CN114884381B - 一种数控高精度超低纹波高压直流源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数控高精度超低纹波高压直流源装置，属于高压电源技术领域；交流直流转换单元的输出端和与其对应的继电器的电源输入端电连接；数控单元的使能输出端和与其对应的继电器的使能输入端电连接；控制器的电压输出端与线性电源单元的电压输入端电连接，线性电源单元的电压输出端与ROYER谐振单元的电压输入端电连接；ROYER谐振单元的电压输出端与正负倍压整流单元的电压输入端电连接；正负倍压整流单元用于将从其自身的电压输入端输入的高压交流电压信号整流滤波成高压直流电压信号，并从其自身的电压输出端输出。所述数控高精度超低纹波高压直流源装置解决了现有的高压直流源装置存在纹波大且开关损耗大的问题。

Description

一种数控高精度超低纹波高压直流源装置
技术领域
本发明涉及高压电源技术领域，特别是一种数控高精度超低纹波高压直流源装置。
背景技术
基于PMT和MCP等传感器开发的仪器，如质谱仪等精密仪表仪器常常需要使用到精密高压直流源，其精密性体现在需要高达0.1%的线性精度和0.01%的纹波率。目前，将低压直流源转成高压直流源有BOOST升压和升压变压器逆变升压两种方法。使用BOOST架构的升压IC通常耐不了几百伏以上的高压，因此高压直流源通常采用变压器逆变升压技术，通过推挽或反激式的方法，将直流源逆变成高压交流源再进行整流滤波，从而获得高压直流源。也由于使用到逆变技术，因此这种方法虽然可以实现直流源升压的目的，但同样也会放大直流源的纹波。值得一提的是，逆变技术虽然跟变压器的匝数比相关，但现实中的变压器并非是理想化的模型，因此必须引入负反馈才能使其输出一个稳定的电压。同样的，负反馈调节设计的不好，就会导致输出精度的问题。终上所述，常规的高压直流源技术存在着纹波大、线性精度差以及温漂较大的问题，以上问题给质谱仪、气象色谱仪等精密测量带来了较大的影响。并且常规的小型化高压直流源装置往往使用可变电阻器来控制电压输出，此类操作往往比较麻烦。为解决以上问题，此类装置的常用的解决方法有以下两种：
1、在减少纹波方面，此类装置在高压输出部分使用大电容和电感组成π型无源滤波器进行滤波。此滤波器确实可以有效减小纹波的问题，但由于PMT、MCP和质谱仪飞行区中的匀强电场等仪器设备需要用到的高压源高达上千伏，满足该高压耐压条件下的大容量电容往往体积巨大，因此使用该方法难免导致仪器臃肿，也不利于小型化和轻量化的设计。同时，由于使用到π型滤波，虽然可以大幅降低纹波系数，但是LC本质上是储能器件，所以在负反馈调节中会极大影响系统的响应速度，导致输出精度不高，甚至引起负反馈调节失效。2、在调节精度方面，此类装置在负反馈调节部分使用占空比调节技术控制输出精度，此方法也是常用的负反馈调节技术，但由于高压直流源在质谱中涉及到到宽电压输出应用，不断提高占空比只会增加系统的开关损耗。如此，现有的高压直流源装置存在纹波大且开关损耗大的问题。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种数控高精度超低纹波高压直流源装置，解决了现有的高压直流源装置存在纹波大且开关损耗大的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种数控高精度超低纹波高压直流源装置，包括交流直流转换单元、控制器、数控单元、线性电源单元、ROYER谐振单元和正负倍压整流单元；所述控制器包括多个继电器；
所述交流直流转换单元包括多个输出端，所述交流直流转换单元的输出端与所述继电器一一对应，所述交流直流转换单元的输出端和与其对应的继电器的电源输入端电连接，所述交流直流转换单元用于将输入的交流电转换成不同电压值的直流电压信号并从对应的输出端输送到对应的继电器；
所述数控单元设有多个使能输出端，所述使能输出端与所述继电器一一对应，所述数控单元的使能输出端和与其对应的继电器的使能输入端电连接；
所述控制器的所有继电器的输出端并联后形成所述控制器的电压输出端，所述控制器的电压输出端与所述线性电源单元的电压输入端电连接，所述线性电源单元的电压输出端与所述ROYER谐振单元的电压输入端电连接；所述线性电源单元用于向ROYER谐振单元的电压输入端输送高精度低纹波系数的电压；
所述ROYER谐振单元的电压输出端与所述正负倍压整流单元的电压输入端电连接；
所述ROYER谐振单元用于对从其自身的电压输入端输入的高精度低纹波系数的电压进行谐振并逆变成高压交流电压信号并输入到所述正负倍压整流单元；
所述正负倍压整流单元用于将从其自身的电压输入端输入的高压交流电压信号整流滤波成高压直流电压信号，并从其自身的电压输出端输出。
值得说明的是，所述ROYER谐振单元包括升压变压器U1、BJT三极管Q1和BJT三极管Q2；
