CN201522606U - 遥感ccd相机偏置电源电路 - Google Patents

Abstract

遥感CCD相机偏置电源电路，包含线性稳压电路、限流保护电路、电压隔离电路、电压基准电路和电压比较电路。线性稳压电路将输入电源转换为CCD器件工作所需的偏置电源，限流保护电路对偏置电源进-行限流保护，电压隔离电路将偏置电源与下级电路进行隔离，以防止下一级电路对偏置电源的不利影响。电压基准电路通过电压基准源提供稳定的电源电压，经过电阻分压产生电压比较电路的阈值电压，电压比较电路将偏置电源的电压与设定的阈值电压进行比较，并将比较结果输出。通过在传统的电源转换电路中加入限流保护电路和电压比较电路，对产生的偏置电源进行限流保护和电压超限报警，从而实现了对使用偏置电源的CCD器件的有效保护。

Description

遥感CCD相机偏置电源电路

技术领域

本实用新型涉及一种用于遥感CCD相机的偏置电源电路。

背景技术

CCD器件工作需要提供噪声低、电压稳定的偏置电源。目前，CCD相机偏置电源电路普遍的设计方法是通过直流线性稳压器件产生偏置电源，电路中主要包括直流线性稳压器件、分压电阻和滤波电容。图2给出了现有的一种典型CCD相机偏置电源电路，该电路以直流线性稳压器件103为核心，此外还包括滤波电容C1、滤波电容C2，分压电阻R1、分压电阻R2。输入电源101经电容C1滤波后送入直流线性稳压器件103的电压输入端VIN，通过电阻R1和R2的分压调节以及滤波电容C2的滤波降噪，得到可调输出电压102。该种电路的不足之处在于：当电路中出现异常短路或CCD器件工作不正常导致的偏置电源电流突然增大时，电路中由于没有设置限流保护，很容易导致CCD器件和直流线性稳压电源的损坏。此外由于输入电源异常或电路故障引起偏置电源的电压超出CCD器件工作允许的电压范围时，图2所示的典型电路由于不具备电压超限告警能力，无法及时发现问题，会导致电路不能正常工作，甚至会损坏CCD器件。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、具有限流保护和电压超限报警功能的CCD相机电源偏置电路。

本实用新型的技术解决方案是：遥感CCD相机偏置电源电路，包括线性稳压电路、限流保护电路、电压隔离电路、电压基准电路和电压比较电路，其中：

线性稳压电路：接收外部输入的直流电源，利用线性直流稳压器件进行电压转换，得到CCD器件工作所需的偏置电压，并输入限流保护电路；限流保护电路：接收线性稳压电路产生的偏置电压，利用PNP三极管对该电源进行限流保护后，同时提供给CCD器件以及电压隔离电路；电压隔离电路：通过电压跟随器对限流保护电路输出的偏置电压进行隔离后送入电压比较电路；电压基准电路：接收外部输入的直流电源，利用电压基准源产生稳定的电源电压，并对该电压进行电阻分压后产生电压比较的上限阈值和下限阈值送至电压比较电路；电压比较电路：将电压隔离电路送入的偏置电压与电压基准电路送入的上限阈值和下限阈值进行电压比较，电压比较的结果输出到外部控制电路，由外部控制电路利用该比较结果对送入CCD器件的偏置电压进行实时监测报警，并根据监测结果对外部输入电源进行开关控制。

所述的线性稳压电路及限流保护电路的一种电路连接方式为：包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、PNP三极管Q1和线性直流稳压器件；电容C1的一端接地，电容C1的另一端同时与第一工作电源输入端和线性直流稳压器件的电压输入端VIN相连；电阻R1的一端与线性直流稳压器件的电压输出端VOUT相连，电阻R1的另一端作为偏置电源输出端；PNP三极管Q1的发射极与线性直流稳压器件的电压输出端VOUT相连，PNP三极管Q1的基极与偏置电源输出端相连，PNP三极管Q1的集电极与线性直流稳压器件的电压调节端ADJ相连；电阻R2的一端与偏置电源输出端相连，电阻R2的另一端与线性直流稳压器件的电压调节端ADJ相连；电阻R3的一端与线性直流稳压器件的电压调节端ADJ相连，电阻R3的另一端接地；电容C2的一端与偏置电源输出端相连，电容C2的另一端接地；线性直流稳压器件的接地端GND接地。

