CN217545884U - 一种可编程低纹波高压稳定电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可编程低纹波高压稳定电源，包括具有输出电压反馈功能的DC‑DC变换电路、Royer振荡与直流高压产生电路、电压采样与AD转换电路、数字可编程器件DPD、数模转换器DAC；其中，DC‑DC变换电路的输入端和直流电源相连，其输出端和Royer振荡与直流高压产生电路相连；Royer振荡与直流高压产生电路产生直流高压，经电压采样与AD转换电路接入至数字可编程器件DPD；数字可编程器件DPD经数模转换器DAC和DC‑DC变换电路的电压反馈端相连。本实用新型通过数字可编程器件DPD对直流高压HVout进行实时监测和分析，从而操纵数模转换器DAC对具有电压反馈功能的DC‑DC变换电路输出电压LV_out进行设置，即通过改变Royer振荡器的输入电压，使直流高压HVout达到所需的目标值。

Description

一种可编程低纹波高压稳定电源

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，具体涉及一种可编程低纹波高压稳定电源。

背景技术

在高峰值功率脉冲激光器等光电产品中，需要输出高峰值功率巨脉冲激光，一般使用电光调Q技术予以支持，这通常是以直流高压作为产生高速上升或下降的脉冲电压的前提。而作为探测激光回波的APD，不仅需要进行高压偏置，而且有较高的低纹波要求。

某些电光晶体如RTP，所需要的四分之一波长电压是基本固定的；而某些电光晶体如 KDP、LiNbO₃等的四分之一波长电压又需要根据所处的环境温度变化而改变。APD的偏压一般也会随温度变化而有所改变，但在某个温度点需要低噪声、稳定度极高的偏压。所以，低纹波、高稳定度、可编程设置的直流高压源就成为这些光电设备的必要设施。

在实用新型专利《一种温度自适应电光调Q系统》中，基于Boost升压电路，采用了温度传感器、数字电位计和数字可编程器件的方式解决了可编程调节高压的问题，但存在两方面的不足：一是Boost升压电路是一种非隔离硬开关电源，其缺陷是有较大的开关噪声和干扰；二是数字电位计鲜有国产化替代型号，其分辨率也有限，一般的数字电位计不超过10 位，即理论上最多仅能设置1024个档位，因此很难实现更精细的高压调节。

另一方面，传统的Royer振荡器虽然可以产生交流高电压，并可由整流滤波电路变换为低纹波的直流高压，但由于其中的三极管放大系数、整流二极管等效动态阻抗等受温度影响较大，无法确保在不同的温度环境下输出的直流高压保持一致。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，构建一种可编程低纹波高压稳定电源，该电源为电光调Q和 APD偏压提供所需的可编程设置、低纹波和高稳定度的直流高压发生电路，并具有自动化水平高、响应快速、电磁兼容性好等特点。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种可编程低纹波高压稳定电源，包括：具有输出电压反馈功能的DC-DC变换电路、 Royer振荡与直流高压产生电路、电压采样与AD转换电路、数字可编程器件DPD、数模转换器DAC、芯片级总线B1以及芯片级总线B2；

其中，DC-DC变换电路的输入端和直流电源相连，DC-DC变换电路的输出端和Royer振荡与直流高压产生电路相连；Royer振荡与直流高压产生电路产生直流高压，经电压采样与AD转换电路以及芯片级总线B2接入至数字可编程器件DPD；数字可编程器件DPD经芯片级总线B1以及数模转换器DAC和DC-DC变换电路的电压反馈端相连。

进一步，DC-DC变换电路通过串接于输出端与电源地之间的采样电阻RFB和R10产生电压LV_out，数模转换器DAC的输出端与采样电阻RFB和R10的公共端之间接入电阻R9，采样电阻RFB和R10的公共端和DC-DC变换电路的电压反馈端相连。

进一步，DC-DC变换电路的输出端与电源地之间连有滤波电容C2。

进一步，Royer振荡与直流高压产生电路包括Royer振荡电路TR、高频高压整流桥电路 V7以及整流滤波电容C1；Royer振荡电路TR以LV_out作为输入以产生高频高压交流电，并在高频高压整流桥电路V7和整流滤波电容C1的作用下生成直流高压HVout。