所述升压变压器U1包括低压侧PIN1端口、低压侧PIN2端口、低压侧PIN3端口、低压侧PIN4端口、低压侧PIN5端口、高压侧PIN6端口和高压侧PIN7端口；所述低压侧PIN1端口、低压侧PIN2端口和低压侧PIN3端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧PIN4端口和低压侧PIN5端口为同一组感应线圈的端口，所述高压侧PIN6端口和高压侧PIN7端口为同一组感应线圈的端口；
所述升压变压器U1的低压侧PIN1端口与所述BJT三极管Q2的集电极电连接，所述升压变压器U1的低压侧PIN2端口与所述线性电源单元的电压输出端电连接，所述升压变压器U1的低压侧PIN3端口与所述BJT三极管Q1的集电极电连接，所述BJT三极管Q1的集电极和所述BJT三极管Q2的集电极之间并联有电容C3；所述升压变压器U1的低压侧PIN4端口与所述BJT三极管Q1的基极电连接，所述升压变压器U1的低压侧PIN5端口通过电阻R5与所述线性电源单元的电压输出端电连接，所述BJT三极管Q2的基极电连接通过电阻R6与所述线性电源单元的电压输出端电连接；所述BJT三极管Q1的发射极和BJT三极管Q2的发射极电连接；所述高压侧PIN6端口和高压侧PIN7端口与所述正负倍压整流单元的电压输入端电连接。
可选地，所述正负倍压整流单元包括第一四倍压电路和第二四倍压电路；
所述第一四倍压电路包括耐压电容C4、耐压电容C5、快速回复二极管D1和快速回复二极管D2；所述升压变压器U1的高压侧PIN7端口与所述耐压电容C4的一端电连接，所述耐压电容C4的另一端与所述快速回复二极管D1的阴极电连接，所述快速回复二极管D1的阴极还与所述快速回复二极管D2的阳极电连接，所述快速回复二极管D2的阴极与所述耐压电容C5的一端电连接，所述耐压电容C5的另一端与所述快速回复二极管D1的阳极电连接，所述快速回复二极管D1的阳极还与所述升压变压器U1的高压侧PIN6端口电连接；所述快速回复二极管D2的阴极作为所述正负倍压整流单元的电压输出端；
所述第二四倍压电路包括耐压电容C8、耐压电容C11、快速回复二极管D3和快速回复二极管D4；所述升压变压器U1的高压侧PIN6端口与所述快速回复二极管D3的阴极电连接，所述快速回复二极管D3的阴极还通过所述耐压电容C11与所述快速回复二极管D4的阳极电连接，所述快速回复二极管D4的阳极接地，所述快速回复二极管D4的阴极与所述快速回复二极管D3的阳极电连接，所述快速回复二极管D3的阳极还通过所述耐压电容C8与所述升压变压器U1的高压侧PIN7端口电连接。
具体地，所述交流直流转换单元包括滤波器、环牛变压器和三个整流桥；所述控制器包括三个继电器，所述整流桥和所述继电器一一对应；所述环牛变压器包括包括高压侧HPIN1端口、高压侧HPIN2端口、低压侧HPIN6端口、低压侧HPIN7端口、低压侧HPIN8端口、低压侧HPIN9端口、低压侧HPIN10端口、低压侧HPIN11端口；所述高压侧HPIN1端口和高压侧HPIN2端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧HPIN6端口和低压侧HPIN7端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧HPIN8端口和低压侧HPIN9端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧HPIN10端口和低压侧HPIN11端口为同一组感应线圈的端口；
所述滤波器的输入端外接交流电，所述滤波器的输出端与所述环牛变压器的高压侧HPIN1端口和高压侧HPIN2端口电连接，同一组感应线圈的低压侧HPIN6端口和低压侧HPIN7端口、同一组感应线圈的低压侧HPIN8端口和低压侧HPIN9端口以及同一组感应线圈的低压侧HPIN10端口和低压侧HPIN11端口分别与不同的整流桥的输入端电连接，所述整流桥的输出端和与其对应的继电器的电源输入端电连接。
优选的，所述数控单元包括处理器MCU、DAC芯片和RS485芯片，所述RS485芯片与所述处理器MCU串口连接，所述DAC芯片与所述处理器MCU的控制输出端电连接，所述DAC芯片设有数控信号Vout-A输出端和数控信号Vout-B输出端作为输出；所述处理器MCU设有三个使能输出端，所述处理器MCU的使能输出端和与其对应的继电器的使能输入端电连接。
值得说明的是，所述线性电源单元包括N-MOS管Q3、N-MOS管Q4、运算放大器U2、光电耦合器U3、图腾柱和分压电路；
所述分压电路的输出端与所述运算放大器U2的反相输入端电连接，所述数控单元的数控信号Vout-A输出端与所述运算放大器U2的正相输入端电连接，所述运算放大器U2的输出端与所述图腾柱的输入端电连接，所述图腾柱的输出端与所述N-MOS管Q4的栅极电连接，所述N-MOS管Q3的漏极和所述N-MOS管Q4的漏极并联后与所述控制器的电压输出端电连接，所述N-MOS管Q3的源极和所述N-MOS管Q4的源极电连接，所述N-MOS管Q3的栅极与所述光电耦合器U3的输出端电连接。
