CN202524290U - 一种电压线性上升的高压电源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种电压线性上升的高压电源，其特征在于：它包括基于脉宽调制的反激式高压源、斜坡电压发生器、电阻分压取样模块和误差放大器，其中，所述斜坡电压发生器的输出端连接误差放大器的输入端，所述误差放大器输出端连接基于脉宽调制的反激式高压源的输入端，所述基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端连接有电阻分压取样模块的输入端，电阻分压取样模块的输出端连接误差放大器的反馈信号输入端。本实用新型利用斜坡电压发生器和基于脉宽调制的反激式高压源，得到了输出电压线性上升的高压，大幅降低了系统对元器件的要求，减小了电源的体积和成本。

Description

一种电压线性上升的高压电源
技术领域
本实用新型涉及高压电源技术领域，具体地指一种电压线性上升的高压电源。
背景技术
过电压防护装置大量用于通信、信号等系统中，用于对感应雷电等引起的过电压冲击进行限幅保护，并将雷电流导入地中。为了生产、检测、检定这些装置的过压防护性能，需要对这类装置和元器件的防护导通电压值进行准确测量，以确保其过压防护性能的有效性和参数的符合性。
为了统一和准确地检测这类装置，元器件的防护导通电压，相关标准要求在被检装置或元器件上施加一种能从很低电压值(几伏)为起点，且电压值按一定的K＝V/S速率上升的实验电压。由于防护装置的性能类别不同，要求实验电压的上升斜率不同，如100V/S，或者1000V/S，且最高电压可达10000V左右。
为实现电压的上升，在一些场合采用人工调节的方法逐步升高高压源输出电压，利用计时器的读数来测量点火时刻。此方法准确性低，误差较大。
对于上述技术问题，现有的一种改进方法是采用RC充电的方式产生斜率近似为线性上升的高压。其方法是使用高压源E经电阻R向电容C充电，电容两端的电压以指数函数上升。如果时间常数τ＝RC较大，在一个时间常数的时间范围内，电容两端电压是近似线性上升的。
该方法有如下不足：1)电压在上升过程中的上升速率是变化的，且电压越高，上升速率越小。2)为保证上升斜率是近似线性的，时间常数需要很大，高压源电压要求高，电容电阻值需要很高，而且电容耐压要求高。比如，对100V/S的速率，达到10000V时，t＝100s，如上所述，时间常数应起码为τ＝RC＝100s。按R＝1MΩ计算，电容C＝100μF，且其耐压应为10000V。这些要求造成设备体积大，成本高。
实用新型内容
本实用新型的目的就是要提供一种电压线性上升的高压电源，该电源的电压上升速率在电压上升过程中为一个固定值，不随电压变化，且能大幅降低系统对元器件的要求，减小了电源的体积和成本。
为实现此目的，本实用新型所设计的电压线性上升的高压电源，其特征在于：它包括基于脉宽调制的反激式高压源、斜坡电压发生器、电阻分压取样模块和误差放大器，其中，所述斜坡电压发生器的输出端连接误差放大器的输入端，所述误差放大器输出端连接基于脉宽调制的反激式高压源的输入端，所述基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端作为高压电源输出，所述高压电源的电压输出端还连接有电阻分压取样模块的输入端，电阻分压取样模块的输出端连接误差放大器的反馈信号输入端。
所述基于脉宽调制的反激式高压源包括脉宽调制器N1、三极管T1、变压器TR1和升压电路，其中，所述脉宽调制器N1的同相输入端2接模拟地AGND，脉宽调制器N1的反相输入端1连接误差放大器的输出端，脉宽调制器N1的脉宽调制信号输出端12连接三极管T1的基极，三极管T1的发射极接大地GND，三极管T1的集电极连接变压器TR1初级的一端，变压器TR1的初级的另一端连接第一电源V1，变压器TR1的次级连接升压电路。
