CN109343628A - 一种高压线性稳压源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高压线性稳压源，包括高压辅助源和线性稳压电路，所述线性稳压电路包含工作在线性区域的开关管和控制电路，所述高压辅助源与所述控制电路连接，为所述控制电路供电，所述控制电路的输出端与所述开关管连接，通过所述控制电路的输出信号控制所述开关管来实现稳定的高压输出。本发明的有益效果是：适用于高压输出的场合、电路简单、元器件电压应力低（无需承受高压应力）、成本低、可靠性高、同时可以实现高的输出电压准确度和负载稳定。
Description
技术领域
本发明涉及线性稳压源，尤其涉及一种高压线性稳压源。
背景技术
在高压输出场合，如雷达电源、激光电源、高压臭氧电源等输出电压通常为几千伏，甚至几十千伏或者更高。而其输出电压准确度要求≤0.05％，负载稳定度≤1％，为了实现电压准确度和负载稳定度的要求，通常采用闭环该路输出电压的方式，但是闭环高压输出通常存在初次级的绝缘耐压不足、采样困难、初次级的信号传输困难等一系列问题，而且还会增加很多外围电路，增加设计成本和增大体积。文献【1】中提供了一种负电压线性稳压源，通过增加软启动电路降低了输出功率管的瞬时功率，解决线性稳压源启动时造成的电压瞬时过冲和负载电流冲击过大的问题。文献【2】和文献【3】中提供了一种线性稳压源，其发明目的是控制线性稳压源启动时的电流。文献【4】中提供了一种高压测试的稳压源，主要说明了高压源的测试系统和系统构成。文献【5】中提供了一种无片外电容的低压差线性稳压源，其发明目的是无需提供外加稳压电容就能输出纹波小的稳定电压，尤其在大负载电流跳变的情况下，能够实现较低的纹波电压和较快的恢复能力。文献【6】中提供了一种高带宽低压差线性稳压源，其发明目的是拓宽稳压源的环路带宽，使其负反馈环路稳定的同时，满足低负载调整率的要求。文献【7】中提供了一种宽输入电压范围的线性稳压源，其发明目的是为大摆幅输入电压提供稳压电压源的线性电压源电路。文献【8】中提供了一种线性稳压源，其发明目的是解决电源输出电压温飘大、长期稳定性差的问题。以上8篇文献均谈及了线性稳压源，且运用的场合均为低压输出场合，并未涉及到高压方面，当然也无法实现高压输出的线性稳压。因此，有必要提出一种高压线性稳压源来解决高压输出需要稳压的问题。
【1】CN 201710908972.4负电压线性稳压源
【2】CN 201210309178.5线性稳压源
【3】CN 201310597266.4具有软启动控制电路的线性稳压源
【4】CN 201611210963.X一种稳压源
【5】CN 201210390845.7无片外电容的低压差线性稳压源
【6】CN 201220066075.6高带宽低压差线性稳压源及系统级芯片
【7】CN 201310244866.2大摆幅输入的线性稳压电源电路
【8】CN 201610906818.9一种线性稳压电源及调整方法
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种高压线性稳压源，能够实现高的输出电压准确度和负载稳定度。
本发明提供了一种高压线性稳压源，包括高压辅助源和线性稳压电路，所述线性稳压电路包含工作在线性区域的开关管和控制电路，所述高压辅助源与所述控制电路连接，为所述控制电路供电，所述控制电路的输出端与所述开关管连接，通过所述控制电路的输出信号控制所述开关管来实现稳定的高压输出。
作为本发明的进一步改进，所述高压辅助源包括高压隔离的高压变压器、输出整流滤波电路，所述高压变压器的输入端接低压输入，所述高压变压器的输出端与所述输出整流滤波电路的输入端连接，所述输出整流滤波电路的输出端与所述控制电路连接。
作为本发明的进一步改进，所述控制电路包括运算放大器U1A和运算放大器U1B，其中，所述高压辅助源的输出电压低端连接到高压输出端Vo，所述运算放大器U1A的反相输入端、运算放大器U1B的反相输入端分别连接到高压输出端Vo，所述高压辅助源的输出电压高端与所述运算放大器U1A的同相输入端连接，所述运算放大器U1A的输出端通过电阻R1与所述运算放大器U1B的同相输入端连接，所述电阻R1并联有电容C1。
作为本发明的进一步改进，所述开关管为三极管Q1，所述运算放大器U1B的输出端与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极接高压输入端Vin，所述三极管Q1的发射极接高压输出端Vo，所述三极管Q1的基极、集电极之间串联有RC补偿网络。
作为本发明的进一步改进，所述开关管为MOSFET管Q2，所述运算放大器U1B的输出端与所述MOSFET管Q2的栅极连接，所述MOSFET管Q2的漏极接高压输入端Vin，所述MOSFET管Q2的源极接高压输出端Vo，所述MOSFET管Q2的栅极、漏极之间串联有RC补偿网络。
