CN113189910A - 一种微型可编程脉冲高压源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型可编程脉冲高压源,包括:MCU可编程控制模块、集成升压模块和取样反馈模块;MCU可编程控制模块用于对可编程目标电压信号进行运算处理后输出控制信号;集成升压模块用于根据控制信号输出可编程脉冲高压源信号;取样反馈模块用于对高压源输出信号进行取样并反馈给MCU可编程控制模块。本发明由于在集成升压模块中采用原边谐振逆变和倍压相结合的两级升压拓扑结构,使得整个模块逆变效率得到提高,降低了变压器的体积;同时采用多个集成升压单元的并联输入且串联输出的形式,能够实现较小的体积以及较高的电压输出;另外采用MCU作为控制核心,使得系统的输出电压可根据需求进行数字编程调节,使得通用性和灵活性加强。

Description

一种微型可编程脉冲高压源
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域,更具体地,涉及一种微型可编程脉冲高压源。
背景技术
脉冲功率技术由于其具有极高的瞬时功率,被广泛应用于医疗、和工业应用的各个领域。脉冲功率中核心装置为脉冲高压源,其工作效率、参数和可靠性直接决定着整个脉冲功率系统的性能。
目前,小型化的脉冲高压源设计通常采用基于单管反激式变换器的拓扑进行设计,当电压等级较高时,变压器原副边匝比过大,使得变压器体积较大,整个脉冲高压源体积偏大,较为笨重,无法满足小型化场合的使用需求。而且针对不同的电压等级,变压器往往需要重新计算设计,无法进行通用适配,且重复性开发工作多。
鉴于以上存在的缺陷,急需一种性能稳定、可编程的模块化微型脉冲高压源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型可编程脉冲高压源,旨在解决现有的脉冲高压源多为定制型产品、不能通用、开发过程中重复性工作多的技术问题。
本发明提供了一种微型可编程脉冲高压源,包括:MCU可编程控制模块、集成升压模块和取样反馈模块;MCU可编程控制模块的第一输入端用于接收可编程目标电压信号,第二输入端连接至取样反馈模块的输出端,用于对可编程目标电压信号进行运算处理后输出控制信号;集成升压模块的输入端连接至MCU可编程控制模块的输出端,用于根据控制信号输出可编程脉冲高压源信号;取样反馈模块的输入端连接至集成升压模块的输出端,用于对高压源输出信号进行取样并反馈给MCU可编程控制模块。
更进一步地,MCU可编程控制模块包括:模数转换单元、PWM控制器、PID控制器和串口控制单元;串口控制单元的输入端作为MCU可编程控制模块的第一输入端,串口控制单元用于接收外部的目标电压值及可编程的指令,同时输出脉冲高压源的实际输出电压值,实现信息接收和输出;模数转换单元的输入端作为所述MCU可编程控制模块的第二输入端,所述模数转换单元用于将高压源的输出经过取样反馈模块缩放后形成的0v~3.3v模拟信号,转化为高精度的12位数字信号;PID控制器的第一输入端连接至所述串口控制单元的输出端,第二输入端连接至所述模数转换单元的输出端,PID控制器用于检测输入目标电压值与实际输出端电压的差值,通过调整控制参数改变控制器输出,对整个升压过程进行控制,达到平稳输出的目的;PWM控制器的输入端连接至所述PID控制器的输出端,所述PWM控制器的输出端作为所述MCU可编程控制模块的输出端,PWM控制器用于输出频率固定,占空比不断变化的方波。
更进一步地,集成升压模块包括N个串联连接的升压单元,各个升压单元的输出为高压源输出的1/N;各个升压单元的结构均相同,所述升压单元用于将输入的低压直流电经过逆变和倍压整流后,成为高压直流电并提供给负载。
其中,每个升压单元均包括:晶体管驱动器、晶体管、谐振电容器、变压器和倍压整流器;谐振电容器的两端与变压器原边线圈的两端并连连接,晶体管与谐振电容器串联连接,晶体管驱动器与晶体管的栅极连接,用于驱动晶体管工作;变压器副边输出端与倍压整流模块的输入端连接,倍压整流模块的输出端作为升压单元的输出端。