所述升压电路包括整流二极管D1和滤波电容C1，其中，所述变压器TR1的次级的一端连接整流二极管D1的正极，整流二极管D1的负极为基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端，所述整流二极管D1的负极还通过滤波电容C1接模拟地AGND，所述变压器TR1的次级的另一端接模拟地AGND。
所述斜坡电压发生器包括运算放大器N2、积分电容C2、充电电阻R1和复位开关S1，其中，所述运算放大器N2的同相输入端接模拟地AGND，运算放大器N2的反相输入端通过积分电容C2连接运算放大器N2的输出端，所述积分电容C2的两端之间连接复位开关S1，所述充电电阻R1的一端连接运算放大器N2的反相输入端，充电电阻R1的另一端连接第二电源V2。
所述电阻分压取样模块包括电阻R2和电阻R3，其中，电阻R2的一端连接基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端，电阻R2的另一端通过电阻R3接模拟地AGND。
所述误差放大器包括运算放大器N3、电阻R4和电阻R5，其中，所述运算放大器N3的同相输入端连接所述电阻R2的另一端，运算放大器N3的反相输入端通过电阻R4连接斜坡电压发生器的输出端，所述运算放大器N3的输出端连接基于脉宽调制的反激式高压源的输入端，运算放大器N3的输出端和反相输入端之间还连接电阻R5。
本实用新型的有益效果为：
1.本实用新型利用斜坡电压发生器和基于脉宽调制的反激式高压源，得到了输出电压线性上升的高压，大幅降低了系统对元器件的要求，减小了电源的体积和成本。
2.本实用新型的电压上升斜率在电压上升过程中为一个固定值，不随电压的变化而变化。
3.本实用新型的电压范围可以从几伏至10000V。
4.本实用新型的电压上升速率可以电路中若干个参数调整。
附图说明
图1为本实用新型的原理框图。
图2为本实用新型的电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：
如图1所示，包括基于脉宽调制的反激式高压源、斜坡电压发生器、电阻分压取样模块和误差放大器，其中，所述斜坡电压发生器的输出端连接误差放大器的输入端，所述误差放大器输出端连接基于脉宽调制的反激式高压源的输入端，所述基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端连接有电阻分压取样模块的输入端，电阻分压取样模块的输出端连接误差放大器的反馈信号输入端。
上述技术方案中，如图2所示，所述基于脉宽调制的反激式高压源包括脉宽调制器N1、三极管T1、变压器TR1和升压电路，其中，所述脉宽调制器N1的同相输入端2接模拟地AGND，脉宽调制器N1的反相输入端1连接误差放大器的输出端，脉宽调制器N1的脉宽调制信号输出端12连接三极管T1的基极，三极管T1的发射极接大地GND，三极管T1的集电极连接变压器TR1初级的一端，变压器TR1的初级的另一端连接第一电源V1，变压器TR1的次级连接升压电路。
本实用新型的大地GND为系统中的零电位参考点，一般与系统外壳或交流供电的保护地相连。模拟地AGND为系统中模拟部分的基准电位参考点，一般在系统中可能与大地GND相连，也可能不相连，即有别于大地GND零电位。在本实用新型中，为保证脉宽调制器N1工作在最优状态，其同相输入端相对于大地GND的基准电压为2.5V，因此模拟地AGND选取为2.5V。第一电源V1为TR1的初级储能输入电压，在系统中为+15V。第一电源V1的另一端连接大地GND。第二电源V2为控制积分充电电流的可调电压源，其电位低于模拟地AGND，比如比模拟地AGND低0.1V，其另一端连接大地GND。
上述技术方案中，所述升压电路包括整流二极管D1和滤波电容C1，其中，所述变压器TR1的次级的一端连接整流二极管D1的正极，整流二极管D1的负极为基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端，所述整流二极管D1的负极还通过滤波电容C1接模拟地AGND，所述变压器TR1的次级的另一端接模拟地AGND。
