的中心抽头；所述线性稳压器的电压调节引脚与所述积分调节器的输出端相连；该稳压器输出端实现0V到11.25V之间连续电压调节。

2.根据权利要求1所述的大范围线性可调高精度的高压电路，其特征在于，所述线性稳压器的输出端还通过一电容接地，用于稳定线性稳压器输出端电压。

3.根据权利要求1所述的大范围线性可调高精度的高压电路，其特征在于，所述线性稳压器的电压调节引脚与输出端经由一电阻相连。

4.根据权利要求1、2或3所述的大范围线性可调高精度的高压电路，其特征在于，所述线性稳压器采用LT1085型号，该型号输出引脚电压值比电压调节引脚的电压值高1.25V；

所述型号稳压器输出引脚和电压调节引脚之间接450～560Ω电阻；

所述型号稳压器输出引脚还通过一22μF/35V电容接地。

5.根据权利要求1所述的大范围线性可调高精度的高压电路，其特征在于，所述开关电路采用两个金属氧化物半导体场效应管作为开关管，每个金属氧化物半导体场效应管的栅极接输入的3.3伏或5伏的相位相反的数字脉冲信号，每个金属氧化物半导体场效应管的源极接地，漏极与所述变压器初级线圈两端相连。

6.根据权利要求5所述的大范围线性可调高精度的高压电路，其特征在于，所述每个金属氧化物半导体场效应管的栅极和源极之间各接一10k～1M欧姆的电阻到地；所述3.3伏或5伏的相位相反的数字脉冲信号可由单片机或FPGA芯片提供。

7.根据权利要求5所述的大范围线性可调高精度的高压电路，其特征在于，所述相反的脉冲信号的占空比15％且频率为15K。

8.根据权利要求1所述的大范围线性可调高精度的高压电路，其特征在于，所述积分调节器包含运算放大器、电阻和电容；所述电阻和电容并联连接于所述运算放大器的负向输入端和输出端之间。

9.根据权利要求1所述的大范围线性可调高精度的高压电路，其特征在于，所述反馈电路进一步包含依次串联的一组分压电阻、一保护电路、一跟随器和一反相；所述倍压整流电路输出的高压通过分压电阻分压将高压输出按比例转换为低压，同时使用保护电路对低压电路部分进行保护；经过保护电路的电压信号依次输入跟随器和反相器，经所述反相器进行反相，该反相输出信号与所述积分调节器的负向输入端相连作为所述积分调节器的反馈信号。

Images