更进一步地,谐振电容器包括:谐振电容器Cr,变压器原边电感Lp和第一晶体管Q1;谐振电容器Cr与所述变压器原边电感Lp并联连接,并与第一晶体管Q1的漏极进行串联连接,第一晶体管Q1的栅极与晶体管驱动器串联,变压器的副边电感Ls与倍压整流模块并连连接。
更进一步地,倍压整流器包括:第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一高压电容C1、第二高压电容C2、第三高压电容C3和第四高压电容C4;第一高压电容C1的一端与变压器副边电感Ls的一端与相连,变压器副边电感Ls的另一端接地;第一二极管D1的阴极与第一高压电容C1的另一端连接,第一二极管D1的阳极接地;第二二极管D2的阳极与第一高压电容C1的另一端连接,第二二极管D2的阴极通过第二高压电容C2接地;第三二极管D3的阴极通过第三高压电容C3连接至第二二极管D2的阳极,第三二极管D3的阳极连接至第二二极管D2的阴极;第四二极管D4的阳极与第三二极管D3的阴极连接,第四二极管D4的阴极通过第四高压电容C4连接至第三二极管D3的阳极;第四二极管D4的阴极作为高压源信号输出端。
更进一步地,取样反馈模块包括:第一电阻R1和第二电阻R2,第一电阻R1和第二电阻R2依次串联连接在可编程脉冲高压源信号输出端与地之间,第一电阻R1和第二电阻R2的串联连接端作为取样反馈模块的输出端。
更进一步地,第一电阻R1和所述第二电阻R2的串联连接端输出的信号为可编程脉冲高压源信号的千分之一。
通过本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,具备如下有益的效果:
(1)本发明中,由于在集成升压模块中采用原边谐振逆变和倍压结合的两级升压拓扑,使得整个模块逆变效率得到提高,降低了变压器的体积。
(2)本发明采用两个集成升压模块的并联输入串联输出形式,能够实现较小的体积实现了较高电压的输出。
(3)本发明采用MCU作为控制核心,使得系统的输出电压可根据需求进行数字编程调节,使得通用性和灵活性加强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的微型可编程脉冲高压源的原理框图;
图2是本发明实施例提供的微型可编程脉冲高压源中MCU可编程控制模块和集成升压模块的模块结构原理框图;
图3是本发明实施例提供的集成升压模块的电路原理图;
图4是本发明实施例提供的微型可编程脉冲高压源的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例中,通过MCU可编程控制模块作为控制核心,使得系统的输出电压可以根据需求进行数字编程调节,使得通用性和灵活性加强。同时采用两个集成升压模块的并联输入串联输出形式,能够实现较小的体积实现了较高电压的输出。
图1和图2示出了本发明实施例提供的微型可编程脉冲高压源的原理,为了便于说明,仅示出了与本发明实施例相关的部分,详述如下:
本发明提供的微型可编程脉冲高压源包括:MCU可编程控制模块1、集成升压模块2和取样反馈模块3;MCU可编程控制模块1接收可编程的电压信号进行运算处理后输出两路控制信号,其信号输出端分别与两路集成升压模块输入端相连接,两路集成升压模块输出端经过串联后为高压源输出。取样反馈模块3从集成升压模块2输出端取样,其信号输出端与MCU可编程控制模块1输入端连接。
在本发明实施例中,MCU可编程控制模块包括:模数转换模块、PWM控制模块、PID控制模块和串口控制模块;外部可编程电压信号与串口模块的输入端相连,串口模块的输出端与PID控制模块相连;取样反馈模块的输出端与模数转换模块的输入端相连,输出端与PID控制模块相连;PID控制模块的输出端与PWM控制器信号输入端相连。
其中,串口控制模块接收目标电压信号和可编程指令后,将指令取出后,经过计算转化为相应的控制算法,写入PID控制模块;将目标电压经过计算后转化为与模数转换模块结果相同的12位高精度数字信号。目标电压与实际输出电压通过PID控制模块的内置控制算法比较后,输出相应的控制信号,驱动PWM控制器输出一串占空比不断变化的方波,输入到集成升压模块后实现需要的高压输出。
