CN111656300A - 数字高压电源 - Google Patents

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Abstract

一种数字高压电源，其具有多个滤波器、高压分压器和具有存储器的处理器。所述存储器包含操作设定点。所述处理器被配置为：从所述高压分压器接收缩放电压反馈信号，将所述缩放电压反馈信号与存储器中的所述多个操作设定点进行比较，使用经比较的缩放电压反馈信号来计算并存储修正的操作设定点，使用所述修正的操作设定点来同时且自动地将输出电压调节到所有操作设定点内，并且当输出条件超过任何操作设定点时生成警报。

Description

数字高压电源
本申请要求于2017年12月20日提交的名称为“数字控制高压电源”的序列号为62/608,016的美国临时专利申请(我方参考号为2296.004)和于2017年12月20日提交的名称为“多可控高压电源系统”的序列号为62/608,018的美国临时专利申请(我方参考号为2296.005)的优先权和权益。这些参考文献以整体方式并入本文中。
技术领域
本实施例一般涉及数字高压电源。
背景技术
与传统的模拟电源相比，需要一种性能提高、成本降低的数字电源。
当前实施例满足这些需要。
附图说明
结合以下附图，将更好地理解详细说明：
图1描绘了根据一个或多个实施例的数字高压电源的概观。
图2描绘了根据一个或多个实施例的第二电源。
下面参考所列附图详细描述当前实施例。
具体实施方式
在详细解释本装置之前，应当理解，该装置不限于特定实施例，并且其可以以各种方式实践或执行。
本发明涉及一种数字高压电源。
该数字高压电源具有高压设备，该高压设备被配置为接收低电压并生成包含不期望的正弦噪声的高电压信号，所述高压设备包括变压器、晶体管和高压倍增器中的至少一个。
所述数字高压电源具有多个滤波器，其中，至少一个滤波器连接到所述高压设备。所述至少一个滤波器形成高压输出。
所述数字高压电源具有高压分压器以接收所述高压输出并生成缩放电压反馈信号。
所述数字高压电源具有处理器，该处理器具有包含多个操作设定点的存储器。所述处理器连接到低压设备和高压设备。
所述处理器被配置为：从所述高压分压器接收所述缩放电压反馈信号；将所述缩放电压反馈信号与所述存储器中的所述多个操作设定点进行比较；使用经比较的缩放电压反馈信号来计算、存储修正的操作设定点；使用所述修正的操作设定点来同时且自动地将输出电压调节到所有操作设定点内；并且当输出条件超过任何操作设定点时生成警报作为输出信号。
所述数字高压电源通过防止电源中的尖峰，超过人的耐力，可以防止在电源附近的伤害和伤亡。
所述数字高压电源提供降低所述电源中的噪声的清晰反馈信号。所述数字高压电源使得所述电源快速且准确地关闭，以防止在由于高电压导致的故障或爆炸过流状况的情况下发生火灾和爆炸。
在实施例中，所述数字高压电源具有可以提供干净且准确的输出的数字补偿电路。所述数字高压电源为清晰和准确的医学成像应用提供稳定的电源，这可以允许疾病和医学状况的早期诊断。
所述数字高压电源可以提供较小尺寸的电源。所述较小尺寸的电源使得能够减小医疗设备的尺寸和重量。小尺寸电源可以在自然灾害或人为灾害的情况下使用。
在实施例中，所述数字高压电源可以为检测违禁品的设备提供稳定的电源。TSA和国家安全局可以使用这种稳定且可靠的长寿命电源来检测对国家安全的威胁。
所述数字高压电源可以允许更宽的可变输入电压范围，使得单个机器可以被部署和重新定位到许多地理区域中。所述数字高压电源用单个轻质、便携、可运输的数字高压电源提供许多电压。例如，电源可以从0.5磅到10磅。所述数字高压电源使得能够顺序地服务多个位置，而不需要为每个位置专门建造的机器。
所述数字高压电源可用于便携式X射线单元，为受灾地区提供快速救援。
本文中使用以下定义：
术语“警报”可以指指定何时满足特定条件的信号。例如，警报可以是当所述输入电压超过高输出电压极限时发光的LED。
术语“通信协议或离散I/O信号”可以指用于与高压电源相互作用的信号或信号组。例如，通信协议可以是从来自分压器的反馈信号接收的信号或从计算机接收的用于打开或关闭高压输出的通信。
