CN110233577B - 一种可控高压功率脉冲发生电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可控高压功率脉冲发生电路及控制方法，包括单脉冲发生电路、信号整形电路、脉冲驱动电路\控制端电路和控制端电路、PWM控制电路、高压功率输出电路；外部的脉冲触发信号输入到单脉冲发生电路，产生固定脉宽的脉冲信号，该脉冲信号输入到信号整形电路，进行电压转换，通过脉冲驱动电路产生控制高压电源电路的脉冲控制信号；然后通过控制端电路或控制端电路控制PWM控制电路，通过PWM控制电路产生PWM信号控制高压功率输出电路输出的高压脉冲信号，该高压脉冲信号在被误差比较放大隔离电路处理后返回PWM控制电路保证输出高压脉冲幅度的稳定。本发明不仅能够实现输出高压功率脉冲电压幅值的稳定，同时方便实现脉冲控制电路与高压电路的分离。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理电路和隔离型开关电源电路领域，具体涉及一种可控高压功率脉冲发生电路及控制方法。
背景技术
传统的隔离式高压脉冲发生电路多采用控制原边功率VMOS管的开通与关断，通过变压器的匝比直接将低压变换为高压脉冲，这种方法，当脉冲频率低时，变压器体积大，并且高压脉冲幅度不宜控制。还有一种高压发生器电路是将高压电源的输出端与功率开关管串联,通过控制次级高压电源串联的功率开关管实现高压脉冲的输出，这样控制电路复杂，供电电路需要再设计，且控制电路在高压侧，容易受到高压干扰而损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可控高压功率脉冲发生电路及控制方法，不仅能够实现输出高压功率脉冲电压幅值的稳定，同时方便实现脉冲控制电路与高压电路的分离。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种可控高压功率脉冲发生电路，包括脉冲发生控制电路及受控高压脉冲电源电路，所述脉冲发生控制电路包括单脉冲发生电路、脉冲驱动电路及信号整形电路，所述受控高压脉冲电源电路包括控制端电路、PWM控制电路及高压功率输出电路；
所述单脉冲发生电路，用于接收输入的触发脉冲信号；
所述信号整形电路，用于接收脉冲信号，改善脉冲信号的前后沿、将正脉冲转换为具有正负电平的脉冲信号；
所述脉冲驱动电路，用于接收具有正负电平的脉冲，并对脉冲进行反向，同时提升脉冲的驱动能力，控制高压电源电路的工作状态，实现高压脉冲输出；
所述控制端电路，用于向PWM控制电路提供电压输入，从而控制PWM电压的输出；
所述PWM控制电路，用于根据控制端电路的输入信号控制电路的输出电压。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述单脉冲发生电路由单稳多谐振荡器及外围电路构成。
所述信号整形电路包括比较器，所述比较器的同相输入端经第一电阻与单稳多谐振荡器的第一输出端连接，比较器的反相输入端连接有分压电路，比较器的输出端与脉冲驱动电路的输入端连接。
所述脉冲驱动电路包括开关管及第一二极管，所述开关管的栅极与第一二极管的阳极连接，开关管的漏级接地，开关管的源极与高压脉冲电源电路的控制端连接，所述第一二极管的阴极经分压电路与信号整形电路的输出端连接。
所述控制端电路包括第一控制端电路及第二控制端电路，所述第一控制端电路的输入端与脉冲控制信号连接，第一控制端电路的输出端与PWM控制电路的供电端连接，所述第二控制端电路的输入端与脉冲控制信号连接，第二控制端电路的输出端与PWM控制电路的电流取样输入端连接。
所述PWM控制电路由PWM控制器及外围电路组成。
所述高压功率输出电路包括变压器、第二开关管，第二二极管、电感、输入电容、第一取样电阻及第二取样电阻，所述变压器的原边绕组异名端经电感与输入电压连接，变压器的原边绕组同名端与第二开关管的源极连接，所述第二二极管的阳极与变压器的副边绕组同名端连接，第二二极管的阴极与高压脉冲电源电路的脉冲信号端连接，所述输入电容的一端连接在电容与变压器之间的节点处，输入电容的另一端接地，所述第一取样电阻的一端与第二二极管的阴极连接，第一取样电阻的另一端经第二取样电阻接地。
一种可控高压功率脉冲控制方法，包括以下步骤：
（1）触发脉冲信号通过单稳态多谐振荡器控制触发脉冲信号的高低电平；