在不同的应用场景下,只需要通过对输入串口的指令进行编程,而无需对硬件做出修改,即可以实现不同电压的输出。例如可以电压实现线性输出,阶跃式输出、恒功率输出等。
在本发明实施例中,集成升压模块2包括N个串联连接的升压单元,各个升压单元的结构均相同。N的取值可以为大于等于2的整数,具体可以根据需求来确定。单个升压单元在输入电压为5V时,经过变压器和倍压整流后最高输出电压可以到1600V,设计时可以按照需求输出电压选择合适的升压单元数量进行串联。
作为本发明的一个实施例,集成升压模块2包括2个升压单元,每个升压单元包括:谐振电容器、MOSFET及其驱动模块、变压器和倍压整流模块;谐振电容器两端与变压器原边线圈两端并连,和MOSFET串联后共同组成单管谐振逆变模块。变压器副边输出端与倍压整流模块输入端连接,倍压整流模块的输出端为集成升压模块的输出。
当外部可编程电压信号经过串口模块输入后,与采样反馈模块经过模数转换模块后的信号一同作为PID控制模块输入,经过PID控制模块运算处理后,得到与输入电压相对应的占空比参数,输入到PWM控制模块。由PWM控制模块生成两路频率为100kHz,脉宽不断变化的脉冲波形,输入集成升压模块。
输入直流电源VCC(5V)与集成升压模块的谐振逆变电容器相连,MOSFET在PWM控制器的输出信号的控制下高速导通和断开。将输入直流电源VCC转变成交流电。通过变压器升压后得到最高400V交流电,经过倍压整流电路后,两个集成升压模块输出端对地电压最高为1600V。
由于第二升压单元的对地输出电压为1600V,将第一升压单元输出地线与第二升压单元的高压输出串联后,第一升压单元的电压基准为1600V,使得集成高压源的高压输出端抬升至3200V,从而实现了高压源可以使用较小体积变压器得到较高电压等级输出的目的。
本发明实施例采用集成升压模块作为核心升压单元,原理图如图3所示;单管逆变谐振模块包括谐振电容器Cr,变压器原边电感Lp,MOSFET Q1。其中,谐振电容器Cr与变压器原边电感Lp并联,与MOSFETQ1的漏极进行串联。Q1的栅极与MOSFET驱动器串联。变压器的副边电感Ls与倍压整流模块并连。
倍压整流模块包括:第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一高压电容C1、第二高压电容C2、第三高压电容C3和第四高压电容C4;其中,变压器副边Ls一端与第一高压电容C1相连,另一端与第一二极管D1阳极、第二高压电容C2相连和地线相连;第一高压电容C1另一端与第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极和第三高压电容C3相连,第二高压电容C2的另一端与第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阳极和第四高压电容C4相连;第三高压电容C3的另一端与第三二极管D3的阴极和第四高压电容C4的阳极相连;第四高压电容C4和第四二极管D4的阴极相连后形成高压输出端。
本发明实施例采用两个集成升压模块的并联输入和串联输出,如图4所示;第一升压单元和第二升压单元从MCU控制器并联接收两路控制信号,在第一升压单元的输出端地线与第二升压单元的高压输出端进行串联。第一升压单元的高压输出端为脉冲高压源的高压输出端,第二升压单元的地为脉冲高压源输出的地线。采样反馈模块由第一电阻R1和第二电阻R2串联组成,第二电阻R2与地线相连,第一电阻R1与高压输出端相连。采样反馈模块输出信号为第一电阻R1和第二电阻R2的串联连接端,输出信号为高压输出电压的千分之一。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微型可编程脉冲高压源,其特征在于,包括:MCU可编程控制模块(1)、集成升压模块(2)和取样反馈模块(3);
所述MCU可编程控制模块(1)的第一输入端用于接收可编程目标电压信号,第二输入端连接至所述取样反馈模块(3)的输出端,用于对所述可编程目标电压信号进行运算处理后输出控制信号;
所述集成升压模块(2)的输入端连接至所述MCU可编程控制模块(1)的输出端,用于根据所述控制信号输出可编程脉冲高压源信号;