术语“数字高压电源”可以指其中在反馈回路内使用数字技术来控制高压电源的高压电源。例如，数字高压电源可以使用模拟设定点来增大或减小所述高压输出，并且防止系统发生超过1％的不期望的电压变化。
术语“滤波器”可以指通过特定频率或频率范围的电流同时防止其它电流以不同频率或不同频率范围通过的设备或物质。例如，滤波器可以是从信号中去除白噪声或从正弦波中去除小的电压变化的设备。
术语“高电压”描述具有从125伏到1百万伏的可变电压平台，其允许用户在一个平台上选择125伏到1百万伏之间的那些电压中的任何一个，或者在单独的电压平台中具有这些电压中的任何一个。
术语“高压分压器”可以指产生作为高压分压器的输入电压的一部分的输出电压的无源线性电路。例如，高压分压器采用高电压并基于模拟设定点或数字设定点将高电压6000伏分压为可由高压电源使用的低电压3.3伏。
术语“高压倍增器”可以指经常用于产生高DC电压的电容器和整流二极管的结构。例如，高压倍增器可以是Cockcroft-WaltonTM三级串联倍增器。
术语“高压输出”是大到足以对人、野生动物、牲畜或物体造成伤害或损害的电势。即使低电压进入本发明的电源，电源也可以产生高压输出。“高压输出”的范围可从100Vdc到1,000,000Vdc。输出电压可以通过引脚、电缆或连接器提供。
术语“高压设备”可以指组合地产生高压的电容器二极管和/或变压器的结构。一个示例可以是具有二极管和产生500Vdc的电容器的高压变压器。
术语“低电压”可以指小于100Vdc的电压。例如，对于高压电源的输入，低电压可以是24Vdc，或者对于缩放电压反馈信号，低电压可以是3.3Vdc。
术语“存储器”非暂时性计算机可读介质，诸如与处理器通信的固态存储器等。
术语“非暂时性计算机可读介质”不包括任何暂时性信号，但是包括任何非暂时性数据存储电路，例如缓冲器和高速缓存，并且其中，当从设备断电或设备关闭时，非暂时性计算机可读介质不擦除。
术语“操作设定点”可以指用户希望操作的点。例如，操作者可以将操作高电压设定点设置为3000V，并且高压电源将产生3000V。
术语“预设启动”可以指工厂或用户编程的启动条件。电源将通电，并到达高压输出的精确工厂编程电压设定点。该高压输出可以是电源的能输出电压的0.001％至100％。
术语“处理器”指计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或基于云的计算系统。例如，处理器可以是微处理器。
术语“修正的操作设定点”可以指由电源基于误差计算而设定的操作点。如果操作设定点被设置为3000V，但是电源产生3010V，则来自电源的修正的操作设定点将修改操作设定点，使得输出电压将为3000V。
术语“缩放电压反馈信号”可以指来自高压分压器的信号。高压信号被缩放为更小的可工作电压，如3.3Vdc。高压电源现在可以使用该信号来进行调整。
术语“变压器”可以指基本上由缠绕在单个芯上的两个或多个绕组组成的电气设备，其通过电磁感应将电能从一组一个或多个电路转换到另一组一个或多个电路，使得能量的频率保持不变和恒定，而电压和电流通常改变。例如，高压电源上的变压器可以将24Vac转换为1200Vac。
术语“晶体管”可指代调节电流或电压流动且充当用于电子信号的开关或栅极的设备。例如，晶体管可以是作为“通断”电源开关操作的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。
现在转向附图，图1描绘了数字高压电源10的概观。
数字高压电源10具有高压设备20。
高压设备20可以被配置为接收低电压22并且生成包含不期望的正弦噪声23的高压信号。
电压设备20可以具有变压器24、晶体管25和高压倍增器26中的至少一个。
在实施例中，电压设备20可以具有连接到晶体管25的一个变压器24。在实施例中，电压设备可以具有连接到多个晶体管的多个变压器，每对串联和/或并联连接。
在实施例中，电压设备20可以具有连接到高压倍增器26的变压器24。在实施例中，电压设备可以具有连接到多个高压倍增器的多个变压器，每对串联和/或并联连接。
