CN202444422U - 共用基准高压源的多路高压输出电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了共用基准高压源的多路高压输出电路，包括一个高压转换器和多个高压调压电路，直流电输入端连接所述高压转换器，所述高压转换器的输出端同时连接多个相互独立的高压调压电路，多个高压调压电路将高压转换器输入的高压通过调节获得多路相互独立的高压输出。由于只需要共用一个高压转换器，减少了变压器、大功率管等大体积的电器件，使所应用的产品的整体体积大为减小，从而较易实现产品的小型化设计，具有较高的成本优势。

Description

共用基准高压源的多路高压输出电路

技术领域

本实用新型涉及高压电源技术领域，尤其涉及多路输出高压技术，具体提出一种共用基准高压源的多路高压输出电路。

背景技术

现有多路输出的高压电源，由于输出电压太高，考虑安规等安全性或者实际生产工艺的因素，一般都不采用在变压器上用多个绕组来做多路输出，而是每一路的高压电源用单独的一个高压转换器来完成，每个高压转换器基本上都包括一套高压磁性元件(如变压器)、大功率元件(如三极管或场效应管)、倍压整流元件、高压电容以及反馈控制元件等等，采用此方法主要存在以下几个缺陷：

1、需要使用多个单独的高压转换器来实现多个输出高压，成本高，体积大，干扰大：由于每个高压转换器基本上都包括一套高压磁性元件(如变压器)、大功率元件(如三极管或场效应管)、倍压整流元件、高压电容以及反馈控制元件等等，输入路数越多则所用的元件数目越多，所以造成整个方案成本过高，体积大，不能实现小型化设计，而且每个高压转换器由于工作的频率相对较高，互相之间容易产生干扰，EMC及整机电器性能变差。

2、目前高压调压技术，传统上主要是采用单独的串联调压或并联调压的方法，这种方法虽然也能实现输出高压的变压，但存在调压范围窄，效率差，要求输入电压高的缺点：

①对于如图1所示的串联调压方式，输出电压不能实现从0V起调；对于如图2所示的并联调压方式，输出电压的最大值不能调到基准输入电压值Vmax(-2200V)。所以，单独的串联或并联调压，均无法实现宽的输出电压范围(0V～Vmax)，从而限制了产品的使用范围；

②转换效率低，由于都要使用电阻来分压，如图1中的电阻R212、图2中的电阻R203，这两个电阻上消耗了大量的功率；

③为提高带载能力，要求提供更高的Vmax电压，如图1或图2所示输出电压为-1100V时，基准输入电压要求使用-2200V的Vmax电压，而更高的Vmax电压，也意味着更高的成本和更低的效率。

3、现有技术主要采用高压稳压管进行导通控制，对于串联调压方式来说这种方法耗损较大且成本较高，如串联调压图1中的ZD201，ZD202，ZD203均采用高压稳压管，成本高，而且由于两端电压太高，有少量的电流流过都会产生较大的耗损，效率较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种共用基准高压源的多路高压输出电路，此电路采用一个高压转换器即可实现多个输出高压，成本较低，易于实现小型化设计。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

共用基准高压源的多路高压输出电路，包括一个高压转换器和多个高压调压电路，直流电输入端连接所述高压转换器，所述高压转换器的输出端同时连接多个相互独立的高压调压电路，多个高压调压电路将高压转换器输入的高压通过调节获得多路相互独立的高压输出。

具体地，所述高压转换器包括一高压变压器、开关管和正弦波自激震荡电路及其反馈回路；由带反馈回路的正弦波自激震荡电路提供稳定的正弦波信号驱动开关管，使输入的直流电产生正弦变化，从而经高压变压器转换成基准电压。基准电压分别进入多个高压调压电路，由多个相互独立的高压调压电路转换成受PWM占空比信号控制的输出高压。

所述高压调压电路包括运算放大器、控制元件、串联调压环节以及并联调压环节；PWM控制信号输入到运算放大器的输入端，运算放大器的输出端分别与串联调压环节和并联调压环节相连，其中运算放大器与串联调压环节之间还连接一控制元件来对串联调压环节进行导通控制；基准高压源输入端输出基准输入电压至串联调压环节，所述串联调压环节与并联调压环节均连接高压输出端。

