CN113517818A - 一种低噪声负高压电源变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低噪声负高压电源变换器，本发明在Royer变换器基础上增加包括前馈补偿电路、反向放大器、误差放大器、相位补偿网络、N‑MOSFET管和整流滤波电路的线性反馈调节环路，能够实现输出纹波电压低，本发明采用前馈补偿网络，可以实现更好的负载瞬态响应。本发明的输出电压稳定，不受输入电压变化和负载变化的影响；电路结构简单，元器件体积小，造价低。

Description

一种低噪声负高压电源变换器
技术领域
本发明属于负高压电源变换器领域，具体涉及一种低噪声负高压电源变换器。
背景技术
现有的超低噪声高压电源变换器，电路结构源自1955年美国罗耶(G.H.Royer)发明的自 激振荡推挽三极管单变压器直流变换器,经典的Royer变换电路工作波形接近正弦波，无高次 谐波成分，整流输出后纹波噪声很小。但其为开环架构，输出电压随供电电压和负载特性会发 生明显变化。
另，美国Linear Technology(现已被Analog Device公司收购)2008年的技术文档AN118fb (High Voltage,LowNoise,DC/DC Converters)中Figure 11所示开关调节型负高压输出Royer变 换器电路，在经典Royer变换器的基础上增加开关调节器LT1534、输出电压取样电阻、反向 放大器LT1006和续流二极管1N5817，同时将电源输入和谐振绕组中心抽头之间的扼流电感调 整到三极管基极和MOSFET漏极之间。其基本原理为：反向放大器A1提供低阻抗反向输入， 将负输出采样电压转换为正电压，实现负输出电压的采样和极性反转。LT1534为开关稳压器， 在反馈电压FB的控制下实现Royer谐振回路的电流控制，从而实现输出电压的调节。该电路 一定程度上继承了Royer的低噪声特性，实现了输出电压的较低低纹波噪声和输出电压稳定特 性。该技术中，LT1534工作在开关状态，尽管其设计已经最大限度的降低了传导和辐射EMC 特性，但任然会恶化经典的Royer变换器的高次谐波成分和输出纹波噪声。另外，现有电路中， LT1534集成误差放大器和基准电压，输出电压只能为固定值或者手动调节，不方便实现程序 控制。
综上所述，现有技术实现的低噪声负高压电源变换器具有以下缺点：
1、经典Royer变换器无返馈环路，输出电压随输入电压和负载特性变化而显著变化，无 法实现精准的电压输出。
2、开关调整型Royer变换器实现方式引入开关噪声，恶化电源输出纹波。
3、开关调整型Royer变换器为了实现更小的纹波噪声，需要加大输出滤波电容，将导致 电路体积大幅增加，不利于产品小型化。
4、开关调整型Royer变换器基准电压集成在芯片内部，要实现通过软件调节输出电压比 较困难，电路实现复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种低噪声负高压电源变换器，在较小的体积内实 现低输出纹波噪声和稳定的电压输出。
为了达到上述目的，本发明包括前馈补偿电路、反向放大器、误差放大器、相位补偿网络、 N-MOSFET管、Royer谐振变换器和整流滤波电路；
反向放大器连接负高压电源和误差放大器，误差放大器连接N-MOSFET管，N-MOSFET 管连接Royer谐振变换器，Royer谐振变换器连接整流滤波电路，整流滤波电路连接前馈补偿 电路，前馈补偿电路连接反向放大器，误差放大器并联相位补偿网络，误差放大器连接电压基 准源。
Royer谐振变换器包括变压器T1、谐振电容C4、启动电阻R8、双三极管和阻尼电感L1；
阻尼电感L1连接N-MOSFET的漏极与两个三极管Q1的发射极，两个三极管Q1的基极连接变压器T1，其中一个三极管Q1的基极连接启动电阻R8，启动电阻R8连接电源和变压 器T1，两个三极管Q1的集电极连接变压器T1，两个三极管Q1的集电极间设置有谐振电容 C4。
整流滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C75、电容C76和电阻R1；
二极管D1和二极管D2的负极连接Royer谐振变换器，二极管D3和二极管D4的正极连 接Royer谐振变换器，电容C75和电容C76并联设置，电容C75和电容C76的一端连接二极管D3和二极管D4的负极，二极管D1和二极管D2的正极连接电容C75的另一端、电阻R1 的一端和前馈补偿电路，电阻R1的另一端连接电容C76的另一端和反向放大器。