（2）单稳态多谐振荡器将输出的电平信号通过信号整形电路改善脉冲信号的前后沿、将正脉冲转换为具有正负电平的脉冲信号；
（3）通过脉冲驱动电路接收具有正负电平的脉冲，并对脉冲进行反向，同时提升脉冲的驱动能力，控制高压电源电路的工作状态，实现高压脉冲输出；
（4）通过控制端电路向PWM控制电路提供电压输入信号，通过PWM控制电路控制高压电源电路的输出电压。
由上述技术方案可知，本发明将脉冲控制电路与高压电源电路有机地结合，适用于多种需要高压功率脉冲的场合，高压功率脉冲的频率和宽度易于控制，还可以根据实际需要实现单脉冲高压输出。本发明实现了高压脉冲的频率和宽度控制，高压电源电路完成低压到高压的转变，同时实现功率高压输出，高压电源的控制端接受脉冲控制电路的控制信号，高压电源的控制端有两种电路设计，都可以实现高压脉冲的输出控制，实用中可以任选一种控制端电路进行应用。
附图说明
图1是本发明的脉冲发生控制电路的电路图；
图2是本发明的受控高压脉冲电源电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本实施例的可控高压功率脉冲发生电路，包括脉冲发生控制电路及受控高压脉冲电源电路，脉冲发生控制电路包括单脉冲发生电路1、脉冲驱动电路3及信号整形电路2，受控高压脉冲电源电路包括第一控制端电路5、第二控制端电路6、PWM控制电路7及高压功率输出电路8；
单脉冲发生电路1由单稳多谐振荡器N1、电容C2及电阻R1、R2组成，电阻R1的一端与单稳多谐振荡器N1 的触发端B连接，电阻R1另一端连接接触发脉冲信号，电阻R2的一端与电源+12V相连，电阻R2的另一端接单稳多谐振荡器N1的振荡端，电容C1的一端与电源地相连，电容C1另一端接N1 的振荡端。单稳多谐振荡器N1的触发端A与正输出端相连，单稳多谐振荡器N1的负输出端输出脉冲信号与整形电路2相连。单脉冲发生电路1接收输入的触发脉冲信号，通过单稳多谐振荡器N1产生一个固定宽度的脉冲，单稳多谐振荡器N1外接电阻R2、电容C1的乘积决定了输出脉冲的宽度。
信号整形电路2由比较器N2、第一电阻R3、分压电阻R4和分压电阻R5以及输出限流电阻R6组成；分压电阻R4和分压电阻R5组成分压电路，第一电阻R3的一端与单稳多谐振荡器N1的负输出端，第一电阻R3的另一端与比较器N2的同相输入端；分压电阻R4的一端接正电源，电阻R4的另一端接分压电阻R5，分压电阻R5的另一端接电源地，分压电阻R4和分压电阻R5的公共端与比较器N2的反相输入端连接，输出限流电阻R6的一端与比较器N2的输出端，电阻R6的另一端与脉冲驱动电路3连接。信号整形电路2接收单稳多谐振荡器N1输出的固定脉信号，改善脉冲信号的前后沿，将正脉冲转换为具有正负电平的脉冲信号；比较器N2外接的电阻R6、R7将脉冲信号分压后去驱动耗尽型MOS管V1。
脉冲驱动电路3由分压电阻R7、第一二极管V2、限流电阻R8、及驱动MOS管V1组成；该分压电阻R7的一端与信号整形电路2的电阻R6 连接，同时与第一二极管V2的阴极连接，分压电阻R7的另一端连接电源地，第一二极管V2阳极与限流电阻R8连接同时与驱动MOS管V1的栅极连接，限流电阻R8的另一端与电源地连接，驱动MOS管V1的漏极与电源地连接，驱动MOS管V1的源极连接第一控制端电路5或第二控制端电路6的控制端。脉冲驱动电路3接收具有正负电平的脉冲，并对脉冲进行反向，同时提升脉冲的驱动能力，去控制高压电源电路的工作状态，实现高压脉冲输出；第一二极管V2实现比较器N2输出高电平隔离，比较器N2输出低电平选通的功能。
第一控制端电路5包括第一限流电阻R12、第二限流电阻R13、稳压管D4、第一三级管V2以及滤波电容C2；该第一限流电阻R12的一端接电源的输入VIN，第一限流电阻R12的另一端与稳压管D4的阴极、第一三级管V2的基极连接以及输入的脉冲控制信号连接；稳压管D4的阳极与输入电源地连接，第二限流电阻R13的一端接电源的输入VIN，第二限流电阻R13的另一端与第一三级管V2的集电极连接，第一三级管V2的发射极与滤波电容C2的一端以及PWM控制器的供电端连接，滤波电容C2的另一端接输入电容地。第一控制电路5是一个线性稳压电路，在控制端输入高电平时，给PWM控制电路正常供电，高压电源电路无输出高压，稳压管D4提供稳压值，电阻R13可以减小第一三级管V2的功耗，滤波电容C2实现供电电路的滤波功能，平滑供电电压。