在实施例中，电压设备20可以具有连接到变压器24的晶体管25，变压器24连接到高压倍增器26。该组晶体管、变压器和高压倍增器可以串联或并联连接。
在实施例中可以使用多个晶体管、变压器和高压倍增器。每组晶体管、变压器和高压倍增器可以与另一组串联或并联连接。
数字高压电源10具有多个滤波器60a至60c，其中，至少一个滤波器60a至60c连接到高压设备20。
在实施例中，至少一个滤波器60a可以形成第一高压输出50a和第二高压输出50b。在实施例中，可以创建单个高压输出。
在一个实施例中，第一滤波器60a可为电感电阻电容滤波器“LRC滤波器”并且与第二滤波器60b串联连接，第二滤波器60b可为进一步与第三滤波器60c串联连接的电阻电容器“RC”滤波器，第三滤波器60c可为与第二滤波器60b相同或不同的值的另一RC电阻电容滤波器。
第三滤波器或最后一个滤波器(如果仅使用一个、两个或多于三个)提供高压输出。
高压输出可以是4500伏作为输出。
高压分压器33可以接收高压输出50a和50b并且生成缩放电压反馈信号35。
例如，高压分压器可接收1500Vdc的高压输出并且生成2Vdc的缩放电压反馈信号35。
数字高压电源10可以包含处理器30，例如微处理器。
处理器30具有存储器32，存储器32可包含多个操作设定点36，例如3000位操作设定点。
在实施例中，处理器30可以连接到低压设备22和高压设备20。
处理器30可以被配置为：从高压分压器33接收缩放电压反馈信号35；将缩放电压反馈信号35与存储器中的多个操作设定点36a至36b进行比较；使用经比较的缩放电压反馈信号35计算并存储至少一个修正的操作设定点38；使用修正的操作设定点38来同时且自动地将高压输出50调节到所有操作设定点内；并且当输出条件超过任何操作设定点时产生警报37。
基于用户定义的参数，操作设定点是可变的。
在实施例中，预设设定点和操作设定点中的至少一个可以是模拟、数字或模拟和数字设定点两者。
在实施例中，同时，警报37可通过通信协议47或离散I/O信号49自动发送。
作为示例，可用的通信协议可以是RS-232。
在实施例中，纹波和数字振荡抑制器61可以位于存储器32中。纹波和数字振荡抑制器61的示例是需要从输出信号中去除的已知的连续频率正弦波。
在实施例中，存储器32可以包含第一预设值64和第二预设值66，第一预设值64用于调节在高压电源的输出被使能之后输出电压达到操作设定点的速度，第二预设值66在存储器中用于调节由于改变的电流负载条件而调节输出电压的速度。
第二反馈回路42可以连接到向处理器30提供另一反馈信号76的电流-电压转换器75。反馈信号76用于调整存储器中的修正的操作设定点38。反馈信号76不超过操作设定点36a至36b中的一个。例如，电流-电压转换器可以是适当配置的运算放大器，例如得自Texas
Figure BDA0002514702420000061
的运算放大器。
在实施例中，警报37可以包含多个通信信号，所有通信信号同时操作以传送不同的命令和数据。
在实施例中，预设值可以调节在高压电源的输出被使能之后输出电压达到操作设定点的速度和由于变化的负载条件而调节输出电压的速度。
图2描绘了电连接在处理器30和高压设备20之间的第二电源63。
温度传感器51可以连接到处理器。温度传感器用于检测电源部件周围的温度。
分压器65可以被配置为从高压设备接收第二电压输出67，并且生成第二缩放电压反馈信号69。
例如，如果第一电压输出67是2000Vdc，则第二缩放电压反馈信号69可以是10Vdc，如由分压器65生成的。
在实施例中，非同步降压器101、非同步升压器102、同步降压器103或同步升压器104可以各自作为第二电源63操作。
例如，电源中的非同步降压器101可以是将电压从24Vdc转换为19Vdc的电压转换器。
例如，电源中的非同步升压器102可以是将电压从24Vdc转换为36Vdc的电压转换器。
例如，可用于电源中的同步降压器103可以是将电压从29Vdc转换为15Vdc的电压转换器。
例如，可在电力系统中使用的同步升压器104可以是将电压从12Vdc转换为28Vdc的电压转换器。
电力系统的三个不同示例如下：
