CN109450246A - 多输出高压电源和具有多输出高压电源的分布式射线源 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例公开了一种多输出高压电源，包括通道选择电路(103)，包括多个开关；以及高压电源模块(101)，连接到所述通道选择电路(103)，并且包括串联连接的精调电源组件(110)和多个粗调电源组件(120‑1～120‑N)，其中所述高压电源模块(101)的一个高压输出端连接到所述通道选择电路(103)的公共端，并且所述高压电源模块(101)的另一个高压输出端通过电流取样电阻接地。

Description

多输出高压电源和具有多输出高压电源的分布式射线源
技术领域
本公开涉及高压电源的领域，具体地，涉及基于直流隔离电源模块的多输出高压电源和具有多输出高压电源的分布式射线源。
背景技术
现有的高压电源通常都是针对单一负载的单输出电源，且输出电压的调节通常需要较长时间，例如在毫秒甚至秒的量级。在某些应用场合，这种单输出电源可能无法满足需求。例如，具有多个阴极的分布式X射线源(如新鸿电子有限公司开发的分布式X射线源)在一个时刻只允许一个阴极处于工作状态，每个阴极的工作电流和工作时间都可能不一样，阴极之间切换的时间最短要求在微秒量级，并且阴极的工作电压达到上千伏。针对这种分布式X射线源，需要一种具有多个可切换的输出通道(其中每个通道的输出电压可以灵活快速调整)且在微秒级时间内完成通道切换和电压调整的高压电源，以对分布式X射线源的多个阴极进行灵活控制。
一种已知的多输出高压电源的实现方法是以一个负高压直流电源的高压输出作为母线，从高压母线向各输出通道分别串接MOSFET。如果某个通道的MOSFET工作在截止区，则该通道不输出高压；如果某个通道的MOSFET工作在线性区，则该通道输出高压。
上述多输出高压电源实现方法的不利之处在于，MOSFET工作在线性区会产生大量的热，如果散热不好，则MOSFET会因为过热而损坏，而且每个通道在一定的导通电流状态下(通常百毫安级)不能维持长时间连续或高占空比的工作状态。
发明内容
有鉴于此，本公开旨在设计一种多输出高压电源，以在几个微秒的时间内实现不同通道间高压输出的快速切换和输出电压的灵活快速调整，同时避免MOSFET开关的线性区工作状态，减小电路的发热，增加可靠性，延长寿命，降低成本。
根据本公开的一个方面，提供了一种多输出高压电源，包括：
通道选择电路(103)，包括多个开关；以及
高压电源模块(101)，包括串联连接的精调电源组件(110)和多个粗调电源组件(120-1～120-N)，其中所述高压电源模块(101)的一个高压输出端连接到所述通道选择电路(103)的公共端，并且所述高压电源模块(101)的另一个高压输出端通过电流取样电阻接地。高压电源模块的输出电压可以在微秒级调整，通道选择电路中的通道选择开关工作在开关状态，避免了工作在线性区的发热问题。
在一个实施例中，所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的每一个包括直流隔离电源模块、输出控制开关和旁路二极管，所述直流隔离电源模块的输出正极连接到所述旁路二极管的阴极，并且所述直流隔离电源模块的输出负极在串联连接到所述输出控制开关之后连接到所述旁路二极管的阳极。如果接通输出控制开关，那么旁路二极管截止，电源组件的输出电压被接入高压电源模块；如果断开输出控制开关，那么电源组件的输出电压不被接入高压电源模块。如果有N个电源组件的输出串联在一起，就可以叠加出最高N倍的电源组件电压的电源，输出电压的调整精度为电源组件的输出电压，输出电压的调整速度为输出控制开关的切换速度。
在一个实施例中，所述精调电源组件(110)包括直流隔离电源模块(1101)、电压基准供应模块(1102)、功率放大器(1103)、输出控制开关(1104)和旁路二极管(1105)，所述直流隔离电源模块(1101)的输出正极和负极分别连接到所述功率放大器(1103)的电源正极和负极，并且用于向所述功率放大器(1103)供电，所述电压基准供应模块(1102)连接到所述功率放大器(1103)的信号输入端，所述功率放大器(1103)的输出端连接到所述旁路二极管(1105)的阴极，并且所述功率放大器(1103)的电源负极在串联连接到所述输出控制开关(1104)之后连接到所述旁路二极管(1105)的阳极。
在一个实施例中，所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)的所述输出控制开关由控制电路(102)控制。