进一步，芯片级总线B1设有总线隔离器BISO1。

进一步，芯片级总线B2设有总线隔离器BISO2。

进一步，该可编程低纹波高压稳定电源还包括环境传感器ST，环境传感器ST和数字可编程器件DPD相连。

进一步，该可编程低纹波高压稳定电源还包括芯片级总线B3，环境传感器ST通过芯片级总线B3和数字可编程器件DPD相连。

进一步，该可编程低纹波高压稳定电源还包括上位计算机UC，上位计算机UC和数字可编程器件DPD相连。

进一步，该可编程低纹波高压稳定电源还包括工业现场总线或设备间总线F1，上位计算机UC通过工业现场总线或设备间总线F1和数字可编程器件DPD相连。

具体的，DC-DC变换电路(模块)N3，可将输入直流电源Vin变换成共地输出的电源LV_out，该变换电路具有输出电压反馈功能，从而可借助数模转换器N6对LV_out进行电压调整；

Royer振荡电路，可将LV_out直流电源电压经过该振荡电路变换成高频交流电压，进而使用整流桥电路V7整流为低纹波的直流高压源HVout；

模数采样及其转换电路N9，可对HVout高压源进行电压采样和转换，并经过芯片级总线B2及其总线隔离器BISO2将数据传输至数字可编程器件DPD；

数字可编程器件DPD，通过对模数转换所得实时数据的读取和判断后，经过芯片级总线 B1及其总线隔离器BISO1向数模转换器N6发出指令，从而对LV_out进行实时电压调整。

另外，还可扩展DPD的环境监测能力和通讯功能，即根据实际需求，在DPD外围放置环境传感器ST(如温度传感器等)和铺设工业现场总线或设备间总线F1，通过监测各种物理/化学因素以获取本电源及其周边的各种物理/化学量，并适时通过上位机UC和总线F1向DPD发出改变HVout的命令，最终由DPD和上述单元电路执行。

其中，DC-DC变换电路(模块)N3具有输出电压反馈功能，即输出直流电源通过串接于输出端与电源地之间的采样电阻RFB、R10网络产生稳定电压LV_out，而外接的数模转换器N6输出端与RFB、R10公共端之间接入电阻R9，从而使N6通过芯片级总线B1及其总线隔离器BISO1获得改变其输出模拟电压的指令以调整LV_out电压值。前述LV_out直流电压经过Royer振荡电路的变换后，产生出隔离的高频交流高压，并通过整流桥电路V7和高压电容C1得到直流高压HVout。

整流滤波电容C1两端接入电压采样和转换电路N9，且其中模数转换器可通过芯片级总线B2及其总线隔离器BISO2与数字可编程器件DPD进行不共地的数据通讯，从而将直流高压HVout的电压值实时告知DPD。

数字可编程器件DPD具有芯片级总线B1、B2的功能接口或可通过编写固件程序使其具备B1、B2的功能，从而可分别通过B1、B2及其总线隔离器BISO1、BISO2与N6、N9 进行数据通讯，即DPD根据实时读取到的HVout电压值，判断出N6输出电压是否已达到预定值，并向N6发出相应的指令，从而逐步将HVout调整到预定值。

特别地，可根据实际需要，在DPD外围增加环境传感器(如温度传感器)，以在相关环境因素发生改变时，调整HVout电压值。

特别地，可根据实际需要增加上位计算机UC，一方面通过工业现场总线或设备间总线 F1上传该电路的HVout电压、环境参数等数据，另一方面通过工业现场总线或设备间总线 F1能够操纵数字可编程器件DPD对HVout进行设置，从而由N6调整其输出模拟电压，即改变LV_out的电压直至HVout达到目标值。

本实用新型的有益效果为：

1、使用Royer振荡电路和各种总线隔离器既有输出电压低纹波的优点，又有良好电磁兼容性；

2、既可以应用于RTP晶体的四分之一波长电压不随温度变化而变化的电光调Q电路，又可以应用于随温度变化而变化的KDP电光晶体调Q电路和APD偏压电路；

3、应用数字可编程器件具有快速开发的优势和功能上的可扩展性，且不会导致成本和电路复杂性的明显增加。

附图说明

图1为本实用新型的可编程低纹波高压稳定电源原理框图；

图2为本实用新型实施例的可编程低纹波高压稳定电源原理框图；

图3为本实用新型实施例的可编程低纹波高压稳定电源实施例图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步的说明：

