CN103023328B - 高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路包括光输入电路、电流差检测电路、光电流跟踪电路、采样输出电路及误差放大器；所述光输入电路依次通过所述电流差检测电路与所述光电流跟踪电路连接；所述光电流跟踪电路分别与所述采样输出电路、误差放大器连接。本发明提供的高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路，由于在高压输出端与电源输入端之间只有一处隔离，从而简化电路，降低成本。

Description

高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路

技术领域

本发明涉及电压检测技术领域，特别涉及一种高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路。

背景技术

高压开关电源是半导体制造设备中的重要组件，广泛使用于注入机、ALD（Atomiclayerdeposit，原子层沉积）、刻蚀机等等设备。在半导体制造设备中，要求高压开关电源必须符合以下两个特征：1.具有可控制输出电压的功能，在外部信号的控制下，电源应可以输出几十伏直至几千伏的任意电压。2.高压输出端与供电端在电气上完全隔离，以实现电源极性可变，并保证人员与设备的安全。

高压开关电源的整体结构如图1所示。输入的电源经工频整流滤波后，由功率驱动器产生高频交流电，驱动变压器实现升压，再通过高频整流滤波电路变为高压直流电作为高压开关电源的最终输出。电压检测电路在整个高压开关电源中的作用是测量最终输出的电压，并传送给反馈控制电路，反馈控制电路根据输出电压调节功率驱动器上的高频交流电参数，从而调节最终输出电压，使其稳定在设定值。根据半导体制造设备的要求，电压检测电路必须是隔离式的，也就是说它在电源输入一边和在高压输出一边的电路之间，没有任何电气连接。

在现有技术中，一种方案的高压开关电源的电压电流检测电路如图2所示。高压输出经分压电阻R1、R2分压后，与电压设置信号进行误差放大，再传送至主控电路。该方案至少需要三处跨越高压输出一边与电源输入一边，必须进行如下隔离：

1.电压设置信号传送至误差放大器，需要保持其电压信息，必须由线性光耦进行隔离。

2.误差放大器至主控电路的信号需要由光耦进行隔离。

3.误差放大器和线性光耦在高压输出一边需要由电源供电，而该供电电源必须由电源输入一边提供，而且与电源输入一边隔离。

如果将误差放大器置于电源输入一边，可以省去误差放大器之后的光耦，但必须在分压后的高压信号与误差放大器之间使用线性光耦进行隔离，如图3所示的现有技术第二种方案。

可见，现有技术方案比较复杂，需要多个隔离器件，其中线性光耦成本较高；若要隔离数千伏的电压，电源隔离部分较难实现。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种简化电路，降低成本的高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路。

根据本发明的一个方面，提供一种高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路包括：光输入电路、电流差检测电路、光电流跟踪电路、采样输出电路及误差放大器；所述光输入电路通过所述电流差检测电路与所述光电流跟踪电路连接；所述光电流跟踪电路分别与所述采样输出电路、误差放大器连接。

进一步地，所述光输入电路包括电阻R1、光耦合器OC1中的发光二极管；所述电阻R1与所述光耦合器OC1中的发光二极管串联。

进一步地，所述电流差检测电路包括光耦合器OC1中的光敏器件、光耦合器OC2中的光敏器件、电阻R2及电阻R3；

所述光耦合器OC1中的光敏器件与所述电阻R2连接；所述光耦合器OC2中的光敏器件与所述电阻R3连接；所述R2与所述R3并联，并都接地。

进一步地，所述光电流跟踪电路包括运算放大器A1、光耦合器OC2中的发光二极管；所述运算放大器A1的同相输入端连接在所述光耦合器OC1中的光敏器件与所述电阻R2之间；所述运算放大器A1的反相输入端连接在所述R3与所述光耦合器OC2中的光敏器件之间；所述运算放大器A1的输出端与所述光耦合器OC2中的发光二极管连接。

进一步地，所述采样输出电路是电阻R4，所述电阻R4分别与所述光耦合器OC2中的发光二极管、所述误差放大器连接。

进一步地，所述光敏器件包括光敏二极管、光敏三极管或光敏达林顿晶体管。

本发明提供的高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路，由于在高压输出端与电源输入端之间只有一处隔离，从而简化电路，降低成本。

附图说明

图1是高压开关电源的结构框图；

图2是一现有高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路的结构示意图；

图3是另一现有高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路用在高压开关电源的结构示意图。

本发明目的、功能及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

如图4所示，本发明实施例提供的高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路包括光输入电路1、电流差检测电路2、光电流跟踪电路3、采样输出电路4及误差放大器（图中未示出）。光输入电路1通过电流差检测电路2与光电流跟踪电路3连接。光电流跟踪电路3分别与采样输出电路4、误差放大器连接。其中，光输入电路1包括电阻R1、光耦合器OC1中的发光二极管。电阻R1与光耦合器OC1中的二极管串联，并连接到开关电源的高压输出端。电流差检测电路2包括光耦合器OC1中的光敏器件、光耦合器OC2中的光敏器件、电阻R2及电阻R3。光耦合器OC1中的光敏器件与电阻R2连接。光耦合器OC2中的光敏器件与电阻R3连接。R2与R3并联，并都接地。光电流跟踪电路3包括运算放大器、光耦合器OC2中的发光二极管。运算放大器A1的同相输入端连接在光耦合器OC1中的光敏器件与电阻R2之间。运算放大器A1的反相输入端连接在R3与光耦合器OC2中的光敏器件之间。运算放大器A1的输出端与光耦合器OC2中的发光二极管连接。电阻R1接收光耦合器OC1输出的电流得到电压VR1。电阻R2接收光耦合器OC2输出的电流得到电压VR2。运算放大器A1将电阻R2和R3上电压之差VR2-VR3放大。采样输出电路4是电阻R4。电阻R4分别与光耦合器OC2中的发光二极管、误差放大器连接。在电阻R4上获得的电压VR4作为部分的输出电压，传送给误差放大器。光敏器件包括光敏二极管、光敏三极管或光敏达林顿晶体管。