输入的PWM控制信号从运算放大器反相输入端进入后经运算放大器信号处理，从运算放大器的输出端分别进入串联调压环节和并联调压环节，所述串联调压环节和并联调压环节根据运算放大器处理后的PWM控制信号对基准输入电压进行线性调压，调压后的输出高压供至高压输出端，从而实现了PWM控制信号对输出高压的调压控制。

优选的技术方案是：本高压调压电路还包括一反馈电路，所述反馈单元介接在高压输出端与运算放大器输入端之间，高压输出端输出的电压还通过反馈电路进行反馈处理，以使得高压输出端输出的高压稳定。

优选的技术方案是：本高压调压电路还包括一滤波单元，所述滤波单元与运算放大器输入端相连接，输入的PWM控制信号经滤波单元输入到运算放大器输入端。在运算放大器处理之前，滤波单元首先对输入的PWM控制信号进行滤波处理，有助于提高后续调压操作的准确度。

所述控制元件为一光耦，所述光耦的输入端连接运算放大器的输出端，所述光耦的输出端连接与串联调压环节。使用光耦来代替成本较高的高压稳压管，使得成本降低，并有效地避免产生较大的耗损，从而提高工作效率。所述高压调压电路的反馈电路包括一电阻，所述电阻的一端连接高压输出端，另一端连接运算放大器。

所述控制元件还可以包括串联的K个TVS管，所述K个TVS管的阳极和阴极相互串联；TVS管的个数K主要由输入高压值与TVS管击穿电压值来确定。运算放大器的输出端连接一二极管的阴极，所述二极管的阳极通过一电阻连接一三极管的基极，所述三极管的集电极连接第一个TVS管，所述第K个TVS管连接串联调压环节。所述反馈电路包括电阻两个电阻，两电阻组成串联支路，支路的一端连接至高压输出端，另一端接地，同时，两电阻之间的支路节点连接到运算放大器。

更具体地，所述串联调压环节与并联调压环节分别由M个三极管和N个三极管组成，所述M个三极管的集电极与发射极相互串联，N个三极管的集电极与发射极相互串联，所述串联调压环节的M个三极管串联后介接在基准高压源输入端和高压输出端之间，与高压输出端所接的负载相串联；所述并联调压环节的N个三极管并联接在接地端和高压输出端之间，与高压输出端所接的负载相并联。

串联调压环节与并联调压环节的相互结合使得每路的输出高压可调，实现较宽的调压范围，甚至可以从0V起调，并且均适用于正、负高压的调节，可使用在要求每路的输出高压可调或者每路的输出高压受输入信号的控制按一定规律变化的不同的应用场合；

当进行负高压调节时，所述串联调压环节采用M个NPN型三极管串联组成，连接关系为第一三极管的发射极连接到基准高压源输入端，其基极与控制元件的控制端连接，第一三极管的集电极连接第二三极管的发射极，第二三极管的集电极连接第三三极管的发射极，以此类推，第M-1三极管的集电极连接到第M三极管的发射极，第M三极管的集电极连接高压输出端；

而所述并联调压环节采用N个PNP型三极管串联组成，连接关系为第一三极管的发射极连接运算放大器的电压输出端，其集电极连接第二三极管的发射极，第二三极管的集电极连接第三三极管的发射极，以此类推，第N-1三极管的集电极连接第N三极管的发射极，第N三极管的集电极连接到高压输出端；