本实用新型涉及一种可编程低纹波高压稳定电源，其包括数字可编程器件DPD、数模转换器DAC、AD采样与转换电路(含ADC)、DC-DC变换电路、Royer振荡与直流高压产生电路、上位计算机(可选)、环境传感器(可选)，以及连接DPD与DAC之间的总线 B1、DPD与ADC之间的总线B2、DPD与环境传感器之间的总线B3、上位机与DPD之间的总线F1。本实用新型通过数字可编程器件DPD对AD采样与转换电路所读取的直流高压 HVout进行实时监测和分析，从而操纵数模转换器DAC对具有电压反馈功能的DC-DC变换电路输出电压LV_out进行设置，即通过改变Royer振荡器的输入电压，使直流高压HVout达到所需的目标值。

特别地，还可根据实际需要，在数字可编程器件DPD外围设置环境传感器，使得直流高压HVout可根据环境参数的变化而改变，达到HVout数值与诸如温度等因素匹配的目的；或者通过现场总线或设备间总线F1与上位计算机通讯，既可将该电路的HVout数值、环境参数等实时传输给上位计算机，又可通过上位计算机向DPD发送指令，并由DPD协同上述各个单元电路完成设置直流高压HVout的操作。

本实施例的可编程低纹波高压稳定电源，如图1和图2所示，包括DC-DC变换电路N3、数模转换器N6、总线隔离器BISO1、Royer振荡电路TR、高频高压整流桥V7与整流滤波电容C1、模数采样与转换电路N9、总线隔离器BISO2、数字可编程器件DPD。

其中，DC-DC变换电路N3可将输入电源Vin变换为电源LV_out，且其具有输出电压反馈功能；Royer振荡电路以电源LV_out作为输入，可产生高频高压交流电，并在整流电路V7 和滤波电容C1的作用下，生成高压直流电压HVout；模数采样与转换电路N9负责监测该直流高压HVout，其中的ADC芯片具有芯片级总线接口，从而可通过芯片级B2及其总线隔离器BISO2与数字可编程器件DPD进行数字通讯，将所监测的高压供DPD进行读取和分析；根据分析结果，数字可编程器件DPD通过芯片级B1及其总线隔离器BISO1向数模转换器N6发出调节器输出模拟电压的指令，直至直流高压HVout达到目标值或其值小于某个容差；所述环境传感器ST通过芯片级总线B3与DPD进行数字通讯，以获取相应的环境参数，并通过DPD的固件程序决定是否对DAC输出模拟电压进行更改以调整直流高压HVout；所述上位计算机UC与数字可编程器件DPD通过工业现场总线或设备间总线F1进行数字通讯，可将HVout、环境参数等主要数据上传给UC，也可由UC发出设置直流高压的指令，由上述各单元电路协同完成调整HVout的操作。

详细的技术方案和原理是：

由DC-DC变换电路N3、Royer振荡电路TR、交流高压整流桥V7和高压滤波电容C1 构成基本的直流高压电源；其中N3具有输出电压反馈功能，即N3的输出电压LV_out与电源地PGND之间串接有电阻RFB和R10，且RFB、R10的公共点接入N3反馈引脚，从而可稳定输出LV_out；进一步地，可由外接的数模转换器N6和跨接在N6输出引脚与N3反馈引脚之间的电阻R9设置LV_out，显然LV_out与反馈引脚电压VFB、N6输出模拟电压值V_DAC的关系式为：

其中，||表示并联；而Royer振荡电路以LV_out作为其输入电源，可自激振荡产生高频高压交流电，再经由整流桥V7和高压滤波电容C1得到低纹波的直流高压HVout，该电压容易受到温度等因素引起Royer振荡电路中三极管放大系数漂移和二极管整流桥V7等效阻抗漂移的影响，从而导致HVout的变化；为达到稳定输出HVout之目的，可对高压滤波电容C1两端的电压进行采样和模数转换处理，数字可编程器件DPD通过芯片级总线B2及其隔离器BISO2读取该采样电压，从而实现对 HVout的实时监测和分析，进而可通过芯片级总线B1及其隔离器BISO1对DAC芯片N6 的输出模拟电压进行VDAC修改，最终实现低纹波、高稳定度的可编程直流高压源。