在一个实施例中，所述精调电源组件(110)的所述输出控制开关(1104)由所述控制电路(102)控制，并且所述精调电源组件(110)的所述电压基准供应模块(1102)所供应的电压基准由所述控制电路(102)设定。
在一个实施例中，所述精调电源组件(110)的所述旁路二极管(1105)的阳极连接到所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的第一个粗调电源组件(120-1)的旁路二极管(1203-1)的阴极；除所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的最后一个粗调电源组件(120-N)之外，所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的每一个粗调电源组件的旁路二极管的阳极连接到下一个粗调电源组件的阴极，其中所述精调电源组件(110)的旁路二极管(1105)的阴极为所述高压电源模块(101)的输出正极，并且所述最后一个粗调电源组件(120-N)的旁路二极管(1203-N)的阳极为所述高压电源模块(101)的输出负极。
在一个实施例中，所述精调电源组件(110)和所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的直流电源隔离模块的电压输入端的正极并联连接在一起，并且所述精调电源组件(110)和所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的直流电源隔离模块的电压输入端的负极并联连接在一起。
在一个实施例中，所述通道选择电路(103)中的多个开关包括一个放电开关(1030)和M个通道选择开关，所述放电开关和所述通道选择开关的一端连接在一起作为所述通道选择电路(103)的公共端，并且所述放电开关和所述通道选择开关由所述控制电路(102)控制。当没有输出通道被选择时，所有的通道选择开关处于断开状态，放电开关处于闭合状态，释放高压电源模块高压输出端残留电压；当一个输出通道被选择时，则该路通道选择开关处于闭合状态，其余选择开关和放电开关处于断开状态。
在一个实施例中，如果所述高压电源模块(101)的输出负极通过所述电流取样电阻(104)接地并且所述高压电源模块(101)的输出正极连接到所述通道选择电路(103)的公共端，那么所述多输出高压电源输出正高压；并且如果所述高压电源模块(101)的输出正极通过所述电流取样电阻(104)接地并且所述高压电源模块(101)的输出负极连接到所述通道选择电路(103)的公共端，那么所述多输出高压电源输出负高压。
在一个实施例中，所述电流取样电阻(104)上的模拟信号通过模数转换电路(105)转换成数字信号，并且所述数字信号输出到所述控制电路(102)，作为所述多输出高压电源的电流反馈信号。
在一个实施例中，在所述多输出电源正常工作之前，对所述多输出高压电源进行标定。初始状态的组件输出控制开关和通道选择开关都处于断开状态。首先，由控制电路选通需要的输出通道，然后控制电源组件的输出控制开关和精调电源组件的电压基准，逐渐提高高压电源模块的输出电压，同时读取输出电流值。这样，就可以做出一个输出通道的伏安特性曲线，然后关断这个通道，进行下一个通道的标定。所有通道都标定完成后，按照标定的伏安特性曲线，得到正常工作电流对应的电压值。
根据本公开的另一方面，提供了一种分布式射线源，包括前述的多输出高压电源。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本公开的实施例的输出正电压的多输出高压电源的结构示意图；
图2示出了根据本公开的实施例的输出负电压的多输出高压电源的结构示意图；
附图标记列表：
101高压电源模块
102控制电路
103通道选择电路
104电流取样电阻
105模数转换器(ADC)
106上位机
110精调电源组件
120-1、120-2、120-N粗调电源组件
1101、1201-1、1201-2、1201-N直流隔离电源模块
1102电压基准供应模块
1103功率放大器
1104、1202-1、1202-2、1202-N输出控制开关
1105、1203-1、1203-2、1203-N旁路二极管
1021底层控制电路
1022数据处理电路
1030放电开关
1031、1032、103M通道选择开关