当进行正高压调节时正好相反，串联调压环节采用M个PNP型三极管按上述的连接关系串联组成，并联调压环节采用N个NPN型三极管按上述连接关系串联组成。

关于串联调压环节中串联的三级管个数M与并联调压环节中串联的三极管的个数N，则根据所需调节电压的高低与每个三极管安全工作的电压要求来决定。

本实用新型相比现有技术具有以下优点及有益效果：

1、由于只使用一个高压转换器产生公共的基准高压源，不需要使用多个单独的高压转换器来实现多个输出高压，从而大大减少了多路输出应用中的高压转换器的数目，并减少了相关元件的使用，如高压变压器、大功率元件、倍压整流元件、高压电容、反馈控制元件等相对昂贵的元器件，而且本实用新型中每一路的高压调压电路，基本上都只使用到价格相对较低的小功率三极管等功率元件，同时使用光耦或TVS管来代替相对昂贵的高压稳压管，使得本实用新型在整体设计中的成本优势非常明显，下面是两种方案在某一工程应用中材料成本上的比较(按4路高压输出计算)：

(1)按现有的电路方案：

每路高压转换器的价格：5.328RMB，如果有4路输出，则总共价格：4×5.328＝21.312RMB；

(2)按本实用新型的电路方案：

共同使用一路高压转换器(基准高压源)的价格：5.328RMB；然后在这个基础上再用4路高压调压电路转换出4路独立的输出高压：

每路高压调压电路的价格：1.884RMB；4路输出：1.884×4＝7.536RMB，则总价格：5.328+7.536＝12.864RMB。

两种方案相比，总体价格下降：21.312-12.864＝8.448RMB，可节约约40％的成本，因此本实用新型具有突出的成本优势及经济效益，而且输出高压路数越多优势越明显。

2、由于只需要共用一个高压转换器，减少了变压器、大功率管、高压整流管、高压电容等大体积的电器件，使所应用的产品的整体体积大为减小，从而较易实现产品的小型化设计。

3、高压转换器工作频率较高(一般20KHz以上)，如果多个高压转换器一起工作时，容易互相干扰，使得EMC性能及电器性能都变差，也增加了电路调试的复杂程度；而本实用新型由于共用一个高压转换器，所以不会产生相互间的干扰，同时由于每路高压调压电路都是工作在直流DC的场合，没有高的开关频率的产生，所以产品EMC及电器性能相对现有技术都有较大改善，也使得电路调试过程相对简单。

4、本实用新型采用光耦或TVS管来控制调整环节，可实现隔离控制，在输出电压较高的场合，低成本及高效率的优势更加明显。

5、采用串联调压环节与并联调压环节两种方式协同工作的调压方法，可实现较宽的调压范围，可降低输入电压，有效地提高效率。

附图说明

图1所示为现有高压调压技术的串联调压方式的电路图

图2所示为现有高压调压技术的并联调压方式的电路图

图3所示为本实用新型总体电路框架图

图4所示为本实用新型的高压转换器的电路图

图5所示为本实用新型的高压调压电路的框架图

图6所示为本实用新型的高压调压电路实施例一的电路图

图7所示为本实用新型的高压调压电路实施例二的电路图

具体实施方式

如图3所示，总的来说，本实用新型共用基准高压源的多路高压输出电路，包括一个高压转换器和多个高压调压电路，直流电输入端连接所述高压转换器，所述高压转换器的输出端同时连接多个相互独立的高压调压电路，多个高压调压电路将高压转换器输入的高压通过调节获得多路相互独立的高压输出。

图4示出了所述高压转换器的电路图，所述高压转换器主要包括一高压变压器1、开关管Q100、正弦波自激震荡电路2及其反馈回路；所述正弦波自激震荡电路2包括一运算放大器U100A，所述运算放大器U100A的输出端连接二极管Z100的阴极，二极管Z100的阳极过电阻R103和电阻R103连接高压变压器1的绕组T100A，高压变压器1的绕组T100A和绕组T100B分别与一开关管Q100的基极和集电极连接，所述开关管Q100的发射极通过电阻R108接地，高压变压器1的绕组T100C分别连接整流二极管D100和整流二极管D101，运算放大器U100A的同相输入端通过一反馈电阻R105连接高压输出端(Vref)，由带反馈回路的正弦波自激震荡电路2提供稳定的正弦波信号驱动开关管Q100，使输入的25V直流电产生正弦变化，从而经高压变压器T100和整流二极管D100、整流二极管D101转换成基准电压-1350V，基准电压-1350V作为基准高压源分别输入各高压调压电路的高压输入端。