上述技术方案中，当三极管T1导通时，第一电源给变压器的初级储能充电，此时变压器的级次上负下正，整流二极管D1反偏，无法输出高压。当三极管T1截止时，变压器TR1的级次由于电压变为上正下负，整流二极管D1导通，高压输出。高压输出时同时给负载和滤波电容C1充电，高压无输出时，滤波电容C1与负载构成放电回路，以维持负载的高压。
上述技术方案中，所述斜坡电压发生器包括运算放大器N2、积分电容C2、充电电阻R1和复位开关S1，其中，所述运算放大器N2的同相输入端接模拟地AGND，运算放大器N2的反相输入端通过积分电容C2连接运算放大器N2的输出端，所述积分电容C2的两端之间连接复位开关S1，所述充电电阻R1的一端连接运算放大器N2的反相输入端，充电电阻R1的另一端连接第二电源V2。
上述技术方案中，所述电阻分压取样模块包括电阻R2和电阻R3，其中，电阻R2的一端连接基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端，电阻R2的另一端通过电阻R3接模拟地AGND。
上述技术方案中，所述误差放大器包括运算放大器N3、电阻R4和电阻R5，其中，所述运算放大器N3的同相输入端连接所述电阻R2的另一端，运算放大器N3的反相输入端通过电阻R4连接斜坡电压发生器的输出端，所述运算放大器N3的输出端连接基于脉宽调制的反激式高压源的输入端，运算放大器N3的输出端和反相输入端之间连接电阻R5。
本实用新型的工作原理为：斜坡电压发生器由基于运算放大器N2的积分电路产生一个上升速率固定的斜坡电压U1，并将U1接至误差放大器中运算放大器N3的反相输入端。基于脉宽调制的反激式高压源输出高压U0，经电阻分压取样模块得到分压电压U3，并将分压电压U3接至误差放大器中运算放大器N3的同相输入端。误差放大器的输出U2接至脉宽调制器N1的反相输入端。基于脉宽调制的反激式高压源通过分压取样和误差放大形成负反馈，使得U1线性上升时高压源能自动调控制脉宽使高压输出也线性上升。
本实用新型中的斜坡电压发生器工作原理如下：在初始状态，由于虚短，运算放大器N2的反相输入端为模拟地AGND。复位开关S1闭合，将积分电容C2两端的电荷全部释放掉。斜坡电压发生器的输出电压U1此时等于AGND。复位结束之后，复位开关S1打开，开始向积分电容C2充电。积分电容C2的充电电流，I充，等于流过充电电阻R1的电流，为：
Figure BDA0000148234570000061
其中第二电源V2为控制积分充电电流的可调电压源，其负极接大地GND。
可以看到，积分电容C2的充电电流为一个恒定值。积分电容C2积累的电荷Q与充电电流，其两端的电压U1和充电时间有如下关系：
Q＝U1C2＝I充t
因此，积分电容C2的端电压，即N2的输出电压U1为：
U 1 = V 2 R 1 C 2 t
斜坡电压发生器的输出为一个以AGND为参考点，即从AGND开始线性上升的斜坡电压，并且电压上升的斜率可通过改变充电电压，充电电阻和积分电容的大小进行调节。
斜坡电压发生器在积分电容C2充电阶段，其电压上升斜率K1为：
K 1 = U 1 t = V 2 R 1 C 2
若第二电源V2比模拟地AGND低0.1V，R1＝1MΩ，C2＝1μF，则K1＝0.1V/S。
结束电压上升时，复位开关S1闭合，快速将积分电容C2两端电荷全部释放掉，U1输出电压也快速降为AGND。
本实用新型中，电阻分压取样模块的原理为，电阻R2接至高压输出U0，电阻R3接至AGND，即高压输出U0以AGND为参考点。分压比K2为：
K 2 = R 3 R 2 + R 3
取样的电压U3为：
U3＝K2U0
若R2＝1MΩ，R3＝1kΩ，则K2＝1/1001，近似为1/1000。
本实用新型中，误差放大器的工作原理为，误差放大器的放大倍数K3为
K 3 = - R 3 R 4
分压取样和误差放大构成脉宽调制高压源的负反馈。
斜坡上升的高压的产生方法如下：
初始状态时，斜坡电压发生器的输出电压U1为AGND，高压输出U0为AGND，分压取样电压U3也为AGND，脉宽调制器N1的同相输入端和反相输入端电位同为AGND，因此脉宽调制器输出的脉宽占空比为0，系统无高压输出。