第二控制电路6包括第三限流电阻R10、第四限流电阻R11、第二三极管V6，隔离二极管D3，第三限流电阻R10的一端连接输入的脉冲控制信号，第三限流电阻R10的另一端接第二三极管V6的基极，第二三极管V6的发射极接PWM控制器的电压基准端，第二三极管V6的集电极经第四限流电阻R11接地，隔离二极管D3的阳极与第二三极管V6的集电极连接，隔离二极管D3的阴极与PWM控制器的电流取样输入端连接。该第二控制电路6是一个信号反向电路、控制PWM信号的输出，当控制端输入高电平时，控制端电路6输出低电平，PWM信号正常输出，高压电源电路输出高压；当控制端输入低电平时，控制端电路6输出高电平，PWM信号无输出，高压电源电路无输出高压。电阻R10及电阻R11的阻值要保证信号反向电路工作于饱和状态。
PWM控制电路7，决定了高压电源电路是否高压输出及输出电压的稳定。电阻R8及电容C5对采样的电流信号进行滤波，防止干扰信号影响PWM控制电路7的正常工作。本实施例的PWM控制电路7由PWM控制器N3及外围电阻（R15、 R17、 R9、 R8、R6 ）、外围电容（C4、C5、C6 ）组成，实现PWM控制。
高压功率输出电路由变压器T1、第二开关管Q1，第二二极管D2、电感L1、输入电容C3、第一取样电阻R8及第二取样电阻R9组成，该变压器T1的原边绕组异名端经电感L1与输入电压连接，变压器T1的原边绕组同名端与第二开关管Q1的源极连接，第二二极管D2的阳极与变压器T1的副边绕组同名端连接，第二二极管D2的阴极与高压脉冲电源电路的脉冲信号端连接，输入电容C3的一端连接在电感L1与变压器T1之间的节点处，输入电容C1的另一端接地，第一取样电阻R8的一端与第二二极管D2的阴极连接，第一取样电阻R8的另一端经第二取样电阻R9接地。
如图1所示，触发脉冲信号从电阻R1送入单稳多谐振荡器N1的控制端B，产生一个固定宽度的脉冲信号，该脉冲信号通过电阻R3送到比较器N2的同相输入端，产生一个具有正负电平的脉冲信号，当脉冲信号为正电压时，二极管D1截止，MOS管V1的栅极被接到供电电压的地，脉冲信号为负时，二极管D1导通，MOS管V1的栅极被接到负电压。
当无触发脉冲信号时，单稳多谐振荡器N1的控制端B为低电平，单稳多谐振荡器N1的输出端输出高电平，该电压通过电阻R3送到比较器N2的正输入端（N2的供电电压为正负双电源），比较器N2的负输入端设定一固定电压,由于正输入端电压高于固定电压，N2输出正电压，该正电压使二极管V2截止，V1的栅极被接到供电电源的地。
当来了一个触发脉冲信号时，触发脉冲信号转换为高电平然后恢复为低电平时，单稳多谐振荡器N1在触发脉冲信号的下降沿被触发，输出端输出一个由高电平变为低电平然后再恢复为高电平的一个负向脉冲信号，该负向脉冲信号通过电阻R3送到比较器N2的正输入端，与比较器N2的负输入端固定电压比较, 比较器N2输出一个低电压为负电压的负向脉冲信号，该信号在负电压时使二极管D1导通，将MOS管V1的栅极拉为负电压。当MOS管V1的栅极被接到供电电源的地时，MOS管V1导通(V1耗尽型场控三极管)，高压电源的控制端被拉到电源地。MOS管V1的栅极被拉为负电压时，MOS管V1关断(V1耗尽型场控三极管)，高压电源的控制端被悬空。
如图2所示，如图控制端接控制电路5，高压电源的控制端被拉倒地时，如果控制端接控制电路5将关断PWM的供电电路，PWM控制器无输出，高压电源电路无输出。高压电源的控制端被悬空时，控制电路5给PWM控制电路正常供电，PWM控制器有受控的PWM信号输出，高压电源电路输出高压。
如果控制端接控制电路6，高压电源的控制端被拉到地时，控制电路输出6输出高电平，将PWM的电流取样端抬为高电平，PWM控制器无输出，高压电源电路无输出。高压电源的控制端被悬空时，控制电路6输出低电平，PWM控制器有受控的PWM信号输出，高压电源电路输出高压。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可控高压功率脉冲发生电路，其特征在于：包括脉冲发生控制电路及受控高压脉冲电源电路，所述脉冲发生控制电路包括单脉冲发生电路、脉冲驱动电路及信号整形电路，所述受控高压脉冲电源电路包括控制端电路、PWM控制电路及高压功率输出电路；