特别地，如果需要直流高压HVout随温度变化而变化，可在DPD外围添置温度传感器等环境传感器ST，在固件程序内配置好HVout随环境温度变化的查找表即可；而如果想远程监测和操控该高压源电路，还可通过现场总线或设备间总线F1将上位机和DPD进行连接，以实时上传该电路的HVout、环境变量等重要数据，也可直接下达设置HVout的指令，这在调试单板时寻找适合光电产品的最佳HVout值是十分有用的。

具体地，如图3所示，使用集成电源芯片LTM8063IY#PBF作为DC-DC变换电路N3，其内部有249K电阻作为RFB，并在R9(阻值249K)、R10(阻值82K)和数模转换器MS5221M 所输出模拟电压V_DAC的共同作用下，可对N3的输出电压LV_out进行调整——按照前述内容， LV_out＝3.8983-V_DAC。以LV_out作为Royer振荡电路的输入电源，经过高频自激振荡后在变压器T1的输出绕组端产生高压交流电，再通过整流桥电路V7和高压滤波电容C1得到高压直流电HV_out。在C1两端通过R15、R16的分压和运放MS8606M的缓冲后，形成对HV_out的采样电路，并使用CL1680_MSOP型ADC进行模数转换，再由SPI总线及其隔离器 CA-IS3641HW将转换后的数据传输至微控制器C8051F330进行读取。微控制器解算该采样数据后，与所要求的预设高压值进行比较，如果误差值超过容差，则通过SPI总线及其隔离器CA-IS3640HW可向数模转换器MS5221M发出更改其模拟输出量V_DAC的指令，并再次判读调整后的HV_out的电压值，如此反复直至HV_out的电压调整到位。

特别地，在光电产品交付前，先由温度传感器NS18B20完成测温，并通过上位机和RS485 总线找出在该温度条件下APD所需的偏置电压，即由上位机发出设置HV_out电压值的指令，此指令被微控制器C8051F330接收，并通过SPI总线向DAC下达调整LV_out的指令，从而按照上述步骤使HV_out电压最终达到设置值。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，包括：具有输出电压反馈功能的DC-DC变换电路、Royer振荡与直流高压产生电路、电压采样与AD转换电路、数字可编程器件DPD、数模转换器DAC、芯片级总线B1以及芯片级总线B2；

其中，DC-DC变换电路的输入端和直流电源相连，DC-DC变换电路的输出端和Royer振荡与直流高压产生电路相连；Royer振荡与直流高压产生电路产生直流高压，经电压采样与AD转换电路以及芯片级总线B2接入至数字可编程器件DPD；数字可编程器件DPD经芯片级总线B1以及数模转换器DAC和DC-DC变换电路的电压反馈端相连。

2.根据权利要求1所述的可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，DC-DC变换电路通过串接于输出端与电源地之间的采样电阻RFB和R10产生电压LV_out，数模转换器DAC的输出端与采样电阻RFB和R10的公共端之间接入电阻R9，采样电阻RFB和R10的公共端和DC-DC变换电路的电压反馈端相连。

3.根据权利要求2所述的可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，DC-DC变换电路的输出端与电源地之间连有滤波电容C2。

4.根据权利要求2所述的可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，Royer振荡与直流高压产生电路包括Royer振荡电路TR、高频高压整流桥电路V7以及整流滤波电容C1；Royer振荡电路TR以LV_out作为输入以产生高频高压交流电，并在高频高压整流桥电路V7和整流滤波电容C1的作用下生成直流高压HVout。

5.根据权利要求1所述的可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，芯片级总线B1设有总线隔离器BISO1。

6.根据权利要求1所述的可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，芯片级总线B2设有总线隔离器BISO2。

7.根据权利要求1所述的可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，该可编程低纹波高压稳定电源还包括环境传感器ST，环境传感器ST和数字可编程器件DPD相连。

8.根据权利要求7所述的可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，该可编程低纹波高压稳定电源还包括芯片级总线B3，环境传感器ST通过芯片级总线B3和数字可编程器件DPD相连。

9.根据权利要求1所述的可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，该可编程低纹波高压稳定电源还包括上位计算机UC，上位计算机UC和数字可编程器件DPD相连。

10.根据权利要求9所述的可编程低纹波高压稳定电源，其特征在于，该可编程低纹波高压稳定电源还包括工业现场总线或设备间总线F1，上位计算机UC通过工业现场总线或设备间总线F1和数字可编程器件DPD相连。

Images