可选地，所述图腾柱包括NPNBJT三极管Q5和NPNBJT三极管Q6；所述NPNBJT三极管Q5的发射极和NPNBJT三极管Q6发射极电连接后作为所述图腾柱的输出端，所述NPNBJT三极管Q5的集电极与电源VCC的正极电连接，所述NPNBJT三极管Q6的集电极与电源VCC的负极电连接，所述NPNBJT三极管Q5的基极和NPNBJT三极管Q6基极并联后作为所述图腾柱的输入端；
具体地，所述数控高精度超低纹波高压直流源装置还包括电压采集负反馈单元，所述电压采集负反馈单元的高压输出分压采集电路与所述正负倍压整流单元的电压输出端电连接，所述电压采集负反馈单元的反馈端与所述ROYER谐振单元的负反馈输入端电连接。
优选的，所述电压采集负反馈单元还包括误差比较器U4；
所述高压输出分压采集电路包括电阻R3、电阻R7和电阻R9，所述电阻R3的一端与所述正负倍压整流单元的电压输出端电连接，所述电阻R7的一端与所述电阻R3的另一端电连接，所述电阻R7的另一端与所述误差比较器U4的反相输入端电连接，所述电阻R7的另一端还通过所述电阻R9接地；
所述误差比较器U4的正相输入端与所述数控单元的数控信号Vout-B输出端电连接，所述误差比较器U4的输出端作为所述电压采集负反馈单元的反馈端。
值得说明的是，在所述ROYER谐振单元中，所述BJT三极管Q1的发射极和BJT三极管Q2的发射极并联后通过电感L1与N-MOS管Q7的漏极电连接，所述N-MOS管Q7的源极接地，所述N-MOS管Q7的栅极与所述电压采集负反馈单元的误差比较器U4的输出端电连接。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：在所述数控高精度超低纹波高压直流源装置中，由于不同继电器的电源输入端输入的直流电压信号的电压值不同，利用所述数控单元的不同使能输出端就能导通与所述使能输出端对应的继电器，就能向所述线性电源单元输入不同电压值的直流电压信号，然后通过所述线性电源单元的电压输出端向ROYER谐振单元输入对应的电压值的直流电压信号，ROYER谐振单元对该直流电压信号进行谐振并逆变成高压交流电压信号，再经由所述正负倍压整流单元流滤波成高压直流电压信号后输出。采用ROYER谐振式升压以及正负倍压整流的技术，解决了常规高压直流源体积大和纹波大的问题；利用所述控制器的继电器形成的可控线性电源技术，与采用调节非占空比的方式调节电压相比，运行不同的继电器得到不同的电压，解决了常规高压直流装置中调节占空比过高带来的能效损耗问题。同样的，为了避免出现常规高压直流装置手动调节电压带来的不便，通过数控单元来达到自动控制所述控制器的继电器，使所述数控单元通过接受上位机的指令，即可在控制器的电压输出端输出相应的电压，提高了效率。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中数控高精度超低纹波高压直流源装置的结构框图；
图2是本发明的一个实施例中交流直流转换单元的电路图；
图3是本发明的一个实施例中控制器的电路图；
图4是本发明的一个实施例中数控单元的电路图；
图5是本发明的一个实施例中线性电源单元的电路图；
图6是本发明的一个实施例中ROYER谐振单元、正负倍压整流单元和电压采集负反馈单元的电路图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1至图6，描述本发明实施例的一种数控高精度超低纹波高压直流源装置，包括交流直流转换单元、控制器、数控单元、线性电源单元、ROYER谐振单元和正负倍压整流单元；所述控制器包括多个继电器；
如图3所示，所述交流直流转换单元包括多个输出端，所述交流直流转换单元的输出端与所述继电器一一对应，所述交流直流转换单元的输出端和与其对应的继电器的电源输入端电连接，所述交流直流转换单元用于将输入的交流电转换成不同电压值的直流电压信号并从对应的输出端输送到对应的继电器；
所述数控单元设有多个使能输出端，所述使能输出端与所述继电器一一对应，所述数控单元的使能输出端和与其对应的继电器的使能输入端电连接；
所述控制器的所有继电器的输出端并联后形成所述控制器的电压输出端，所述控制器的电压输出端与所述线性电源单元的电压输入端电连接，所述线性电源单元的电压输出端与所述ROYER谐振单元的电压输入端电连接；所述线性电源单元用于向ROYER谐振单元的电压输入端输送高精度低纹波系数的电压；
所述ROYER谐振单元的电压输出端与所述正负倍压整流单元的电压输入端电连接；
所述ROYER谐振单元用于对从其自身的电压输入端输入的高精度低纹波系数的电压进行谐振并逆变成高压交流电压信号并输入到所述正负倍压整流单元；
所述正负倍压整流单元用于将从其自身的电压输入端输入的高压交流电压信号整流滤波成高压直流电压信号，并从其自身的电压输出端输出。