作为本发明的进一步改进，所述RC补偿网络包括串联的电阻R4和电容C4。
作为本发明的进一步改进，所述运算放大器U1A的同相输入端、高压输出端Vo之间连接有运放参考电压Vref。
作为本发明的进一步改进，所述运算放大器U1A的反相输入端、输出端直接短接。
作为本发明的进一步改进，所述运算放大器U1B的反相输入端、输出端之间连接有补偿网络Z1。
作为本发明的进一步改进，所述控制电路还包括相并联的高压电阻R2和电容C2，其中，所述高压电阻R2、电容C2的一端连接于所述电阻R1、述运算放大器U1B的同相输入端之间，所述高压电阻R2、电容C2的另一端接地。
本发明的有益效果是：适用于高压输出的场合、电路简单、元器件电压应力低(无需承受高压应力)、成本低、可靠性高、同时可以实现高的输出电压准确度和负载稳定。
附图说明
图1是本发明一种高压线性稳压源的拓扑架构图。
图2是本发明一种高压线性稳压源的电路图。
图3是本发明一种高压线性稳压源的高压采样检测电路的电路图。
图4是本发明一种高压线性稳压源的空载高压输出建立波形图。
图5是本发明一种高压线性稳压源的满载高压输出建立波形图。
图6是本发明一种高压线性稳压源的另外一种电路图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种高压线性稳压源，包括高压辅助源1和线性稳压电路4，所述线性稳压电路4包含工作在线性区域的开关管3和控制电路2，所述高压辅助源1与所述控制电路2连接，为所述控制电路2供电，所述控制电路2的输出端与所述开关管3连接，通过所述控制电路2的输出信号控制所述开关管3来实现稳定的高压输出。
如图2所示，所述高压辅助源1包括高压隔离的高压变压器11、输出整流滤波电路，所述高压变压器11的输入端接低压输入，所述高压变压器11的输出端与所述输出整流滤波电路的输入端连接，所述输出整流滤波电路的输出端与所述控制电路2连接，高压变压器11通常采用U型磁芯实现初次级的高压隔离，整流滤波电路可以采用半波整流、或全波整流、或桥式整流，在本示例中采用最简单的半波整流。
本发明的实现需要一个高压辅助源1进行控制电路2的供电，即控制电路2的供电通过高压自举的方式来实现。然后通过控制电路2的输出信号控制开关管3来实现稳定的高压输出。此高压辅助源1是实现高压线性稳压源的关键，也是相比其他的(低压)稳压源的一个主要特点。
如图2所示，所述控制电路2包括运算放大器U1A和、运算放大器U1B、高压采样检测电路、补偿网络Z1和电阻R4、电容C4、运放参考电压Vref，其中，所述高压辅助源1的输出电压低端连接到高压输出端Vo，所述运算放大器U1A的反相输入端、运算放大器U1B的反相输入端分别连接到高压输出端Vo，所述高压辅助源1的输出电压高端与所述运算放大器U1A的同相输入端连接。
如图2所示，所述高压采样检测电路包括相并联的高压电阻R2、电容C2和相并联的电阻R1、电容C1，其中，所述高压电阻R2、电容C2的一端连接于所述电阻R1、述运算放大器U1B的同相输入端之间，所述高压电阻R2、电容C2的另一端接地，所述运算放大器U1A的输出端通过电阻R1与所述运算放大器U1B的同相输入端连接。
如图2所示，开关管3工作在线性区域，可以是三极管或者MOSFET管，所述开关管3优选为三极管Q1，所述运算放大器U1B的输出端与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极接高压输入端Vin，所述三极管Q1的发射极接高压输出端Vo，所述三极管Q1的基极、集电极之间串联有RC补偿网络。
除了图2所示的电路形式外，还可以演化为其他电路的形式，如可将三极管替换为MOSFET管，如图6所示，所述开关管优选为MOSFET管Q2，所述运算放大器U1B的输出端与所述MOSFET管Q2的栅极连接，所述MOSFET管Q2的漏极接高压输入端Vin，所述MOSFET管Q2的源极接高压输出端Vo，所述MOSFET管Q2的栅极、漏极之间串联有RC补偿网络。
如图2、6所示，所述RC补偿网络包括串联的电阻R4和电容C4。
如图2、6所示，所述运算放大器U1A的同相输入端、高压输出端Vo之间连接有运放参考电压Vref。
如图2、6所示，所述运算放大器U1A的反相输入端、输出端直接短接。
如图2、6所示，所述运算放大器U1B的反相输入端、输出端之间连接有补偿网络Z1。