见图5，为所述高压调压电路的电路框架图，包括运算放大器10、控制元件11、串联调压环节12、并联调压环节13以及反馈电路14；PWM控制信号的输入端连接运算放大器10，运算放大器10的输出端分别与串联调压环节12和并联调压环节13相连，其中运算放大器10与串联调压环节12之间还连接一控制元件11；从上述高压转换器过来的高压输入端连接串联调压环节12，所述串联调压环节12与并联调压环节13均连接高压输出端，所述高压输出端还通过一反馈电路14连接运算放大器10。

输入的PWM控制信号经滤波后，进入运算放大器10反相输入端，从运算放大器10的输出端分别进入串联调压环节12和并联调压环节13，通过所述串联调压环节12和并联调压环节13的协同调节作用，使得高压输出在高压转换器提供的基准高压源的基础上受PWM控制信号控制按一定规律变化，通过反馈电路14控制输出使输出高压稳定，实现PWM控制信号对输出电压的控制。

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一

见图6，是本实用新型所述高压调压电路的电路原理图，光耦PC200在本实施例中作为图5所示的控制元件11，PWM控制信号输入端(K-Drpwm)经过电阻R201、电阻R202、电容C200和电容C202组成的滤波单元连接到运算放大器U200A的反相输入端(PIN2)，所述运算放大器U200A的正相输入端(PIN3)通过电阻R217接地，其输出端(PIN1)一方面连接并联调压环节13；另一方面通过电阻R208、光耦PC200间接地连接串联调压环节12，具体为电阻R208与光耦PC200的输入端连接，光耦PC200的输出端分别连接高压输入端(-1350V)和串联调压环节；

具体地，串联调压环节12包括串联的NPN型三极管Q200、NPN型三极管Q201、NPN型三极管Q202、NPN型三极管Q203、NPN型三极管Q204，三极管Q200的发射极连接到高压输入端，其基极与光耦PC200的输出端连接，三极管Q201的发射极连接到三极管Q200的集电极，三极管Q202的发射极连接到三极管Q201的的集电极，三极管Q203的发射极连接到三极管Q202的集电极，三极管Q204的发射极连接到三极管Q203的的集电极，三极管Q204的集电极连接到高压输出端；所述的NPN型三极管(Q200、Q201、Q202、Q203、Q204)串联接在基准高压源-1350V输入端和高压输出端之间，与高压输出端所接的负载为串联关系。

并联调压环节13包括串联的PNP型三极管Q205、Q206、Q207、Q208；三极管Q208的发射极通过电阻R215一方面连接运算放大器U200A的输出端，另一方面通过电阻R218接地，其集电极连接到三极管Q207的发射极，三极管Q207的集电极连接到三极管Q206的发射极，三极管Q206的集电极连接到三极管Q205的发射极，三极管Q205的集电极也连接到高压输出端；所述PNP型三极管(Q205、Q206、Q207、Q208)并联接在基准高压源(-1350V)输入端和高压输出端之间，与高压输出端所接的负载为并联关系。

其反馈电路14为电阻R200，所述电阻R200一端连接高压输出端，另一端连接运算放大器U200A的反相输入端(PIN2)；

在整机上电后，从控制信号输入端(K-Drpwm)输入一个幅度为5V的PWM控制信号，如果其占空比变大，则经滤波后输入至运算放大器U200A的反相输入端(PIN2)的电压升高，其输出端(PIN1)所得到的输出电压就降低；

一方面在串联调压环节中，由运放U200A的输出电压降低引起的串联调压环节支路电流减小，也即流经光耦PC200的初级边电流变小，则所述光耦PC200的次级边的CE极电压升高，使得三极管Q200的导通程度加大，从而与其串联的三极管Q201、三极管Q202、三极管Q203、三极管Q204的导通程度也加大，所以每个三极管的CE极电压变小，使得输出高压端的电位与基准电压源(-1350V)接近；