所述的电压隔离电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和运算放大器；电阻R4的一端与偏置电源输出端相连，电阻R4的另一端与运算放大器的同相输入端相连；电阻R5的一端与运算放大器的反相输入端相连，电阻R5的另一端与运算放大器的输出端相连；电阻R6的一端与运算放大器的输出端相连，电阻R6的另一端作为电压隔离电路的输出端；电阻R7的一端与电压隔离电路的输出端相连，电阻R7的另一端接地。

所述的电压基准电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C3、电容C4、电容C5和电压基准源器件；第二工作电源输入端接至电压基准源器件的电源输入端VIN，电容C3的两端分别接至第二工作电源输入端和接地端，电容C4的两端分别接至电压基准源器件的降噪端NOISEREDUCTION和接地端；电阻R8的两端分别接至电压基准源器件的输出端VOUT和电压调节端TRIM，电阻R9的两端分别接至电压基准源器件的电压调节端TRIM和接地端GND；电容C5的两端分别接至电压基准源器件的输出端VOUT和接地端GND；电阻R10、电阻R11和电阻R12依次串联，电阻R10的另一端接至电压基准源器件的输出端VOUT，电阻R12的另一端接地，电阻R10和电阻R11的公共端作为电压上限阈值VH输出端，电阻R11和电阻R12的公共端作为电压下限阈值VL输出端。

所述的电压比较电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、二极管D1、二极管D2、第一电压比较器和第二电压比较器；电压上限阈值VH输出端经电阻R13接至第一电压比较器的同相输入端；电压隔离电路的输出端经电阻R14分别接至第一电压比较器的反相输入端和第二电压比较器的同相输入端；电压下限阈值VL输出端经电阻R15接至第二电压比较器的反相输入端；二极管D1的阳极与第一电压比较器的输出端相连，二极管D2的阳极与第二电压比较器的输出端相连，二极管D1的阴极和二极管D2的阴极相连作为电压比较电路的输出端；电阻R16的一端接至电压比较电路的输出端，电阻R16的另一端接地。

所述的电容C1，或者电容C2，或者电容C3，或者电容C4，或者电容C5可以由电阻、电容和电感组成的滤波网络替代。

所述的电阻R2，或者电阻R3，或者电阻R6，或者电阻R7，或者电阻R8，或者电阻R9，或者电阻R10，或者电阻R11，或者电阻R12可以由可调电位器替代。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：本实用新型通过在传统线性稳压电路的基础上增加限流保护电路，使得当CCD器件工作异常或电路短路故障引起偏置电源的电流过载时，对偏置电源进行有效的限流控制，实现了对CCD器件和线性稳压电路的有效保护。另外，通过在传统线性稳压电路的基础上增加电压隔离电路、电压基准电路和电压比较电路对偏置电源的电压进行实时监测，外部控制电路根据监测结果可采取相应保护措施，有效防止了由于电压超限造成的CCD器件和电路的损坏。此外由于在偏置电源和后级电压比较电路间增加了电压隔离电路，可防止由于后级电压比较电路的故障而导致的偏置电源异常。