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1和图2示出了根据本公开的实施例的多输出高压电源的结构示意图，其中图1的多输出高压电源输出多路正高压，图2的多输出高压电源输出多路负高压。多输出高压电源可以由产生直流高压的高压电源模块101、控制电路102、通道选择电路103、电流取样电阻104、模数转换电路105和上位机106组成。如果高压电源模块的输出负极通过电流取样电阻104接地，并且高压电源模块的输出正极连接通道选择电路103的公共端，那么多输出高压电源输出正高压；如果高压电源模块的输出正极通过电流取样电阻104接地，高压电源模块的输出负极连接通道选择电路103的公共端，那么多输出高压电源输出负高压。
高压电源模块101由一个精调电源组件110和N个结构相同的粗调电源组件120-1～120-N首尾串联形成，串联后的精调电源组件110的输出正极即为高压电源模块101的输出正极，串联后的最后一个粗调电源组件120-N的输出负极N即为高压电源模块的输出负极。
N个粗调电源组件120-1～120-N中的每一个120-i(i＝1，......，N)由直流隔离电源模块1201-i(i＝1，......，N)、开关1202-i(i＝1，......，N)和二极管1203-i(i＝1，......，N)组成。直流隔离电源模块1201-i用于提供隔离输出电压。开关1202-i连接到直流隔离电源模块1201-i的负极，二极管1203-i的阳极连接到开关1202-i，并且二极管1203-i的阴极连接到直流隔离电源模块1201-i的正极。二极管1203-i的阴极作为粗调电源组件120-i的输出正极，二极管1203-i的阳极作为粗调电源组件120-i的输出负极。每个开关1202-i都可以被独立控制并快速切换，当开关1202-i闭合时，二极管1203-i截止，粗调电源组件120-i的输出电压为直流隔离电源模块1201-i的隔离输出电压，并且粗调电源组件1201-i的输出电压串联到高压电源模块101的输出电压；当开关1202-i关断时，二极管1203-i导通，粗调电源组件120-i的输出电压被二极管1203-i旁路，高压电源模块101的输出电压要减去这个旁路二极管1203-i的导通电压。如果N个粗调电源组件的开关全部闭合，那么高压电源模块101的最高输出电压就是粗调电源组件120-i的输出电压的N倍。在这种情况下，高压电源模块101的输出电压的最大调整精度为单个粗调电源组件120-i的输出电压，即直流隔离电源模块1201-i的隔离输出电压。
N个粗调电源组件120-1～120-N中的最后一个粗调电源组件120-N中的二极管1203-N的阳极为高压电源模块的输出负极；并且除了最后一个粗调电源组件120-N之外，N个粗调电源组件120-1～120-N中的每一个中的二极管1203-i的阳极可以连接到下一个粗调电源组件中的二极管1203-i+1的阴极。
开关1202-1到1202-N可以是高速隔离开关。高速隔离开关可以由高速隔离器件(如磁耦合或电容耦合器件)和小功率高速MOSFET组成，某些型号的高速隔离器件和高速MOSFET的工作频率可以达到几十MHz。高压电源模块101的电压调整速度为高速隔离开关的开关速度，所以高速电源模块101的电压调整可以在微秒级别内完成。
精调电源组件110的作用是提高高压电源模块101的电压调整精度。精调电源组件110包括直流隔离电源模块1101、电压基准供应模块1102、功率放大器1103、开关1104和二极管1105。直流隔离电源模块1101的正极和负极分别连接到功率放大器1103的正电源端和负电源端，并且用于向功率放大器1103供电。电压基准供应模块1102可以是数字电位器或数模转换器(DAC)，电压基准供应模块1102的输出端连接到功率放大器1103的信号输入端。功率放大器1103用于对接收到的输入信号进行功率放大。开关1104连接到直流隔离电源模块1101的负极和功率放大器1103的负电源端。二极管1105的阳极连接到开关1104，并且二极管1105的阴极连接到功率放大器1103的输出端。二极管1105的阴极作为精调电源组件110的输出正极，二极管1105的阳极作为精调电源组件110的输出负极。精调电源组件的最高输出电压为功率放大器1103的最高输出电压，即直流隔离电源模块1101的隔离输出电压。如果电压基准供应模块是8位的DAC，那么理论上讲，精调电源组件110的调整精度就提高到了直流隔离电源模块1101的隔离输出电压的1/255。如果开关1104闭合，则功率放大器1103的输出电压串联到高压电源模块101的输出端，因而高压电源模块101的输出电压的调整精度就提高到了精调电源组件110的输出电压的调整精度。
精调电源组件中110的二极管1105的阳极连接到N个粗调电源组件120-1～120-N中的第一粗调电源组件120-1中的二极管1203-1的阴极，并且精调电源组件110中的二极管1105的阴极为高压电源模块的输出正极。