另一方面在并联调压环节中，由于运放U200A的输出电压降低，通过三极管Q208的电流减少，三极管Q208向截止区发展逐渐呈高阻态，其CE极电压升高，与三极管Q208串联的三极管Q205，三极管Q206和三极管Q207的CE极电压也升高，使得输出高压值与基准电压源(-1350V)接近；

随着输出高压与基准电压源(-1350V)的接近，电阻R200与运算放大器U200A共同形成的负反馈电路会使输出高压控制在一稳定值，由此实现占空比信号对输出电压的控制。

相反地，如果PWM控制信号占空比减少，电路将是一个相反的工作过程，具体工作原理在此不再论述。

由于串联调压环节及并联调压环节使用的三极管具有线性可变电阻的特性，当串联调压环节的三极管完全导通(相当于电阻为0)时，其输出电压最高(Vmax)；当并联调压环节的三极管完全导通(相当于电阻为0)时，输出电压最低(0V)，所以本实用新型容易实现宽的调压范围(0～Vmax)

由上述可知，输出电压值与控制信号的占空比成线性关系：Vo＝Vmax×D(Vo为输出电压值，D为占空比，Vmax为根据不同的应用而设定的最大电压值)，占空比的变化范围为0％～100％，在D＝0％时，输出电压为0V，实现了0V起调，在本实施例中输出电压为-1100V时，要求的输入电压仅为-1350V，大大低于图1或图2中的输入电压-2200V；同时由于没有了之前的分压电阻R212和分压电阻R203，效率大大提高。

实施例二

见图7，是本实用新型所述高压调压电路的另一形式，本实施例中的滤波电路由电阻R201、电阻R204、电阻R206、可调电阻VR200、电容C200、电容C201和电容C202组成。

控制元件11则由TVS管Z201、TVS管Z202和TVS管Z203串联组成。

PWM控制信号输入端(K-Drpwm)经过滤波电路连接到运算放大器U200A的反相输入端(PIN2)，所述运算放大器U200A的正相输入端(PIN3)接地，其输出端(PIN1)一方面通过电阻R224和TVS管Z205连接并联调压环节；另一方面通过控制元件连接串联调压环节，具体为运算放大器U200A的输出端(PIN1)连接二极管Z204的阴极，二极管Z204的阳极通过电阻R215连接三极管Q205的基极，三极管Q205的发射极通过电阻R202连接18V电压，其集电极通过电阻R213连接TVS管Z203的阴极，TVS管Z203的阳极连接TVS管Z202的阴极，TVS管Z202的阳极连接TVS管Z201的阴极，TVS管Z201的阳极一方面通过电阻R205连接-1350高压输入端，另一方面连接串联调压环节；

所述的串联调压环节12与并联调压环节13的构成与实施例一相同，在此不加赘述，在串联调压环节12与-1350高压输入端之间还串联有TVS管Z200，在运算放大器U200A的输出端与并联调压环节之间还串联有TVS管Z205；

本实施例中的反馈电路14包括电阻R200与电阻R216，电阻R200与电阻R216的一端连接运算放大器U200A的反相输入端，电阻R216的另一端接地。

在整机上电后，从控制信号输入端(K-Drpwm)输入一个幅度为5V的PWM控制信号，如果PWM控制信号的占空比加大，则经滤波后输入至运算放大器U200A的反相输入端(PIN2)的电压也越高，其输出端(PIN1)所得到的输出电压就越低，由于运放U200A的输出电压降低，三级管Q205的基极电流变大，其导通程度变大，则通过反向导通的TVS管Z203、Z202、Z20的电流变大，从而三极管Q200的基极电流增大，其导通程度加大，从而与其串联的三极管Q201、三极管Q202、三极管Q203和三极管Q204的导通程度也加大，所以每个三极管的CE极两端电压减小，使得输出高压端的电位与基准电压源(-1350V)接近；当三极管完全导通(相当于电阻为0)时，其输出电压最高；

另一方面，由于运算放大器U200A输出端(PIN1)的输出电压降低，流经TVS管Z205的电流变小，三极管Q209的导通程度变小，三极管Q209的CE极电压升高，从而与三极管Q208串联的三极管Q208，三极管Q206，三极管Q207的CE极电压升高，使得输出高压值向基准电压源(-1350)接近。