在所述数控高精度超低纹波高压直流源装置中，由于不同继电器的电源输入端输入的直流电压信号的电压值不同，利用所述数控单元的不同使能输出端就能导通与所述使能输出端对应的继电器，就能向所述线性电源单元输入不同电压值的直流电压信号，然后通过所述线性电源单元的电压输出端向ROYER谐振单元输入对应的电压值的直流电压信号，ROYER谐振单元对该直流电压信号进行谐振并逆变成高压交流电压信号，再经由所述正负倍压整流单元流滤波成高压直流电压信号后输出。采用ROYER谐振式升压以及正负倍压整流的技术，解决了常规高压直流源体积大和纹波大的问题；利用所述控制器的继电器形成的可控线性电源技术，与采用调节非占空比的方式调节电压相比，运行不同的继电器得到不同的电压，解决了常规高压直流装置中调节占空比过高带来的能效损耗问题。同样的，为了避免出现常规高压直流装置手动调节电压带来的不便，通过数控单元来达到自动控制所述控制器的继电器，使所述数控单元通过接受上位机的指令，即可在控制器的电压输出端输出相应的电压，提高了效率。
一些实施例中，如图6所示，所述ROYER谐振单元包括升压变压器U1、BJT三极管Q1和BJT三极管Q2；
所述升压变压器U1包括低压侧PIN1端口、低压侧PIN2端口、低压侧PIN3端口、低压侧PIN4端口、低压侧PIN5端口、高压侧PIN6端口和高压侧PIN7端口；所述低压侧PIN1端口、低压侧PIN2端口和低压侧PIN3端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧PIN4端口和低压侧PIN5端口为同一组感应线圈的端口，所述高压侧PIN6端口和高压侧PIN7端口为同一组感应线圈的端口；
所述升压变压器U1的低压侧PIN1端口与所述BJT三极管Q2的集电极电连接，所述升压变压器U1的低压侧PIN2端口与所述线性电源单元的电压输出端电连接，所述升压变压器U1的低压侧PIN3端口与所述BJT三极管Q1的集电极电连接，所述BJT三极管Q1的集电极和所述BJT三极管Q2的集电极之间并联有电容C3；所述升压变压器U1的低压侧PIN4端口与所述BJT三极管Q1的基极电连接，所述升压变压器U1的低压侧PIN5端口通过电阻R5与所述线性电源单元的电压输出端电连接，所述BJT三极管Q2的基极电连接通过电阻R6与所述线性电源单元的电压输出端电连接；所述BJT三极管Q1的发射极和BJT三极管Q2的发射极电连接；所述高压侧PIN6端口和高压侧PIN7端口与所述正负倍压整流单元的电压输入端电连接。
所述ROYER谐振单元是基于ROYER拓扑的自激振荡式升压电路，通过其内部的升压变压器U1、BJT三极管Q1和BJT三极管Q2，完成谐振后可以将直流电压逆变成高压交流电压。在本实施例中，所述电容C3为谐振电容，电容值为68nF；所述电阻R5的阻值为4.7KΩ，所述电阻R6的阻值为4.7KΩ。
值得说明的是，如图6所示，所述正负倍压整流单元包括第一四倍压电路和第二四倍压电路；
所述第一四倍压电路包括耐压电容C4、耐压电容C5、快速回复二极管D1和快速回复二极管D2；所述升压变压器U1的高压侧PIN7端口与所述耐压电容C4的一端电连接，所述耐压电容C4的另一端与所述快速回复二极管D1的阴极电连接，所述快速回复二极管D1的阴极还与所述快速回复二极管D2的阳极电连接，所述快速回复二极管D2的阴极与所述耐压电容C5的一端电连接，所述耐压电容C5的另一端与所述快速回复二极管D1的阳极电连接，所述快速回复二极管D1的阳极还与所述升压变压器U1的高压侧PIN6端口电连接；所述快速回复二极管D2的阴极作为所述正负倍压整流单元的电压输出端；
所述第二四倍压电路包括耐压电容C8、耐压电容C11、快速回复二极管D3和快速回复二极管D4；所述升压变压器U1的高压侧PIN6端口与所述快速回复二极管D3的阴极电连接，所述快速回复二极管D3的阴极还通过所述耐压电容C11与所述快速回复二极管D4的阳极电连接，所述快速回复二极管D4的阳极接地，所述快速回复二极管D4的阴极与所述快速回复二极管D3的阳极电连接，所述快速回复二极管D3的阳极还通过所述耐压电容C8与所述升压变压器U1的高压侧PIN7端口电连接。
所述正负倍压整流单元可将ROYER谐振单元输出的正弦波整流滤波成高压直流源。额外地，正负倍压整流单元的内部还设有RC滤波电路，可实现特定频率20dB的交流信号衰减，从而完成进一步的滤波。在本实施例中，所述耐压电容C4、耐压电容C5、耐压电容C8和耐压电容C11的电容值为15nf。为了进一步降低纹波，在本实施例中，使用正负倍压的方法，其具体实施是用一路具备四倍压的电容和二极管整流电路与ROYER谐振单元中变压输出的高压侧PIN6端口连接，也就是第二四倍压电路，用额外一路四倍压的电容和二极管整流电路与ROYER谐振单元中变压输出的高压侧PIN8端口连接，也就是第一四倍压电路。这是由于ROYER谐振单元的高压侧PIN6端口和高压侧PIN8端口输出的是高压正弦波，使用正负倍压的方法可以获得比单路电容和二极管倍压更低的纹波。进一步的，为了使得纹波得到更好的抑制，本实施例还额外加入RC低通滤波电路，使得在100KHZ以上频率的纹波衰减达20dB。