电流取样电阻104串联在高压电源模块101的一个输出端与地之间，当多输出高压电源工作时，会在电流取样电阻上产生一个表征输出电流的信号，电流的波形可以通过示波器来观看。模数转换器105对该信号执行模数(AD)变换，以得到输出电流的幅度。
通道选择电路103由一个放电开关1030和M个通道选择开关(1031～103M)组成。如果没有通道被选中，则所有的通道选择开关处于断开状态，而放电开关处于闭合状态，高压电源模块高压输出端的残留电压通过放电开关释放掉；如果断开放电开关，闭合通道选择开关103j，则与之对应的通道被选中，高压电源模块输出的高压通过开关103j输出到输出端。
为减少成本和体积，通道选择电路103的放电开关和通道选择开关1030～103M选用单管高压MOSFET。高压MOSFET处于开关工作状态，如果MOSFET截止，则该通道不输出高压，与该通道相连的负载上无高压；如果MOSFET饱和导通，则该通道输出高压，与该通道相连的负载上有高压。MOSFET处于开关工作状态产生的热量很小，几乎不用考虑散热问题。某些型号的高压MOSFET的开关时间最多为几百纳秒，所以通道切换可以在微秒级别内完成。
高压电源模块的输出控制开关、通道选择电路的放电开关和通道选择开关的逻辑及时序控制由控制电路102完成，同时，电流取样电阻上的模拟信号经ADC后的数字信号也输入到控制电路作为多输出高压电源的电流反馈信号，控制电路还设定精调电源组件的电压基准。
控制电路102包括底层控制电路1021和数据处理电路1022两部分，底层控制电路1021用于时序控制和开关逻辑，选用FPGA或CPLD实现底层控制电路的功能；数据处理电路1022用于数据处理，以及底层控制电路与上位机106之间的通信，选用ARM实现数据处理电路的功能。控制电路的功能也可以有一个片上系统(SOC)完成。
上位机106提供一个图形用户接口(GUI)，用来向控制电路发送控制命令及配置参数，显示运行状态和运行参数。
在多输出高压电源正常工作之前，需要先对多输出高压电源进行标定工作，确定各通道负载的工作电流对应的电压。标定过程为，断开放电开关1030，闭合开关103j，选通一个通道，然后闭合高压电源模块101中的第一个开关(例如，开关1202-1)，将电压基准供应模块1102的输出从0逐步增大，同时检测电流取样电阻104上的电流是否达到负载的工作电流，如果当电压基准供应模块1102的输出达到最大时，电流没有达到工作电流，则使电压基准供应模块1102的输出减小到0，然后闭合开关高压电源模块101中的第二个开关(例如，开关1202-2)，再逐步增加电压基准供应模块1102的输出，依次重复上述过程，直到电流达到工作电流为止。此时的电压就是该通道负载的工作电压。当所有通道的标定都完成后，多输出高压电源就可以工作了。
如果需要多输出高压电源的第j个通道输出高压，则断开放电开关1030，闭合第j个通道选择开关103j，然后控制高压电源模块101各电源组件的输出控制开关组合，并调整精调电源组件的电压基准供应模块1102的输出，使高压电源模块输出合适的电压，多输出高压电源的第j个输出端就得到了需要的输出电压；第j个通道工作完毕后，首先断开高压电源模块各电源组件的输出控制开关，然后断开通道选择开关103j，最后闭合放电开关1030，释放掉高压电源模块的残留电压。这种控制方式使通道选择开关103j处于零电流导通和关断状态，从而使通道选择开关103j的发热最少。
在另一实施例中，本公开还提供了一种分布式射线源，包括上文所述的多输出高压电源。
同现有技术相比，本公开采用的技术因为控制阴极工作的高压MOSFET工作在开关状态，不用过多地考虑散热问题，所以基于直流隔离电源模块的多输出高压电源具有输出电压调整速度快、精度高、结构简单、发热小、体积小、可靠性高、成本低等优点。
以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例，已经阐述了基于直流隔离电源模块的多输出高压电源和具有多输出高压电源的分布式射线源的众多实施例。在这种示意图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本公开的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘(CD)、数字通用盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。

Claims (12)

1.一种多输出高压电源，包括：
通道选择电路(103)，包括多个开关；以及
高压电源模块(101)，包括串联连接的精调电源组件(110)和多个粗调电源组件(120-1～120-N)，其中所述高压电源模块(101)的一个高压输出端连接到所述通道选择电路(103)的公共端，并且所述高压电源模块(101)的另一个高压输出端通过电流取样电阻接地。