附图说明

图1为本实用新型偏置电源电路的组成原理框图；

图2为现有的一种典型CCD相机电源偏置电路图；

图3为本实用新型偏置电源电路中线性稳压及限流保护电路的原理图；

图4为本实用新型偏置电源电路中电压隔离电路的原理图；

图5为本实用新型偏置电源电路中电压基准电路的原理图；

图6为本实用新型偏置电源电路中电压比较电路的原理图。

具体实施方式

如图1所示，为本实用新型的电路组成原理框图，工作过程为：第一工作电源输入线性稳压电路进行电压转换和滤波降噪，并经过限流保护电路后，获得CCD相机工作所需的偏置电源。偏置电源经过电压隔离电路进行隔离和电阻分压后产生待比较电压送入电压比较电路。电压基准电路利用第二工作电源产生窗口电压比较器的高电平域值和低电平域值并送入电压比较电路。电压比较电路将偏置电源电压与高电平域值和低电平域值进行比较，当待比较电压处于高电平域值和低电平域值之间的电压范围内时，电压比较电路输出低电平，当待比较电压大于高电平域值或小于低电平域值时，电压比较电路输出高电平，外部控制电路根据电压比较电路的输出电平，可判断偏置电源电压是否正常。实际应用中，CCD器件工作所需的偏置电源不止一个，图1所示的CCD偏置电源电路可以用于所有偏置电源，也可对于重要的偏置电源采用图1的CCD偏置电源电路，其它偏置电源采用图2所示的典型CCD相机电源偏置电路，当多于一个的偏置电源采用图1所示的偏置电源电路时，这些偏置电源电路的电压比较结果，可以分别输出，也可以通过或门进行逻辑运算后输出。

线性稳压电路及限流保护电路组合的一种具体电路连接方式如图3所示：第一工作电源201经过电容C1滤波后送入直流线性稳压器件301的电源输入端VIN，经过直流线性稳压器件301和分压电阻R2和R3进行电压转换后得到输出电源VOUT，输出电源VOUT经过电阻R1和PNP三极管Q1进行限流控制，并经电容C2进行滤波后得到CCD相机的偏置电源并送至端口202，而后一路输入CCD器件，另一路经过隔离后送入电压比较电路进行电压比较。

设直流线性稳压器件301电压调节端ADJ的电压为V_ADJ，电流为I_ADJ，电阻R1的阻值为R₁，电流为I_R1，电阻R2的阻值为R₂，电流为I_R2，电阻R3的阻值为R₃，电流为I_R3，输出端口202的电压为V_OUT202，负载电流为I_OUT，PNP三极管Q₁的集电极电流为I_C，基极电流为I_b，发射极电流为I_e，基极与发射极之间的导通电压为VBE(th)，则R1两端的电压VBE＝I_R1×R₁，当R1的电流较小，满足VBE＜VBE(th)条件时，PNP三极管Q₁截止，即I_b＝0，I_C＝0，输出端口202的电压V_OUT202满足以下关系：

V_OUT202＝I_R2×R₂+V_ADJ＝(I_R3+I_ADJ)×R₂+V_ADJ

＝(V_ADJ/R₃+I_ADJ)×R₂+V_ADJ

＝V_ADJ×(1+R₂/R₃)+I_ADJ×R₂

直流线性稳压器件301电压调节端ADJ的电流一般很小，为nA～μA级，所以当R₂的取值不超过一定值时，I_ADJ×R₂的值较小，可忽略，即输出端口202的电压V_OUT202满足以下关系：

V_OUT202＝V_ADJ×(1+R₂/R₃)

以线性直流稳压器件LT3024为例，V_ADJ＝1.22V，I_ADJ＝30nA，则当电阻R₂的值小于250KΩ时，I_ADJ×R₂小于7.5mV，可忽略，则V_OUT202满足以下关系：

V_OUT202＝1.22×(1+R₃/R₂)

综上所述，在电路具体设计时，设所需的偏置电源电压为V_bias，则R₃和R₂的选择只要满足R₃/R₂＝(V_bias/V_ADJ-1)即可，并且R₂的取值不要过大，具体取值范围可根据线性直流稳压器件301的数据手册中I_ADJ的大小以及数据手册中对相应电阻的描述确定。