示例1：具有塑料壳体的数字高压电源。
在实施例中，数字高压电源包含在密封的塑料壳体中。数字高压电源的重量可达1/2至2磅。
高压设备位于壳体中，其可以例如用环氧树脂附接到壳体。在该示例中，高压设备接收诸如12伏DC的低电压。
高压设备将12伏转换为高压信号，例如包含不期望的正弦噪声的1000Vac，例如在电话呼叫中像静电一样的6Vac信号。
高压设备可包含将12伏转换为1000伏的变压器或以不同的方式执行相同电压转换的升压设备。
高压设备包含诸如MOSFET晶体管的晶体管，该晶体管拉动低压12伏电流通过变压器并产生磁场，该磁场像连接到水管的水阀一样控制电压的通过。
高压设备包含高压倍增器，例如6倍倍增器，其将来自变压器的电压倍增为6倍于变压器电压的高压信号。高压设备的示例可以是由德克萨斯州的艾迪森迪恩技术公司制造的标准串联倍增器。
在该示例中，使用两个滤波器。第一滤波器连接到高压设备，并且第二滤波器与第一滤波器串联地连接到高压设备。
第二滤波器形成高压输出。
该示例中的第一滤波器可为通过接地彼此并联连接在一起的电感器(例如10微亨电感器)与电容器(例如1微法电容器)的组合。
第二滤波器可以是与第一滤波器串联的电阻器和与接地连接的电容器的组合。电阻器可以是10千欧的电阻器。第二滤波器中的电容器可以是2微法电容器。
在这种情况下，高压分压器电连接在高压信号之间，并产生缩放电压反馈信号。高压分压器由串联连接的多个电阻器形成。高压分压器可以使用不同尺寸的电阻器，例如一个10千兆欧的电阻器和一个10千欧的电阻器。
高压分压器被配置为接收1000伏的高压输出并且生成3伏DC的缩放电压反馈信号。
处理器，例如具有可编程外围设备的微处理器，以及各种硬件特征和存储器。
该示例的存储器包含4096个操作设定点。部分的设定点是电源可以被设置为用于操作的特定电压或电流。其它设定点是时间间隔，或重启间隔，关机时间长度。例如，通过将用户定义的值输入到处理器的存储器中，可以将特定电压从2000伏改变为5000伏。
时间间隔设定点的示例可以持续5分钟。
重启间隔的示例可以是尝试每一秒钟重启一次。
关机时间长度的示例可以保持关闭5秒。
处理器连接到低压设备和高压设备。
处理器被配置为：从高压分压器接收缩放电压反馈信号；将缩放电压反馈信号与存储器中的多个操作设定点进行比较；使用经比较的缩放电压反馈信号计算至少一个修正的操作设定点并将其存储在存储器中。
例如，处理器根据客户的需要计算更高或更低电压的至少一个修正的操作设定点，例如4000伏或1000伏等的计算和2000或4096的A-D值。
处理器使用经修正的操作设定点来在所有操作设定点内同时且自动地调节高输出电压。
示例2：具有开放板的数字高压电源。
在一个实施例中，数字高压电源包含在密封的开放板中。数字高压电源的重量可达11/2至2磅。
在这种情况下是可以例如用环氧树脂附接到壳体的高压设备。
在该示例中，高压设备接收诸如12伏DC的低电压。
高压设备将12伏转换为高压信号，例如包含不期望的正弦噪声的1000伏DC，例如在电话呼叫中像静电一样的6伏AC信号。
高压设备包含变压器，例如将12伏转换为1000伏的变压器，或者可以使用以不同的方式执行相同电压转换的升压设备。
高压设备包含诸如MOSFET晶体管的晶体管，该晶体管拉动低压12伏电流通过变压器并产生磁场，该磁场像连接到水管的水阀一样控制电压的通过。
高压设备包含高压倍增器，例如6倍倍增器，其将来自变压器的电压倍增为6倍于变压器电压的高压信号。高压设备的示例可以是由德克萨斯州的艾迪森迪恩技术公司制造的标准串联倍增器。
在该示例中，使用两个滤波器。第一滤波器连接到高压设备，并且第二滤波器与第一滤波器串联地连接到高压设备。
第二滤波器形成高压输出。
该示例中的第一滤波器可为通过接地彼此并联连接在一起的电感器(例如10微亨电感器)与电容器(例如1微法电容器)的组合。
第二滤波器可以是与第一滤波器串联的电阻器和与接地连接的电容器的组合。电阻器可以是10千欧的电阻器。第二滤波器中的电容器可以是2微法电容器。