可选地，如图2所示，所述交流直流转换单元包括滤波器、环牛变压器和三个整流桥；所述控制器包括三个继电器，所述整流桥和所述继电器一一对应；所述环牛变压器包括包括高压侧HPIN1端口、高压侧HPIN2端口、低压侧HPIN6端口、低压侧HPIN7端口、低压侧HPIN8端口、低压侧HPIN9端口、低压侧HPIN10端口、低压侧HPIN11端口；所述高压侧HPIN1端口和高压侧HPIN2端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧HPIN6端口和低压侧HPIN7端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧HPIN8端口和低压侧HPIN9端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧HPIN10端口和低压侧HPIN11端口为同一组感应线圈的端口；
所述滤波器的输入端外接交流电，所述滤波器的输出端与所述环牛变压器的高压侧HPIN1端口和高压侧HPIN2端口电连接，同一组感应线圈的低压侧HPIN6端口和低压侧HPIN7端口、同一组感应线圈的低压侧HPIN8端口和低压侧HPIN9端口以及同一组感应线圈的低压侧HPIN10端口和低压侧HPIN11端口分别与不同的整流桥的输入端电连接，所述整流桥的输出端和与其对应的继电器的电源输入端电连接。
所述交流直流转换单元的功能是将工业用电AC220V转换成区间0-34V区间的直流电压，其中，与低压侧HPIN6端口和低压侧HPIN7端口电连接的整流桥输出+34V的直流电压，与低压侧HPIN8端口和低压侧HPIN9端口电连接的整流桥输出+7V的直流电压，与低压侧HPIN10端口和低压侧HPIN11端口电连接的整流桥输出+17V的直流电压，给所述控制器供电。在本实施例中，所述环牛变压器还包括低压侧HPIN4端口和低压侧HPIN5端口，低压侧HPIN4端口和低压侧HPIN5端口为同一组感应线圈的端口，低压侧HPIN4端口和低压侧HPIN5端口与数控单元整流桥的输入端电连接，数控单元整流桥的输出端与数控单元的电源输入端电连接，从而通过该结构为所述数控单元供电。
所述交流直流转换单元的功能如下：工业用电AC220V经过滤波器后，初步得到一个干净的50Hz的220V交流电，然后经过环牛变压器变压得到一个50Hz的AC12V交流电压和一个50Hz的AC24V交流电压。低压侧HPIN4端口和低压侧HPIN5端口的AC12V交流电压经过整流桥后，经过LDO芯片1和LDO芯片2得到±12V的直流电。低压侧HPIN6端口和低压侧HPIN7端口的AC24V经过整流桥和电容滤波后得到DC34V直流电。低压侧HPIN8端口和低压侧HPIN9端口的AC5V交流电经过整流桥和电容滤波后得到DC7V直流电。低压侧HPIN10端口和低压侧HPIN11的AC12V交流电经过整流桥和电容滤波后得到DC17V直流电。
具体地，如图4所示，所述数控单元包括处理器MCU、DAC芯片和RS485芯片，所述RS485芯片与所述处理器MCU串口连接，所述DAC芯片与所述处理器MCU的控制输出端电连接，所述DAC芯片设有数控信号Vout-A输出端和数控信号Vout-B输出端作为输出；所述处理器MCU设有三个使能输出端，所述处理器MCU的使能输出端和与其对应的继电器的使能输入端电连接。
所述数控单元是单片机控制电路，为了减少损耗，数控单元接收指令后，会根据需要输出的电压，通过对应的使能输出端来选择控制器相关继电器的导通，然后控制线性电源单元的电压输出，通过调节电压而非占空比的方式来实现高效的目的。所述处理器MCU的型号为STM32F103C8T6；所述DAC芯片的型号为MCP4822。
优选的，如图5所示，所述线性电源单元包括N-MOS管Q1、N-MOS管Q2、运算放大器U2、光电耦合器U3、图腾柱和分压电路；
所述分压电路的输出端与所述运算放大器U2的反相输入端电连接，所述数控单元的数控信号Vout-A输出端与所述运算放大器U2的正相输入端电连接，所述运算放大器U2的输出端与所述图腾柱的输入端电连接，所述图腾柱的输出端与所述N-MOS管Q4的栅极电连接，所述N-MOS管Q3的漏极和所述N-MOS管Q4的漏极并联后与所述控制器的电压输出端电连接，所述N-MOS管Q3的源极和所述N-MOS管Q4的源极电连接，所述N-MOS管Q3的栅极与所述光电耦合器U3的输出端电连接。