电阻R2、R3，运算放大器A1构成的负反馈环路使得光耦合器OC2的输出端电流等于光耦合器OC1的输出端电流。由于光耦合器OC1与光耦合器OC2参数、工作环境一致，此时光耦合器OC2的输入端电流等于光耦合器OC1的输入端电流，即电阻R1与电阻R4中的电流相等；光耦合器OC1输入端产生的电压降相对于高压电源输出电压可以忽略，所以电阻R1中的电流等于高压输出电压（HV+与HV-之间的电压，记为Vh）除以电阻R1的阻值；输出电压即电阻R4上的电压等于Vh*R4/R1，从而测量出高压输出电压Vh；电阻R4除作为测量电压之用外，还起到保护光耦合器OC2的输入端、运算放大器A1的输出端不至于过流的作用。

本发明实施例提供的高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路相对图3所示的隔离式电压电流检测控制电路，在省去了高压部分供电和电源隔离部分的情况下，可以获知高压输出端电压。该隔离式电压电流检测控制电路适用于“数字电源”场合，即将该电压进行模数转换后再用数字的方法进行反馈控制的场合；适用于测量高压端参数用于过压过流保护的场合。

如图5所示，本发明实施例提供的高压开关电源，其包括图4所示的隔离式电压电流检测控制电路。该高压开关电源输出电压范围0~2KV，输出电压由0~2mA电流控制，输出端限流保护电流20mA。可运用图3所示的隔离式电压电流检测电路测量高压输出端的电流。高压侧的负载电流直接通过光耦合器OC1的发光二级管，在反馈的作用下，该电流将被拷贝至R4上，设计20mA电流转换为2V电压，取R4=100Ω。运算放大器A1要求能够输出20mA以上的电流。稳压二极管D1、电阻R1对光耦合器OC1输入端发光二级管起保护作用，在高压电源出现短时间脉冲大电流时，保护发光二极管不被损坏。该高压开关电源还包括由电阻R5、R6、R7、光耦合器OC3、光耦合器OC4构成的另一隔离式电压电流检测控制电路。

隔离式电压电流检测控制电路、主控电路、功率驱动器、变压器、高频整流电路构成一个反馈控制环，使高压开关电源输出一个受电流Ic控制的电压Vh，满足Vh=Ic*1MΩ，即1mA对应1KV。隔离式电压电流检测控制电路与过流保护电路实现过流保护功能，当电流即将超过20mA时，通过主控电路降低开关电源的输出电压，将电流限制在20mA。

本发明的方案不仅仅局限于隔离式电压测量，对高压侧电路稍作修改，同样可以用于电流测量、功率测量等所有需要高压端与供电端隔离的场合；本发明的方案不仅仅用于高压开关电源，同样可以用于隔离式信号采集、隔离式传感器等所有具有“前后级隔离”和“前级不需要供电”这两项要求的场合。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路，其特征在于，包括：

光输入电路、电流差检测电路、光电流跟踪电路、采样输出电路及误差放大器；

所述光输入电路通过所述电流差检测电路与所述光电流跟踪电路连接；所述光电流跟踪电路分别与所述采样输出电路、误差放大器连接；

所述电流差检测电路包括光耦合器OC1中的光敏器件、光耦合器OC2中的光敏器件、电阻R2及电阻R3；所述电阻R2的一端与所述光耦合器OC1中的光敏器件连接；所述电阻R3的一端与所述光耦合器OC2中的光敏器件连接；所述电阻R2的另一端与所述电阻R3的另一端连接后接地；

所述光电流跟踪电路包括运算放大器A1、光耦合器OC2中的发光二极管；所述运算放大器A1的同相输入端连接在所述光耦合器OC1中的光敏器件与所述电阻R2之间；所述运算放大器A1的反相输入端连接在所述电阻R3与所述光耦合器OC2中的光敏器件之间；所述运算放大器A1的输出端与所述光耦合器OC2中的发光二极管的正极连接；

所述电阻R2、电阻R3及运算放大器A1构成的负反馈环路使得光耦合器OC2的输出端电流等于光耦合器OC1的输出端电流；

所述采样输出电路是电阻R4，所述电阻R4一端与所述光耦合器OC2中的发光二极管的负极连接，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路，其特征在于，所述光输入电路包括：

电阻R1、光耦合器OC1中的发光二极管；所述电阻R1与所述光耦合器OC1中的发光二极管串联。

3.根据权利要求1所述的高压开关电源的隔离式电压电流检测控制电路，其特征在于：

所述光敏器件包括光敏二极管、光敏三极管或光敏达林顿晶体管。