在这种情况下，高压分压器电连接在高压信号之间，并产生缩放电压反馈信号。高压分压器由串联连接的多个电阻器形成。高压分压器可以使用不同尺寸的电阻器，例如一个10千兆欧的电阻器和一个10千欧的电阻器。
高压分压器被配置为接收1000伏的高压输出并且生成3Vdc的缩放电压反馈信号。
处理器，例如具有可编程外围设备的微处理器，以及各种硬件特征和存储器。
该示例的存储器包含4096个操作设定点。部分的设定点是电源可以被设置为用于操作的特定电压或电流。其它设定点是时间间隔，或重启间隔，关机时间长度。例如，通过将用户定义的值输入到处理器的存储器中，可以将特定电压从2000伏改变为5000伏。
时间间隔设定点的示例可以持续5分钟。
重启间隔的示例可以是尝试每一秒钟重启一次。
关机时间长度的示例可以保持关闭5秒。
处理器连接到低压设备和高压设备。
处理器被配置为：从高压分压器接收缩放电压反馈信号；将缩放电压反馈信号与存储器中的多个操作设定点进行比较；使用经比较的缩放电压反馈信号计算至少一个修正的操作设定点并将其存储在存储器中。
例如，处理器根据客户的需要计算更高或更低电压的至少一个修正的操作设定点，例如4000伏或1000伏等的计算和2000或4096的A-D值。
处理器使用经修正的操作设定点来在所有操作设定点内同时且自动地调节高输出电压。
示例3：具有金属壳体的数字高压电源。
在实施例中，数字高压电源包含在密封的金属壳体中。数字高压电源的重量可达2至3磅。
在这种情况下是可以例如用环氧树脂附接到壳体的高压设备。在该示例中，高压设备接收诸如12Vdc的低电压。
高压设备将12伏转换为高压信号，例如包含不期望的正弦噪声的1000伏DC，例如在电话呼叫中像静电一样的6Vac信号。
高压设备包含变压器，例如将12伏转换为1000伏的变压器，或者可以使用以不同的方式执行相同电压转换的升压设备。
高压设备包含诸如MOSFET晶体管的晶体管，该晶体管拉动低压12伏电流通过变压器并产生磁场，该磁场像连接到水管的水阀一样控制电压的通过。
高压设备包含高压倍增器，例如6倍倍增器，其将来自变压器的电压倍增为6倍于变压器电压的高压信号。高压设备的示例可以是由德克萨斯州的艾迪森迪恩技术公司制造的标准串联倍增器。
在该示例中，使用两个滤波器。第一滤波器连接到高压设备，并且第二滤波器与第一滤波器串联地连接到高压设备。
第二滤波器形成高压输出。
该示例中的第一滤波器可为通过接地彼此并联连接在一起的电感器(例如10微亨电感器)与电容器(例如1微法电容器)的组合。
第二滤波器可以是与第一滤波器串联的电阻器和与接地连接的电容器的组合。电阻器可以是10千欧的电阻器。第二滤波器中的电容器可以是2微法电容器。
在这种情况下，高压分压器电连接在高压信号之间，并产生缩放电压反馈信号。高压分压器由串联连接的多个电阻器形成。高压分压器可以使用不同尺寸的电阻器，例如一个10千兆欧的电阻器和一个10千欧的电阻器。
高压分压器被配置为接收1000伏的高压输出并且生成3Vdc的缩放电压反馈信号。
处理器，例如具有可编程外围设备的微处理器，以及各种硬件特征和存储器。
该示例的存储器包含4096个操作设定点。部分的设定点是电源可以被设置为用于操作的特定电压或电流。其它设定点是时间间隔，或重启间隔，关机时间长度。例如，通过将用户定义的值输入到处理器的存储器中，可以将特定电压从2000伏改变为5000伏。
时间间隔设定点的示例可以持续5分钟。
重启间隔的示例可以是尝试每一秒钟重启一次。
关机时间长度的示例可以保持关闭5秒。
处理器连接到低压设备和高压设备。
处理器被配置为：从高压分压器接收缩放电压反馈信号；将缩放电压反馈信号与存储器中的多个操作设定点进行比较；使用经比较的缩放电压反馈信号计算至少一个修正的操作设定点并将其存储在存储器中。
例如，处理器根据客户的需要计算更高或更低电压的至少一个修正的操作设定点，例如4000伏或1000伏等的计算和2000或4096的A-D值。
处理器使用经修正的操作设定点来在所有操作设定点内同时且自动地调节高输出电压。
虽然已经重点描述了这些实施例，但是应当理解，在所附权利要求书的范围内，可以实践除了本文具体描述的以外的实施例。

Claims (15)

1.一种数字高压电源，其包括：