相反地，如果PWM控制信号占空比减少，电路将是一个相反的工作过程，具体工作原理在此不再论述。

由上述可知，本实施例中输出电压值与控制信号的占空比成线性关系：Vo＝Vmax×D(Vo为输出电压值，D为占空比，Vmax为根据不同的应用而设定的最大电压值)。

需要说明的是，上述实施例只说明了本实用新型用于负高压调节时的结构与工作原理，由于本实用新型也适用于正高压调节，当用于正高压调节时，串联调压环节采用PNP型三极管的集电极与发射极串联组成，并联调压环节则采用NPN型三极管的集电极与发射极串联组成，同时实施例二中的TVS管需极性反转连接，高压调压电路的反馈信号接入运算放大器的同相输入端，其他结构连接、工作原理均与上述实施例相同。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：包括一个高压转换器和多个高压调压电路，直流电输入端连接所述高压转换器，所述高压转换器的输出端同时连接多个相互独立的高压调压电路，多个高压调压电路将高压转换器输入的高压通过调节获得多路相互独立的高压输出。

2.根据权利要求1所述的共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：所述高压转换器包括一高压变压器、开关管、正弦波自激震荡电路及其反馈回路；所述正弦波自激震荡电路包括一运算放大器，所述运算放大器的输出端连接通过二极管连接高压变压器的第一绕组，高压变压器的第一绕组和第二绕组分别与一开关管的基极和集电极连接，所述开关管的发射极通过电阻接地，高压变压器的第三绕组分别连接第一整流二极管和第二整流二极管，运算放大器的同相输入端通过一反馈电阻连接高压输出端。

3.根据权利要求1或2所述的共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：所述高压调压电路包括运算放大器、控制元件、串联调压环节以及并联调压环节；PWM控制信号输入到运算放大器的输入端，运算放大器的输出端分别与串联调压环节和并联调压环节相连，其中运算放大器与串联调压环节之间还连接一控制元件来对串联调压环节进行导通控制；基准高压源输入端输出基准输入电压至串联调压环节，所述串联调压环节与并联调压环节均连接高压输出端。

4.根据权利要求3所述的共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：所述高压调压电路还包括一反馈电路，所述反馈单元介接在高压输出端与运算放大器输入端之间。

5.根据权利要求4所述的共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：本高压调压电路还包括一滤波单元，所述滤波单元与运算放大器输入端相连接，输入的PWM控制信号经滤波单元输入到运算放大器输入端。

6.根据权利要求5所述的共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：所述控制元件为一光耦，所述光耦的输入端连接运算放大器的输出端，所述光耦的输出端分别连接高压输入端与串联调压环节。

7.根据权利要求6所述的共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：所述高压调压电路的反馈电路包括一电阻，所述电阻的一端连接高压输出 端，另一端连接运算放大器。

8.根据权利要求5所述的共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：所述控制元件包括串联的K个TVS管，所述K个TVS管的阳极和阴极相互串联；运算放大器的输出端连接一二极管的阴极，所述二极管的阳极通过一电阻连接一三极管的基极，所述三极管的集电极连接第一个TVS管，所述第K个TVS管连接串联调压环节。

9.根据权利要求8所述的共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：所述反馈电路包括两个电阻，两电阻组成串联支路，支路的一端连接至高压输出端，另一端接地，同时，两电阻之间的支路节点连接到运算放大器。

10.根据权利要求3至9任一项所述的共用基准高压源的多路高压输出电路，其特征在于：所述串联调压环节与并联调压环节分别由M个三极管和N个三极管组成，所述M个三极管的集电极与发射极相互串联，N个三极管的集电极与发射极相互串联，所述串联调压环节的M个三极管串联后介接在基准高压源输入端和高压输出端之间，与高压输出端所接的负载相串联；所述并联调压环节的N个三极管并联接在接地端和高压输出端之间，与高压输出端所接的负载相并联。 

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