二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4均采用超快恢复二极管。
前馈补偿电路包括电容C3和电阻R2，电容C3的一端连接整流滤波电路，另一端连接电 阻R2的一端，电阻R2的另一端连接反向放大器。
反向放大器包括电阻R3、电阻R11和运放U2；
电阻R3设置在负高压电源与运放U2的反相输入端间，运放U2的正向输入端接地，运 放U2的输出端连接误差发大器，运放U2并联电阻R11。
运放U2的反向输入端反向跨接有钳位保护电路。
误差放大器的反向输入端连接反向放大器的输出端，误差放大器的正向输入端连接电压基 准，误差放大器的输出端通过电阻R12连接到N-MOSFET的栅极。
电压基准通过电位器手动调节或数模输出参考电压。
与现有技术相比，本发明在Royer变换器基础上增加包括前馈补偿电路、反向放大器、误 差放大器、相位补偿网络、N-MOSFET管和整流滤波电路的线性反馈调节环路，能够实现输 出纹波电压低，本发明采用前馈补偿网络，可以实现更好的负载瞬态响应。本发明的输出电压 稳定，不受输入电压变化和负载变化的影响；电路结构简单，元器件体积小，造价低。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构图；
图2是本发明的输出电压采用手动调节的基准电路图；
图3是本发明采用软件调节输出电压的基准电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括前馈补偿电路、反向放大器、误差放大器、相位补偿网络、N-MOSFET 管、Royer谐振变换器和整流滤波电路；
反向放大器连接负高压电源和误差放大器，误差放大器连接N-MOSFET管，N-MOSFET 管连接Royer谐振变换器，Royer谐振变换器连接整流滤波电路，整流滤波电路连接前馈补偿 电路，前馈补偿电路连接反向放大器，误差放大器并联相位补偿网络，误差放大器连接电压基 准源。
Royer谐振变换器包括变压器T1、谐振电容C4、启动电阻R8、双三极管和阻尼电感L1； Royer谐振变换器工作在类正弦波状态，不产生高次谐波。
阻尼电感L1连接N-MOSFET的漏极与两个三极管Q1的发射极，两个三极管Q1的基极连接变压器T1，其中一个三极管Q1的基极连接启动电阻R8，启动电阻R8连接电源和变压 器T1，两个三极管Q1的集电极连接变压器T1，两个三极管Q1的集电极间设置有谐振电容 C4。通常输入滤波电容C5取值10uF以上，谐振电容C4和变压器初级绕组电感Lp组成LC 谐振电路，两个三极管在反馈绕组电压激励下交替导通，实现谐振，阻尼电感L1确保振荡波 形为正弦。N-MOSFET工作在线性区，根据输出电压反馈量和基准电压源之间的误差调整流 过电感L1的电流。
整流滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C75、电容C76和电阻R1；二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4均采用超快恢复二极管。
二极管D1和二极管D2的负极连接Royer谐振变换器，二极管D3和二极管D4的正极连 接Royer谐振变换器，电容C75和电容C76并联设置，电容C75和电容C76的一端连接二极管D3和二极管D4的负极，二极管D1和二极管D2的正极连接电容C75的另一端、电阻R1 的一端和前馈补偿电路，电阻R1的另一端连接电容C76的另一端和反向放大器，电阻R1和 电容C76组成RC滤波电路，实现纹波电压的进一步衰减。
前馈补偿电路包括电容C3和电阻R2，电容C3的一端连接整流滤波电路，另一端连接电 阻R2的一端，电阻R2的另一端连接反向放大器。
反向放大器包括电阻R3、电阻R11和运放U2，实现输出电压的取样和反向电压变换，将 负输出电压转换为正输出，作为误差放大器的输入；运放U2实现高输入阻抗和反向放大，电 阻R3选用精密低温漂电阻。
电阻R3设置在负高压电源与运放U2的反相输入端间，运放U2的正向输入端接地，运 放U2的输出端连接误差发大器，运放U2并联电阻R11。
运放U2的反向输入端反向跨接有钳位保护电路，防止上电过程中U2承受电压过应力。
误差放大器U1的反向输入端连接反向放大器的输出端，误差放大器U1的正向输入端连 接电压基准，误差放大器U1的输出端通过电阻R12连接到N-MOSFET的栅极，误差放大器 U1实现反馈电压和参考电压Vref的差值放大。误差放大器U1输出电压通过R12连接 N_MOSFET的栅极，实现Royer谐振电路电流控制。