所述N-MOS管Q3的型号为IRF3207PBF；所述N-MOS管Q4的型号为IRF3207PBF；所述运算放大器U2的型号为TL084；所述光电耦合器U3的型号为TLP291，在本实施例中，所述光电耦合器U3的输入端为光敏二极管，所述光敏二极管的阳极通过电阻R382与3V电源电连接，所述光敏二极管的阴极与数控上位机的使能输出端ON EN电连接，通过数控上位机的使能输出端ON EN来控制所述光敏二极管的导通和截止。所述线性电源单元内包含误差放大器电路、图腾柱、信号采集电路等。线性电源单元的系统工作受控制器影响，并且其电压输出受数控单元的控制。线性电源单元的输电压出端与ROYER谐振单元电压的输入端相连接，主要给ROYR谐振单元进行供电。
线性电源单元本质上是一个功率型LDO电路。所述线性电源单元内部有电压输出的分压电路，分压电路为现有的结构，如图5所示，电阻R7、电阻R9和电阻R14组成分压电路，分压电路取输出电压的十二分之一。该误差放大器的作用的调节N-MOS管Q4的打开和关闭，最终使得线性电源单元输出一个高精度低纹波系数的电压，本实施例的线性电源单元的输出电压的纹波率低于0.1%。
一些实施例中，如图5所示，所述图腾柱包括NPNBJT三极管Q5和NPNBJT三极管Q6；所述NPNBJT三极管Q5的发射极和NPNBJT三极管Q6发射极电连接后作为所述图腾柱的输出端，所述NPNBJT三极管Q5的集电极与电源VCC的正极电连接，所述NPNBJT三极管Q6的集电极与电源VCC的负极电连接，所述NPNBJT三极管Q5的基极和NPNBJT三极管Q6基极并联后作为所述图腾柱的输入端。图腾柱的作用是提高N-MOS管Q4的响应速度，降低N-MOS管Q4的开关损耗。
值得说明的是，如图6所示，所述数控高精度超低纹波高压直流源装置还包括电压采集负反馈单元，所述电压采集负反馈单元的高压输出分压采集电路与所述正负倍压整流单元的电压输出端电连接，所述电压采集负反馈单元的反馈端与所述ROYER谐振单元的负反馈输入端电连接。
在本实施例中，如图6所示，GND表示系统的地，即单片机和运算放大器等电气元器件为了满足运行条件而接的地，HGND表示输出的地，即单片机和运算放大器等电气元器件的输出接的地。利用所述电压采集负反馈单元的高压输出分压采集电路采集到正负倍压整流单元的输出电压来形成反馈信号，然后从所述电压采集负反馈单元的反馈端输入到所述ROYER谐振单元，从而实现对ROYER谐振单元的负反馈控制，调节ROYER谐振单元的谐振频率，从而实现高精度电压输出。
可选地，如图6所示，所述电压采集负反馈单元还包括误差比较器U4；
所述高压输出分压采集电路包括电阻R3、电阻R7和电阻R9，所述电阻R3的一端与所述正负倍压整流单元的电压输出端电连接，所述电阻R7的一端与所述电阻R3的另一端电连接，所述电阻R7的另一端与所述误差比较器U4的反相输入端电连接，所述电阻R7的另一端还通过所述电阻R9接地；
所述误差比较器U4的正相输入端与所述数控单元的数控信号Vout-B输出端电连接，所述误差比较器U4的输出端作为所述电压采集负反馈单元的反馈端。
所述电压采集负反馈单元包括高压输出分压电路和误差比较器U4在本实施例中，所述误差比较器U4的型号为AD8012ARMZ。所述误差比较器U4的反相输入端输入正负倍压整流单元的输出电压分压成250分之一后的电压。
具体地，如图6所示，在所述ROYER谐振单元中，所述BJT三极管Q1的发射极和BJT三极管Q2的发射极并联后通过电感L1与N-MOS管Q7的漏极电连接，所述N-MOS管Q7的源极接地，所述N-MOS管Q7的栅极与所述电压采集负反馈单元的误差比较器U4的输出端电连接。
所述N-MOS管Q7的型号为AO3404；通过所述误差比较器U4来控制N-MOS管Q7的导通或关闭，这个环节属于负反馈调节，其作用是使得正负倍压整流单元输出稳定的直流电压。
所述数控单元包含处理器MCU、DAC芯片和RS485芯片。所述DAC芯片是SOP-8封装的可以输出两路电压的DAC芯片。本实施例中的数控单元的默认输出电压为0V，需要通过接收指令，才能输出电压。因此，本实施例中的数控单元的功能模块中，内置所述RS485芯片作为通讯电路，用来接收外来PC或者上位机的指令，用以输出电压。所述RS485芯片为数控单元的预留通信电路，数控单元通过RS485芯片接收指令，首先会解析出指令要求输出的电压，解析完后会进一步调节线性电源单元和电压采集负反馈单元等，使得正负倍压整流单元输出指令要求的高精度的电压。其实现原理如下：数控单元通过RS485芯片接收到指令后，首先解析指令要求的电压；完成此步骤后，数控单元打开控制器相应的继电器使得线性电源单元工作；进一步地，数控单元的处理器MCU写入相关寄存器参数到DAC芯片中，使数控信号Vout-A输出端和数控信号Vout-B输出端分别输出Vout-A和Vout-B。数控信号Vout-A输出端连接到线性电源单元中的误差放大器的正相输入端，所述误差放大器再进一步控制线性电源单元中的MOS管工作于线性区，使得线性电源单元输出相应的低纹波系数直流低压；与此同时，数控信号Vout-B输出端与电压采集负反馈单元的误差比较器U4进行连接，Vout-B通过误差比较器U4和正负倍压整流单元中的输出的电压分压后进行比较，然后控制ROYER谐振单元的谐振频率，进而使得正负倍压整流单元输出的电压和数控单元接收到的指令保持一致。这个过程，则是所述数控高精度超低纹波高压直流源装置的负反馈调节过程。