a.高压设备，该高压设备被配置为接收低电压并生成包含不期望的正弦噪声的高电压信号，所述高压设备包括变压器、晶体管和高压倍增器中的至少一个；
b.多个滤波器，其中，所述多个滤波器中的至少一个滤波器连接到所述高压设备，并且所述多个滤波器中的至少一个滤波器形成高压输出；
c.高压分压器，其被配置为接收所述高压输出并且生成缩放电压反馈信号；
d.处理器，其具有包含多个操作设定点的存储器，所述处理器连接到低压设备和所述高压设备，所述处理器被配置为：
(i)从所述高压分压器接收所述缩放电压反馈信号；
(ii)将所述缩放电压反馈信号与所述存储器中的所述多个操作设定点进行比较；
(iii)使用经比较的缩放电压反馈信号来计算至少一个修正的操作设定点并将其存储在所述存储器中；并且
(iv)使用所述至少一个修正的操作设定点来同时且自动地调节所述多个操作设定点中的所有操作设定点内的所述高压输出。
2.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述数字高压电源包括通过通信协议或离散I/O信号同时且自动地发送警报37。
3.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述数字高压电源包括与所述处理器连接的温度传感器。
4.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述多个操作设定点是基于用户定义的参数可变的。
5.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述数字高压电源包括第二反馈回路，该第二反馈回路连接到向所述处理器提供另一反馈信号的电流-电压转换器。
6.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述多个操作设定点中的至少一个操作设定点是模拟操作设定点、数字操作设定点、或模拟和数字操作设定点。
7.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述数字高压电源包括所述存储器中的纹波和数字振荡抑制器。
8.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述数字高压电源包括电连接在所述处理器和所述高压设备之间的第二电源。
9.根据权利要求8所述的数字高压电源，其中，所述数字高压电源包括分压器，所述分压器被配置为接收来自所述高压设备的第二电压输出，并且生成第二缩放电压反馈信号。
10.根据权利要求9所述的数字高压电源，其中，所述第二电源包括：非同步降压器、非同步升压器、同步降压器[[103]]或同步升压器。
11.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述警报包括：多个通信信号，所有通信信号同时操作以传送不同的命令和数据。
12.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述数字高压电源包括电流-电压转换器，该电流-电压转换器向所述处理器提供反馈信号，所述反馈信号用于调节所述至少一个修正的操作设定点，并且其中，所述反馈信号不超过存储在所述存储器中的所述多个操作设定点中的一个操作设定点。
13.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述数字高压电源包括所述存储器中的第一预设值，用于调节在所述高压电源的输出被使能之后所述输出电压达到所述多个操作设定点中的操作设定点的速度。
14.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述数字高压电源包括所述存储器中的第二预设值，用于调节由于改变的负载条件而调节所述输出电压的速度。
15.根据权利要求1所述的数字高压电源，其中，所述处理器被配置为当输出条件超过所述多个操作设定点中的任何操作设定点时生成警报。
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