所述取样反馈模块(3)的输入端连接至所述集成升压模块(2)的输出端,用于对高压源输出信号进行取样并反馈给所述MCU可编程控制模块(1)。
2.如权利要求1所述的微型可编程脉冲高压源,其特征在于,所述MCU可编程控制模块(1)包括:模数转换单元、PWM控制器、PID控制器和串口控制单元;
所述串口控制单元的输入端作为所述MCU可编程控制模块(1)的第一输入端,所述串口控制单元用于接收外部的目标电压值及可编程的指令,同时输出脉冲高压源的实际输出电压值,实现信息接收和输出;
所述模数转换单元的输入端作为所述MCU可编程控制模块(1)的第二输入端,所述模数转换单元用于将高压源的输出经过取样反馈模块缩放后形成模拟信号,转化为高精度的数字信号;
所述PID控制器的第一输入端连接至所述串口控制单元的输出端,第二输入端连接至所述模数转换单元的输出端,所述PID控制器用于检测输入目标电压值与实际输出端电压的差值,通过调整控制参数改变控制器输出,对整个升压过程进行控制,达到平稳输出的目的;
所述PWM控制器的输入端连接至所述PID控制器的输出端,所述PWM控制器的输出端作为所述MCU可编程控制模块(1)的输出端,所述PWM控制器用于输出频率固定且占空比不断变化的方波。
3.如权利要求1或2所述的微型可编程脉冲高压源,其特征在于,所述集成升压模块(2)包括N个串联连接的升压单元,各个升压单元的输出为高压源输出的1/N;
各个升压单元的结构均相同,所述升压单元用于将输入的低压直流电经过逆变和倍压整流后,成为高压直流电并提供给负载。
4.如权利要求3所述的微型可编程脉冲高压源,其特征在于,每个升压单元均包括:晶体管驱动器、晶体管、谐振电容器、变压器和倍压整流器;
所述谐振电容器的两端与变压器原边线圈的两端并连连接,所述晶体管与所述谐振电容器串联连接,所述晶体管驱动器与所述晶体管的栅极连接,用于驱动所述晶体管工作;
所述变压器副边输出端与所述倍压整流模块的输入端连接,所述倍压整流模块的输出端作为所述升压单元的输出端。
5.如权利要求4所述的微型可编程脉冲高压源,其特征在于,所述谐振电容器包括:谐振电容器Cr,变压器原边电感Lp和第一晶体管Q1;
所述谐振电容器Cr与所述变压器原边电感Lp并联连接,并与第一晶体管Q1的漏极进行串联连接,第一晶体管Q1的栅极与晶体管驱动器串联,变压器的副边电感Ls与倍压整流模块并连连接。
6.如权利要求4或5所述的微型可编程脉冲高压源,其特征在于,所述倍压整流器包括:第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一高压电容C1、第二高压电容C2、第三高压电容C3和第四高压电容C4;
第一高压电容C1的一端与变压器副边电感Ls的一端与相连,变压器副边电感Ls的另一端接地;
第一二极管D1的阴极与第一高压电容C1的另一端连接,第一二极管D1的阳极接地;
第二二极管D2的阳极与第一高压电容C1的另一端连接,第二二极管D2的阴极通过第二高压电容C2接地;
第三二极管D3的阴极通过第三高压电容C3连接至第二二极管D2的阳极,第三二极管D3的阳极连接至第二二极管D2的阴极;
第四二极管D4的阳极与第三二极管D3的阴极连接,第四二极管D4的阴极通过第四高压电容C4连接至第三二极管D3的阳极;
第四二极管D4的阴极作为高压源信号输出端。
7.如权利要求1-6任一项所述的微型可编程脉冲高压源,其特征在于,所述取样反馈模块(3)包括:第一电阻R1和第二电阻R2,所述第一电阻R1和所述第二电阻R2依次串联连接在可编程脉冲高压源信号输出端与地之间,所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的串联连接端作为所述取样反馈模块(3)的输出端。
8.如权利要求7所述的微型可编程脉冲高压源,其特征在于,所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的串联连接端输出的信号为可编程脉冲高压源信号的千分之一。
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