根据本发明实施例的一种数控高精度超低纹波高压直流源装置的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：包括交流直流转换单元、控制器、数控单元、线性电源单元、ROYER谐振单元和正负倍压整流单元；所述控制器包括多个继电器；
所述交流直流转换单元包括多个输出端，所述交流直流转换单元的输出端与所述继电器一一对应，所述交流直流转换单元的输出端和与其对应的继电器的电源输入端电连接，所述交流直流转换单元用于将输入的交流电转换成不同电压值的直流电压信号并从对应的输出端输送到对应的继电器；
所述数控单元设有多个使能输出端，所述使能输出端与所述继电器一一对应，所述数控单元的使能输出端和与其对应的继电器的使能输入端电连接；
所述控制器的所有继电器的输出端并联后形成所述控制器的电压输出端，所述控制器的电压输出端与所述线性电源单元的电压输入端电连接，所述线性电源单元的电压输出端与所述ROYER谐振单元的电压输入端电连接；所述线性电源单元用于向ROYER谐振单元的电压输入端输送高精度低纹波系数的电压；
所述ROYER谐振单元的电压输出端与所述正负倍压整流单元的电压输入端电连接；
所述ROYER谐振单元用于对从其自身的电压输入端输入的直流电压信号进行谐振并逆变成高压交流电压信号并输入到所述正负倍压整流单元；
所述正负倍压整流单元用于将从其自身的电压输入端输入的高压交流电压信号整流滤波成高压直流电压信号，并从其自身的电压输出端输出。
2.根据权利要求1所述的数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：所述ROYER谐振单元包括升压变压器U1、BJT三极管Q1和BJT三极管Q2；
所述升压变压器U1包括低压侧PIN1端口、低压侧PIN2端口、低压侧PIN3端口、低压侧PIN4端口、低压侧PIN5端口、高压侧PIN6端口和高压侧PIN7端口；所述低压侧PIN1端口、低压侧PIN2端口和低压侧PIN3端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧PIN4端口和低压侧PIN5端口为同一组感应线圈的端口，所述高压侧PIN6端口和高压侧PIN7端口为同一组感应线圈的端口；
所述升压变压器U1的低压侧PIN1端口与所述BJT三极管Q2的集电极电连接，所述升压变压器U1的低压侧PIN2端口与所述线性电源单元的电压输出端电连接，所述升压变压器U1的低压侧PIN3端口与所述BJT三极管Q1的集电极电连接，所述BJT三极管Q1的集电极和所述BJT三极管Q2的集电极之间并联有电容C3；所述升压变压器U1的低压侧PIN4端口与所述BJT三极管Q1的基极电连接，所述升压变压器U1的低压侧PIN5端口通过电阻R5与所述线性电源单元的电压输出端电连接，所述BJT三极管Q2的基极通过电阻R6与所述线性电源单元的电压输出端电连接；所述BJT三极管Q1的发射极和BJT三极管Q2的发射极电连接；所述高压侧PIN6端口和高压侧PIN7端口与所述正负倍压整流单元的电压输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：所述正负倍压整流单元包括第一四倍压电路和第二四倍压电路；
所述第一四倍压电路包括耐压电容C4、耐压电容C5、快速回复二极管D1和快速回复二极管D2；所述升压变压器U1的高压侧PIN7端口与所述耐压电容C4的一端电连接，所述耐压电容C4的另一端与所述快速回复二极管D1的阴极电连接，所述快速回复二极管D1的阴极还与所述快速回复二极管D2的阳极电连接，所述快速回复二极管D2的阴极与所述耐压电容C5的一端电连接，所述耐压电容C5的另一端与所述快速回复二极管D1的阳极电连接，所述快速回复二极管D1的阳极还与所述升压变压器U1的高压侧PIN6端口电连接；所述快速回复二极管D2的阴极作为所述正负倍压整流单元的电压输出端；
所述第二四倍压电路包括耐压电容C8、耐压电容C11、快速回复二极管D3和快速回复二极管D4；所述升压变压器U1的高压侧PIN6端口与所述快速回复二极管D3的阴极电连接，所述快速回复二极管D3的阴极还通过所述耐压电容C11与所述快速回复二极管D4的阳极电连接，所述快速回复二极管D4的阳极接地，所述快速回复二极管D4的阴极与所述快速回复二极管D3的阳极电连接，所述快速回复二极管D3的阳极还通过所述耐压电容C8与所述升压变压器U1的高压侧PIN7端口电连接。