下面分析电阻R1和PNP三极管Q1的限流保护作用。当R1取值合适，则当输出端口202的负载电流I_OUT的值在允许范围内时，I_R1的值较小，VBE＝I_R1×R₁＜VBE(th)，则V_OUT202的输出如上所述。当I_OUT增大时，超过允许的最大电流I_max时，由于I_R1＝I_OUT+I_R2-I_b，所以I_R1的值也增大，当VBE＝I_R1×R1＞VBE(th)时，PNP三极管Q1导通，Ic＞0，而I_R2＝I_ADJ+I_R3-I_C，所以I_R2减小，因为V_OUT＝I_R2×R₂+V_ADJ，所以V_OUT202降低，输出电流I_OUT也随之降低。当V_OUT202的值小于后级比较电路的低电平域值时，则比较电路将会进行报警，外部电路将根据报警进行相应处理。

限流电阻R1的选择可根据当I_out达到允许的最大电流I_max时，PNP三极管Q1导通，即(I_max+I_R2-I_b)×R1＝VBE(th)，由于PNP三极管Q1刚导通时，I_b值较小，可忽略，则R1＝VBE(th)/(I_max+(V_bias-V_ADJ)/R2)。在具体电路实现中，VBE(th)可从PNP三极管Q1的数据手册中查阅，I_max为偏置电源的最大允许电流，V_bias为CCD工作所需的偏置电源电压，V_ADJ为直流线性稳压电源301电压调节端ADJ的电压，可查阅直流线性稳压电源301的数据手册。更为简单而有效的方法是通过试验获取R1的值。具体试验步骤如下：

1、在不加载CCD器件的情况下，在偏置电源输出端口202，对地接一电阻做为模拟负载，设该电阻的阻值为R_min，则R_min应满足R_min＝V_bias/I_max。

2、改变电阻R1的阻值(调试过程中最好使用可调电阻器)，观测偏置电源输出端口202的电压V_out202，当V_out202的输出低于允许的最低电压，即电压比较结果报警时，停止调节电阻R1的阻值，此时R1的阻值即为所需的限流电阻阻值。

3、去除做为模拟负载的电阻，试验结束。

电压隔离电路的一种具体电路连接方式如图4所示，偏置电源输出端202经过电阻R4与运算放大器302的同相输入端相连，运算放大器302的输出端经过反馈电阻R5与反相输入端相连，同时运算放大器302的输出端通过电阻R6和R7进行电阻分压后产生待比较电压Vi送至电压隔离电路的输出端203。设电阻R6的阻值为R₆，R7的阻值为R₇，待比较电压Vi满足以下关系Vi＝V_bias×R₇/(R₆+R₇)。对偏置电源输出端202进行电阻分压的目的是为了降低偏置电源输出端202的电压，使其满足电压比较器件(304和305)对输入信号的电压要求。若偏置电源输出端202无需分压即可已满足电压比较器件(304和305)的电压要求，则可去除电阻R7，使偏置电源经过电压跟随器隔离后即送入电压比较电路。

电压基准电路的一种具体电路连接方式如图5所示：第二工作电源输入端204与电压基准源器件303的输入端相连，并通过电容C3对第二工作电源进行滤波降噪，电压基准源器件303的降噪端NOISE REDUCTION通过电容C4与地相连进行滤波降噪，电压基准源器件303的电压调节端TRIM通过电阻R8和R9进行电压调节，电压基准源器件303的输出端通过电阻R10、R11、R12分压产生电压比较电路的高电平比较阈值VH205和低电平比较阈值VL206。设电压基准源输出端210的电压为VREF，R10的阻值为R₁₀，R11的阻值为R₁₁，R12的阻值为R₁₂，则高电平比较阈值VH205和低电平比较阈值VL206满足以下关系：

VH＝VREF×(R₁₁+R₁₂)/(R₁₀+R₁₁+R₁₂)

VL＝VREF×(R₁₂)/(R₁₀+R₁₁+R₁₂)

电压比较电路的一种具体电路连接方式如图6所示，高电平比较阈值VH从端口205经过电阻R13与第一电压比较器304的同相输入端相连，待比较电压Vi从端口203经过电阻R14同时与第一电压比较器304的反相输入端和第二电压比较器305的同相输入端相连，低电平比较阈值VL从端口206经过电阻R15与第一电压比较器304的同相输入端相连，第一电压比较器304的输出端207经过二极管D1与电压比较结果输出端209相连，第二电压比较器305的输出端208经过二极管D2与电压比较结果输出端209相连。设第一电压比较器304的输出端207的电压为V01，第二电压比较器305的输出端208的电压为V02，则窗口比较器的工作原理如下：