误差放大器为开放式架构，即采用通用运放加独立电压基准源实现。可以通过调节基准电 压源实现输出电压灵活调节。相位补偿网络可以是I型补偿网络，也可以是II型补偿网络。电 压基准源可以是定值电压基准，实现固定电压输出；也可以是电压基准通过电位器调节，实现 输出电压手动调整；还可以通过数模(DAC)输出参考电压，实现输出电压的软件可调。定 值电压基准直接连接到误差放大器的正向输入端，因此输出电压
Figure BDA0003145808760000051
参见图2，通过将图2所示电路替换图1中的电压基准，即可实现输出电压的调节。输出 电压调节范围从DC 0V到
Figure BDA0003145808760000052
为了限定输出电压的最小值，也可以在电位器下 端对低串接固定电阻器。
参见图3，通过将图3所示电路替换图2中的电压基准，即可实现输出电压的软件调节。 图中U3为I2C接口的DAC芯片，其输出电压范围参考电压基准；输出电压Vref连接到误差放 大器的同向输入端。输出电压为
Figure RE-GDA0003232335640000061
所述DAC不限于I2C接口，可以为SPI等 其他接口的DAC；所述电压基准也不限于外置式，可以选用集成电压基准的DAC；所述DAC也 可以是处理器内部集成的DAC。
本发明能够用于需要稳定、低噪声的负高压偏置电源场合，例如雪崩光电(APD)偏置电 压、光电倍增管(PMT)偏置电压、超声换能器、电容麦克风、辐射探测器、精密模拟仪器等 领域。

Claims (9)

1.一种低噪声负高压电源变换器，其特征在于，包括前馈补偿电路、反向放大器、误差放大器、相位补偿网络、N-MOSFET管、Royer谐振变换器和整流滤波电路；
反向放大器连接负高压电源和误差放大器，误差放大器连接N-MOSFET管，N-MOSFET管连接Royer谐振变换器，Royer谐振变换器连接整流滤波电路，整流滤波电路连接前馈补偿电路，前馈补偿电路连接反向放大器，误差放大器并联相位补偿网络，误差放大器连接电压基准源。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声负高压电源变换器，其特征在于，Royer谐振变换器包括变压器T1、谐振电容C4、启动电阻R8、双三极管和阻尼电感L1；
阻尼电感L1连接N-MOSFET的漏极与两个三极管Q1的发射极，两个三极管Q1的基极连接变压器T1，其中一个三极管Q1的基极连接启动电阻R8，启动电阻R8连接电源和变压器T1，两个三极管Q1的集电极连接变压器T1，两个三极管Q1的集电极间设置有谐振电容C4。
3.根据权利要求1所述的一种低噪声负高压电源变换器，其特征在于，整流滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C75、电容C76和电阻R1；
二极管D1和二极管D2的负极连接Royer谐振变换器，二极管D3和二极管D4的正极连接Royer谐振变换器，电容C75和电容C76并联设置，电容C75和电容C76的一端连接二极管D3和二极管D4的负极，二极管D1和二极管D2的正极连接电容C75的另一端、电阻R1的一端和前馈补偿电路，电阻R1的另一端连接电容C76的另一端和反向放大器。
4.根据权利要求3所述的一种低噪声负高压电源变换器，其特征在于，二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4均采用超快恢复二极管。
5.根据权利要求1所述的一种低噪声负高压电源变换器，其特征在于，前馈补偿电路包括电容C3和电阻R2，电容C3的一端连接整流滤波电路，另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接反向放大器。
6.根据权利要求1所述的一种低噪声负高压电源变换器，其特征在于，反向放大器包括电阻R3、电阻R11和运放U2；
电阻R3设置在负高压电源与运放U2的反相输入端间，运放U2的正向输入端接地，运放U2的输出端连接误差发大器，运放U2并联电阻R11。
7.根据权利要求1所述的一种低噪声负高压电源变换器，其特征在于，运放U2的反向输入端反向跨接有钳位保护电路。
8.根据权利要求1所述的一种低噪声负高压电源变换器，其特征在于，误差放大器的反向输入端连接反向放大器的输出端，误差放大器的正向输入端连接电压基准，误差放大器的输出端通过电阻R12连接到N-MOSFET的栅极。
9.根据权利要求8所述的一种低噪声负高压电源变换器，其特征在于，电压基准通过电位器手动调节或数模输出参考电压。
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