4.根据权利要求3所述的数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：所述交流直流转换单元包括滤波器、环牛变压器和三个整流桥；所述控制器包括三个继电器，所述整流桥和所述继电器一一对应；所述环牛变压器包括高压侧HPIN1端口、高压侧HPIN2端口、低压侧HPIN6端口、低压侧HPIN7端口、低压侧HPIN8端口、低压侧HPIN9端口、低压侧HPIN10端口、低压侧HPIN11端口；所述高压侧HPIN1端口和高压侧HPIN2端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧HPIN6端口和低压侧HPIN7端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧HPIN8端口和低压侧HPIN9端口为同一组感应线圈的端口，所述低压侧HPIN10端口和低压侧HPIN11端口为同一组感应线圈的端口；
所述滤波器的输入端外接交流电，所述滤波器的输出端与所述环牛变压器的高压侧HPIN1端口和高压侧HPIN2端口电连接，同一组感应线圈的低压侧HPIN6端口和低压侧HPIN7端口、同一组感应线圈的低压侧HPIN8端口和低压侧HPIN9端口以及同一组感应线圈的低压侧HPIN10端口和低压侧HPIN11端口分别与不同的整流桥的输入端电连接，所述整流桥的输出端和与其对应的继电器的电源输入端电连接。
5.根据权利要求4所述的数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：所述数控单元包括处理器MCU、DAC芯片和RS485芯片，所述RS485芯片与所述处理器MCU串口连接，所述DAC芯片与所述处理器MCU的控制输出端电连接，所述DAC芯片设有数控信号Vout-A输出端和数控信号Vout-B输出端作为输出；所述处理器MCU设有三个使能输出端，所述处理器MCU的使能输出端和与其对应的继电器的使能输入端电连接。
6.根据权利要求5所述的数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：所述线性电源单元包括N-MOS管Q3、N-MOS管Q4、运算放大器U2、光电耦合器U3、图腾柱和分压电路；
所述分压电路的输出端与所述运算放大器U2的反相输入端电连接，所述数控单元的数控信号Vout-A输出端与所述运算放大器U2的正相输入端电连接，所述运算放大器U2的输出端与所述图腾柱的输入端电连接，所述图腾柱的输出端与所述N-MOS管Q4的栅极电连接，所述N-MOS管Q3的漏极和所述N-MOS管Q4的漏极并联后与所述控制器的电压输出端电连接，所述N-MOS管Q3的源极和所述N-MOS管Q4的源极电连接，所述N-MOS管Q3的栅极与所述光电耦合器U3的输出端电连接。
7.根据权利要求6所述的数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：所述图腾柱包括NPNBJT三极管Q5和NPNBJT三极管Q6；所述NPNBJT三极管Q5的发射极和NPNBJT三极管Q6发射极电连接后作为所述图腾柱的输出端，所述NPNBJT三极管Q5的集电极与电源VCC的正极电连接，所述NPNBJT三极管Q6的集电极与电源VCC的负极电连接，所述NPNBJT三极管Q5的基极和NPNBJT三极管Q6基极并联后作为所述图腾柱的输入端。
8.根据权利要求7所述的数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：所述数控高精度超低纹波高压直流源装置还包括电压采集负反馈单元，所述电压采集负反馈单元的高压输出分压采集电路与所述正负倍压整流单元的电压输出端电连接，所述电压采集负反馈单元的反馈端与所述ROYER谐振单元的负反馈输入端电连接。
9.根据权利要求8所述的数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：所述电压采集负反馈单元还包括误差比较器U4；
所述高压输出分压采集电路包括电阻R3、电阻R7和电阻R9，所述电阻R3的一端与所述正负倍压整流单元的电压输出端电连接，所述电阻R7的一端与所述电阻R3的另一端电连接，所述电阻R7的另一端与所述误差比较器U4的反相输入端电连接，所述电阻R7的另一端还通过所述电阻R9接地；
所述误差比较器U4的正相输入端与所述数控单元的数控信号Vout-B输出端电连接，所述误差比较器U4的输出端作为所述电压采集负反馈单元的反馈端。
10.根据权利要求8所述的数控高精度超低纹波高压直流源装置，其特征在于：在所述ROYER谐振单元中，所述BJT三极管Q1的发射极和BJT三极管Q2的发射极并联后通过电感L1与N-MOS管Q7的漏极电连接，所述N-MOS管Q7的源极接地，所述N-MOS管Q7的栅极与所述电压采集负反馈单元的误差比较器U4的输出端电连接。
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