2.根据权利要求1所述的多输出高压电源，其中，所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的每一个包括直流隔离电源模块、输出控制开关和旁路二极管，所述直流隔离电源模块的输出正极连接到所述旁路二极管的阴极，并且所述直流隔离电源模块的输出负极在串联连接到所述输出控制开关之后连接到所述旁路二极管的阳极。
3.根据权利要求1所述的多输出高压电源，其中，所述精调电源组件(110)包括直流隔离电源模块(1101)、电压基准供应模块(1102)、功率放大器(1103)、输出控制开关(1104)和旁路二极管(1105)，所述直流隔离电源模块(1101)的输出正极和负极分别连接到所述功率放大器(1103)的电源正极和负极，并且用于向所述功率放大器(1103)供电，所述电压基准供应模块(1102)连接到所述功率放大器(1103)的信号输入端，所述功率放大器(1103)的输出端连接到所述旁路二极管(1105)的阴极，并且所述功率放大器(1103)的电源负极在串联连接到所述输出控制开关(1104)之后连接到所述旁路二极管(1105)的阳极。
4.根据权利要求2所述的多输出高压电源，其中，所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)的所述输出控制开关由控制电路(102)控制。
5.根据权利要求4所述的多输出高压电源，其中，所述精调电源组件(110)的所述输出控制开关(1104)由所述控制电路(102)控制，并且所述精调电源组件(110)的所述电压基准供应模块(1102)所供应的电压基准由所述控制电路(102)设定。
6.根据权利要求1所述的多输出高压电源，其中，所述精调电源组件(110)的所述旁路二极管(1105)的阳极连接到所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的第一个粗调电源组件(120-1)的旁路二极管(1203-1)的阴极；除所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的最后一个粗调电源组件(120-N)之外，所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的每一个粗调电源组件的旁路二极管的阳极连接到下一个粗调电源组件的阴极，其中所述精调电源组件(110)的旁路二极管(1105)的阴极为所述高压电源模块(101)的输出正极，并且所述最后一个粗调电源组件(120-N)的旁路二极管(1203-N)的阳极为所述高压电源模块(101)的输出负极。
7.根据权利要求1所述的多输出高压电源，其中，所述精调电源组件(110)和所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的直流电源隔离模块的电压输入端的正极并联连接在一起，并且所述精调电源组件(110)和所述多个粗调电源组件(120-1～120-N)中的直流电源隔离模块的电压输入端的负极并联连接在一起。
8.根据权利要求4所述的多输出高压电源，其中，所述通道选择电路(103)中的多个开关包括一个放电开关(1030)和M个通道选择开关，所述放电开关和所述通道选择开关的一端连接在一起作为所述通道选择电路(103)的公共端，并且所述放电开关和所述通道选择开关由所述控制电路(102)控制。
9.根据权利要求6所述的多输出高压电源，其中，如果所述高压电源模块(101)的输出负极通过所述电流取样电阻(104)接地并且所述高压电源模块(101)的输出正极连接到所述通道选择电路(103)的公共端，那么所述多输出高压电源输出正高压；并且如果所述高压电源模块(101)的输出正极通过所述电流取样电阻(104)接地并且所述高压电源模块(101)的输出负极连接到所述通道选择电路(103)的公共端，那么所述多输出高压电源输出负高压。
10.根据权利要求4所述的多输出高压电源，其中，所述电流取样电阻(104)上的模拟信号通过模数转换电路(105)转换成数字信号，并且所述数字信号输出到所述控制电路(102)，作为所述多输出高压电源的电流反馈信号。
11.根据权利要求1所述的多输出高压电源，其中，在所述多输出电源正常工作之前，对所述多输出高压电源进行标定。
12.一种分布式射线源，包括根据权利要求1至11中任一项所述的多输出高压电源。
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