当Vi＞VH时，V01为低电平，二极管D1截止。由于VH＞VL，则Vi＞VL，所以V02为高电平，二极管D2导通。电压比较结果输出端209输出为高电平。

当Vi＜VL时，V02为低电平，二极管D2截止。由于VH＞VL，则Vi＜VH，所以V01为高电平，二极管D1导通。电压比较结果输出端209输出为高电平。

当VL＜Vi＜VH时，V01和V02输出均为低电平，二极管D1和D2都截止，电压比较结果输出端209输出为低电平。

若要CCD器件正常工作，对偏置电源电压Vbias一般都有要求，设最大的工作电压为V_max，最小工作电压为V_min，V_bias应满足V_min＜V_bias＜V_max，而Vi＝V_bias×R₇/(R₆₊R₇)，即V_bias＝Vi×(R₆+R₇)/R₇，则V_min＜(Vi×(R₆+R₇))/R₇＜V_max，即(V_min×(R₆+R₇)/R₇)＜Vi＜(V_max×(R₆+R₇)/R₇)，所以VH＝V_max×(R₆+R₇)/R₇，VL＝V_min×(R₆+R₇)/R₇。

而VH、VL、VREF、R10、R11和R12满足以下关系：

VH＝VREF×(R₁₁+R₁₂)/(R₁₀+R₁₁+R₁₂)

VL＝VREF×(R₁₂)/(R₁₀+R₁₁+R₁₂)

也可以表示为：

VL/R₁₂＝(VH-VL)/R₁₁＝(VREF-VH)/R₁₀。

根据CCD器件工作需要的偏置电源202的正负极性要求，第一输入工作电源201和第二输入工作电源204应选择正电源或负电源，相应的，直流线性稳压器件301、电压基准源器件303、第一电压比较器件304和第二电压比较器件305应根据电压处理范围进行选择。

根据直流线性稳压器件301和电压基准源303的实际工作条件以及对输入电源的要求，第一工作电源201和第二工作电源204可进行合并，即选择一个既能满足直流线性稳压器件301又能满足电压基准源器件303工作需求的输入电源。

上述电路结构中，电容C1，或者电容C2，或者电容C3，或者电容C4，或者电容C5可以由电阻、电容和电感组成的滤波网络替代。电阻R2，或者电阻R3，或者电阻R6，或者电阻R7，或者电阻R8，或者电阻R9，或者电阻R10，或者电阻R11，或者电阻R12可以由可调电位器替代。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.遥感CCD相机偏置电源电路，其特征在于包括：线性稳压电路、限流保护电路、电压隔离电路、电压基准电路和电压比较电路，其中：

线性稳压电路：接收外部输入的直流电源，利用线性直流稳压器件进行电压转换，得到CCD器件工作所需的偏置电压，并输入限流保护电路；

限流保护电路：接收线性稳压电路产生的偏置电压，利用PNP三极管对该电源进行限流保护后，同时提供给CCD器件以及电压隔离电路；

电压隔离电路：通过电压跟随器对限流保护电路输出的偏置电压进行隔离后送入电压比较电路；

电压基准电路：接收外部输入的直流电源，利用电压基准源产生稳定的电源电压，并对该电压进行电阻分压后产生电压比较的上限阈值和下限阈值送至电压比较电路；

电压比较电路：将电压隔离电路送入的偏置电压与电压基准电路送入的上限阈值和下限阈值进行电压比较，电压比较的结果输出到外部控制电路，由外部控制电路利用该比较结果对送入CCD器件的偏置电压进行实时监测报警，并根据监测结果对外部输入电源进行开关控制。