开始升压时，U1开始沿一个固定的斜率上升。假设在很短的时间内，U1上升了ΔU，而高压输出U0保持为AGND，则分压取样U3也为AGND。那么，误差放大器反相输入端电压为ΔU，高于同相输入端。此电压经过误差放大器的反相放大，则U2下降为K3ΔU，即为脉宽调制器N1两输入端的电位差。脉宽调制器N1两输入端的电位差使得其输出脉宽增加，让三极管T1开始导通，并在反激式高压电路的输出端产生一定的电压输出ΔU0。此电压输出通过取样电阻得到取样电压ΔU3，减小误差放大器两输入端的电压差。当ΔU3＝ΔU时，高压源的负反馈达到平衡。因此，当U1为斜坡电压时，U0也为一个斜坡电压。
由于达到平衡时，电压取样U3＝U1，可以得到输出电压和U1的关系为：
U 0 = K 1 K 2 U 1
高压源的上升斜率K4为：
K 4 = K 1 K 2
若K1＝0.1V/S，K2＝1/1000，则K4＝100V/S。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种电压线性上升的高压电源，其特征在于：它包括基于脉宽调制的反激式高压源、斜坡电压发生器、电阻分压取样模块和误差放大器，其中，所述斜坡电压发生器的输出端连接误差放大器的输入端，所述误差放大器输出端连接基于脉宽调制的反激式高压源的输入端，所述基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端作为高压电源输出，所述高压电源的电压输出端还连接有电阻分压取样模块的输入端，电阻分压取样模块的输出端连接误差放大器的反馈信号输入端。
2.根据权利要求1所述的电压线性上升的高压电源，其特征在于：所述基于脉宽调制的反激式高压源包括脉宽调制器N1、三极管T1、变压器TR1和升压电路，其中，所述脉宽调制器N1的同相输入端(2)接模拟地AGND，脉宽调制器N1的反相输入端(1)连接误差放大器的输出端，脉宽调制器N1的脉宽调制信号输出端(12)连接三极管T1的基极，三极管T1的发射极接大地GND，三极管T1的集电极连接变压器TR1初级的一端，变压器TR1的初级的另一端连接第一电源V1，变压器TR1的次级连接升压电路。
3.根据权利要求2所述的电压线性上升的高压电源，其特征在于：所述升压电路包括整流二极管D1和滤波电容C1，其中，所述变压器TR1的次级的一端连接整流二极管D1的正极，整流二极管D1的负极为基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端，所述整流二极管D1的负极还通过滤波电容C1接模拟地AGND，所述变压器TR1的次级的另一端接模拟地AGND。
4.根据权利要求1所述的电压线性上升的高压电源，其特征在于：所述斜坡电压发生器包括运算放大器N2、积分电容C2、充电电阻R1和复位开关S1，其中，所述运算放大器N2的同相输入端接模拟地AGND，运算放大器N2的反相输入端通过积分电容C2连接运算放大器N2的输出端，所述积分电容C2的两端之间连接复位开关S1，所述充电电阻R1的一端连接运算放大器N2的反相输入端，充电电阻R1的另一端连接第二电源V2。
5.根据权利要求4所述的电压线性上升的高压电源，其特征在于：所述电阻分压取样模块包括电阻R2和电阻R3，其中，电阻R2的一端连接基于脉宽调制的反激式高压源的电压输出端，电阻R2的另一端通过电阻R3接模拟地AGND。
6.根据权利要求5所述的电压线性上升的高压电源，其特征在于：所述误差放大器包括运算放大器N3、电阻R4和电阻R5，其中，所述运算放大器N3的同相输入端连接所述电阻R2的另一端，运算放大器N3的反相输入端通过电阻R4连接斜坡电压发生器的输出端，所述运算放大器N3的输出端连接基于脉宽调制的反激式高压源的输入端，运算放大器N3的输出端和反相输入端之间还连接电阻R5。
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