所述单脉冲发生电路，用于接收输入的触发脉冲信号；
所述信号整形电路，用于接收脉冲信号，改善脉冲信号的前后沿、将正脉冲转换为具有正负电平的脉冲信号；
所述脉冲驱动电路，用于接收具有正负电平的脉冲，并对脉冲进行反向，同时提升脉冲的驱动能力，控制受控高压脉冲电源电路的工作状态，实现高压脉冲输出；
所述控制端电路，用于向PWM控制电路提供电压输入，从而控制PWM电压的输出；
所述PWM控制电路，用于根据控制端电路的输入信号控制受控高压脉冲电源电路的输出电压。
2.根据权利要求1所述的可控高压功率脉冲发生电路，其特征在于：所述单脉冲发生电路由单稳多谐振荡器及外围电路构成。
3.根据权利要求2所述的可控高压功率脉冲发生电路，其特征在于：所述信号整形电路包括比较器，所述比较器的同相输入端经第一电阻与单稳多谐振荡器的第一输出端连接，比较器的反相输入端连接有分压电路，比较器的输出端与脉冲驱动电路的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的可控高压功率脉冲发生电路，其特征在于：所述脉冲驱动电路包括开关管及第一二极管，所述开关管的栅极与第一二极管的阳极连接，开关管的漏极接地，开关管的源极与高压脉冲电源电路的控制端连接，所述第一二极管的阴极经分压电路与信号整形电路的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的可控高压功率脉冲发生电路，其特征在于：所述控制端电路包括第一控制端电路及第二控制端电路，所述第一控制端电路的输入端与脉冲控制信号连接，第一控制端电路的输出端与PWM控制电路的供电端连接，所述第二控制端电路的输入端与脉冲控制信号连接，第二控制端电路的输出端与PWM控制电路的电流取样输入端连接。
6.根据权利要求5所述的可控高压功率脉冲发生电路，其特征在于：所述第一控制端电路包括第一限流电阻、第二限流电阻、稳压管、第一三极管以及滤波电容；所述第一限流电阻的一端接电源的输入VIN，第一限流电阻的另一端与稳压管的阴极、三极管的基极与输入的脉冲控制信号连接；稳压管的阳极与输入电源地连接，第二限流电阻的一端接电源的输入VIN，第二限流电阻的另一端与第一三极管的集电极连接，第一三极管的发射极与滤波电容的一端以及PWM控制器的供电端连接，滤波电容的另一端接输入电容地。
7.根据权利要求5所述的可控高压功率脉冲发生电路，其特征在于：所述第二控制端电路包括第三限流电阻、第四限流电阻、第二三极管，隔离二极管，第三限流电阻的一端连接输入的脉冲控制信号，第三限流电阻的另一端接第二三极管的基极，第二三极管的发射极接PWM控制器的电压基准端，第二三极管的集电极经第四限流电阻接地，隔离二极管的阳极与第二三极管的集电极连接，隔离二极管的阴极与PWM控制器的电流取样输入端连接。
8.根据权利要求1所述的可控高压功率脉冲发生电路，其特征在于：所述PWM控制电路由PWM控制器及外围电路组成。
9.根据权利要求1所述的可控高压功率脉冲发生电路，其特征在于：所述高压功率输出电路包括变压器、第二开关管，第二二极管、电感、输入电容、第一取样电阻及第二取样电阻，所述变压器的原边绕组异名端经电感与输入电压连接，变压器的原边绕组同名端与第二开关管的源极连接，所述第二二极管的阳极与变压器的副边绕组同名端连接，第二二极管的阴极与高压脉冲电源电路的脉冲信号端连接，所述输入电容的一端连接在电感与变压器之间的节点处，输入电容的另一端接地，所述第一取样电阻的一端与第二二极管的阴极连接，第一取样电阻的另一端经第二取样电阻接地。
10.一种可控高压功率脉冲控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)触发脉冲信号通过单稳态多谐振荡器控制触发脉冲信号的高低电平；
(2)单稳态多谐振荡器将输出的电平信号通过信号整形电路改善脉冲信号的前后沿、将正脉冲转换为具有正负电平的脉冲信号；
(3)通过脉冲驱动电路接收具有正负电平的脉冲，并对脉冲进行反向，同时提升脉冲的驱动能力，控制受控高压脉冲电源电路的工作状态，实现高压脉冲输出；
(4)通过控制端电路向PWM控制电路提供电压输入信号，通过PWM控制电路控制受控高压脉冲电源电路的输出电压。
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