2.根据权利要求1所述的遥感CCD相机偏置电源电路，其特征在于：所述的线性稳压电路及限流保护电路的一种电路连接方式为：包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、PNP三极管Q1和线性直流稳压器件(301)；电容C1的一端接地，电容C1的另一端同时与第一工作电源输入端(201)和线性直流稳压器件(301)的电压输入端VIN相连；电阻R1的一端与线性直流稳压器件(301)的电压输出端VOUT相连，电阻R1的另一端作为偏置电源输出端(202)；PNP三极管Q1的发射极与线性直流稳压器件(301)的电压输出端VOUT相连，PNP三极管Q1的基极与偏置电源输出端(202)相连，PNP三极管Q1的集电极与线性直流稳压器件(301)的电压调节端ADJ相连；电阻R2的一端与偏置电源输出端(202)相连，电阻R2的另一端与线性直流稳压器件(301)的电压调节端ADJ相连；电阻R3的一端与线性直流稳压器件(301)的电压调节端ADJ相连，电阻R3的另一端接地；电容C2的一端与偏置电源输出端(202)相连，电容C2的另一端接地；线性直流稳压器件(301)的接地端GND接地。

3.根据权利要求2所述的遥感CCD相机偏置电源电路，其特征在于：所述的电压隔离电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和运算放大器(302)；电阻R4的一端与偏置电源输出端(202)相连，电阻R4的另一端与运算放大器(302)的同相输入端相连；电阻R5的一端与运算放大器(302)的反相输入端相连，电阻R5的另一端与运算放大器(302)的输出端相连；电阻R6的一端与运算放大器(302)的输出端相连，电阻R6的另一端作为电压隔离电路的输出端(203)；电阻R7的一端与电压隔离电路的输出端(203)相连，电阻R7的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的遥感CCD相机偏置电源电路，其特征在于：所述的电压基准电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C3、电容C4、电容C5和电压基准源器件(303)；第二工作电源输入端(204)接至电压基准源器件(303)的电源输入端VIN，电容C3的两端分别接至第二工作电源输入端(204)和接地端，电容C4的两端分别接至电压基准源器件(303)的降噪端NOISE REDUCTION和接地端；电阻R8的两端分别接至电压基准源器件(303)的输出端VOUT和电压调节端TRIM，电阻R9的两端分别接至电压基准源器件(303)的电压调节端TRIM和接地端GND；电容C5的两端分别接至电压基准源器件(303)的输出端VOUT和接地端GND；电阻R10、电阻R11和电阻R12依次串联，电阻R10的另一端接至电压基准源器件(303)的输出端VOUT，电阻R12的另一端接地，电阻R10和电阻R11的公共端作为电压上限阈值VH输出端(205)，电阻R11和电阻R12的公共端作为电压下限阈值VL输出端(206)。

5.根据权利要求4所述的遥感CCD相机偏置电源电路，其特征在于：所述的电压比较电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、二极管D1、二极管D2、第一电压比较器(304)和第二电压比较器(305)；电压上限阈值VH输出端(205)经电阻R13接至第一电压比较器(304)的同相输入端；电压隔离电路的输出端(203)经电阻R14分别接至第一电压比较器(304)的反相输入端和第二电压比较器(305)的同相输入端；电压下限阈值VL输出端(206)经电阻R15接至第二电压比较器(304)的反相输入端；二极管D1的阳极与第一电压比较器(304)的输出端(207)相连，二极管D2的阳极与第二电压比较器(305)的输出端(208)相连，二极管D1的阴极和二极管D2的阴极相连作为电压比较电路的输出端(209)；电阻R16的一端接至电压比较电路的输出端(209)，电阻R16的另一端接地。

6.根据权利要求5所述的遥感CCD相机偏置电源电路，其特征在于：所述的电容C1，或者电容C2，或者电容C3，或者电容C4，或者电容C5可以由电阻、电容和电感组成的滤波网络替代。

7.根据权利要求5所述的遥感CCD相机偏置电源电路，其特征在于：所述的电阻R2，或者电阻R3，或者电阻R6，或者电阻R7，或者电阻R8，或者电阻R9，或者电阻R10，或者电阻R11，或者电阻R12可以由可调电位器替代。

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