本发明提供的一种高压线性稳压源，为了实现高压输出的精确稳压，需要提供高压辅助源1，高压辅助源1的输出电压低端连接到高压输出端(即：运放的V-)，高压辅助源1的输出电压高端连接到运放的供电端(即：运放的V+)，为运放的正常工作提供供电电压。而整个线性稳压电路浮在高压上，线性稳压电路4的元器件不需要承受高压输出对地的电压应力(几千到一万伏的电压应力)，只需要承受低压的应力(几十伏的电压应力)，因此元器件选型容易。线性稳压电路4的运放浮在高压之上，运算放大器U1A的反相输入端和输出端直接短接，对基准电压Vref实现电压跟随，由运放“虚短”的特性可知，运算放大器U1B的同相输入端和反相输入端相等，电阻R1和高压电阻R2控制调节输出电压的大小，如图3所示，输出电压的大小为：而其中电容C1和电容C2在高压输出的场合中是必要的，它对高压输出的建立时间和改善高频响应具有重要的影响。运算放大器U1B的输出电压信号控制开关管3的导通程度，使开关管3工作在线性区，实现线性稳压源的闭环控制，其中Z1为运算放大器U1B的负反馈补偿网络，可以是R和C串联的Ⅰ型补偿网络，或R和C串联再与C并联的Ⅱ型补偿网络，电阻R4和电容C4为开关管3的RC补偿网络，电阻R4和电容C4在高压应用时具有调整开关管工作频率特性的作用。
在整个高压线性稳压源电路中，仅仅需要两个高压元器件，分别是图2中的高压变压器11和高压电阻R2。高压变压器11的制作需要满足初次级的绝缘耐压等级，通常采用U型磁芯，并灌封环氧树脂进行高压绝缘。而高压电阻R2常用薄膜电阻和体电阻。
如图4-5所示，为本实例高压输出9.5KV的输出电压建立波形，理论设计参数的输出电压为9.5KV。图4为空载时的输出电压建立波形，输出电压的上升时间为69.47mS，当高压线性稳压源正常工作时输出电压一直稳定在9.56KV(最大值)，通过高压万用表测试的实际准确数据为9501V(有效值)。图4为满载(6mA)时的输出电压建立波形，输出电压的上升时间为79.71mS，当高压线性稳压源正常工作时输出电压一直稳定在9.56KV(最大值)，通过高压万用表测试的实际准确数据为9500V(有效值)。由图4和图5的测试数据可知，空载时输出电压为9501V，满载时的输出电压为9500V，负载稳定度几乎为0％，实现了高的负载稳定度。而在本实例中，当输入电压改变时，输出电压的测试数据一直为9500V，电压稳定度为0％，实现了高的电压稳定度。
本发明提供的一种高压线性稳压源，适用于高压输出的场合、电路简单、元器件电压应力低(无需承受高压应力)、成本低、可靠性高、同时可以实现高的输出电压准确度和负载稳定度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高压线性稳压源，其特征在于：包括高压辅助源和线性稳压电路，所述线性稳压电路包含工作在线性区域的开关管和控制电路，所述高压辅助源与所述控制电路连接，为所述控制电路供电，所述控制电路的输出端与所述开关管连接，通过所述控制电路的输出信号控制所述开关管来实现稳定的高压输出。
2.根据权利要求1所述的高压线性稳压源，其特征在于：所述高压辅助源包括高压隔离的高压变压器、输出整流滤波电路，所述高压变压器的输入端接低压输入，所述高压变压器的输出端与所述输出整流滤波电路的输入端连接，所述输出整流滤波电路的输出端与所述控制电路连接。
3.根据权利要求1所述的高压线性稳压源，其特征在于：所述控制电路包括运算放大器U1A和运算放大器U1B，其中，所述高压辅助源的输出电压低端连接到高压输出端Vo，所述运算放大器U1A的反相输入端、运算放大器U1B的反相输入端分别连接到高压输出端Vo，所述高压辅助源的输出电压高端与所述运算放大器U1A的同相输入端连接，所述运算放大器U1A的输出端通过电阻R1与所述运算放大器U1B的同相输入端连接，所述电阻R1并联有电容C1。
4.根据权利要求3所述的高压线性稳压源，其特征在于：所述开关管为三极管Q1，所述运算放大器U1B的输出端与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极接高压输入端Vin，所述三极管Q1的发射极接高压输出端Vo，所述三极管Q1的基极、集电极之间串联有RC补偿网络。
5.根据权利要求3所述的高压线性稳压源，其特征在于：所述开关管为MOSFET管Q2，所述运算放大器U1B的输出端与所述MOSFET管Q2的栅极连接，所述MOSFET管Q2的漏极接高压输入端Vin，所述MOSFET管Q2的源极接高压输出端Vo，所述MOSFET管Q2的栅极、漏极之间串联有RC补偿网络。
6.根据权利要求4或5所述的高压线性稳压源，其特征在于：所述RC补偿网络包括串联的电阻R4和电容C4。
7.根据权利要求3所述的高压线性稳压源，其特征在于：所述运算放大器U1A的同相输入端、高压输出端Vo之间连接有运放参考电压Vref。
8.根据权利要求3所述的高压线性稳压源，其特征在于：所述运算放大器U1A的反相输入端、输出端直接短接。
9.根据权利要求3所述的高压线性稳压源，其特征在于：所述运算放大器U1B的反相输入端、输出端之间连接有补偿网络Z1。
10.根据权利要求3所述的高压线性稳压源，其特征在于：所述控制电路还包括相并联的高压电阻R2和电容C2，其中，所述高压电阻R2、电容C2的一端连接于所述电阻R1、述运算放大器U1B的同相输入端之间，所述高压电阻R2、电容C2的另一端接地。
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