一种宽范围正负可调高压直流电源及其控制方法与流程

本发明涉及小功率电子高压直流电源领域，特别涉及一种适用于激光打印机的宽范围正负可调高压直流电源及其控制方法。

背景技术：

激光打印机等电子设备中需要用到电压宽范围可调的电子高压直流电源，通常这种高压直流电源由一个受控的电子高压发生器产生。在许多种类的激光打印机等设备中，需要多路独立可调的这种高压直流电源，通常由多个独立受控的电子高压发生器予以满足。电子高压发生器中必须用到高压变压器、大功率晶体管等体积较大、成本较高的元件，因此由多个独立的高压发生器构成的多路独立可调高压直流电源存在体积较大、成本较高的缺点。

参考文件[1](ZL 201210014420.6一种高压调压电路)和[2](ZL 201210014640.9共用基准高压源的多路高压输出电路)提供了一种由一个共用的高压发生器产生多路独立宽范围可调的高压直流电源的技术方案，具有体积小、成本低的突出优点。在参考文件[1]和[2]提供的宽范围调压技术方案中，由一个串联调压环节和一个并联调压环节协同构成串、并联电压调节装置，可以用一个固定高电压基准源产生可宽范围调节的高压输出。采用多个串、并联电压调节装置和一个共用的高压发生器即可提供多路独立宽范围可调的高压输出。

但是，在参考文件[1]和[2]公开的用串联调压环节和并联调压环节协同工作实现高压调节技术方案中，串联调压环节和并联调压环节均由控制器直接控制，存在串联调压环节和并联调压环节的工作范围难以准确衔接的问题。理想情况要求，在串联调压环节中的晶体管工作时，并联调压环节中的晶体管应当截止，而并联调压环节中的晶体管工作时，串联调压环节中的晶体管应当截止，两者应当准确衔接。由于电子元件的参数存在离散性和各种偏差与漂移，采用参考文件[1]和[2]公开的技术方案，难以实现串联调压环节和并联调压环节的工作范围的理想准确衔接。如果出现串联调压环节中的晶体管和并联调压环节中的晶体管同时工作的情况，可称之为串联调压环节和并联调压环节工作范围重叠，在重叠区内会形成对电压调节无效的环流，从而增加共用基准源的负担和额外的电路损耗；如果出现串联调压环节中的晶体管和并联调压环节中的晶体管同时截至的情况，可称之为串联调压环节和并联调压环节工作范围之间存在空档，在空档区内串联调压环节和并联调压环节均对控制信号失去响应，会出现电压短暂失控现象，导致电压调节特性不平滑或非线性问题。同时，参考文件[1]和[2]公开的技术方案仅适用于对单一极性的直流高压进行调节，不能满足许多激光打印机等设备所需的宽范围正负可调高压直流电源要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种宽范围正负可调高压直流电源，采用本发明所提供的技术方案，可以由一对具有固定电压值的正负高压直流电源(简称高压基准源)产生宽范围正负可调的直流高压输出，因而也可以由共用的正负直流高压基准源产生多路独立宽范围正负可调的直流高压输出。同时在本发明所提供的技术方案中，两个协调工作的调压单元的工作范围可以自动准确衔接与配合，不会出现公知技术中存在的无效环流损耗和调压特性失控等问题，从而工作效率更高，电压调节特性更为平滑准确。

本发明的另一目的在于提供一种宽范围正负可调高压直流电源的控制方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种宽范围正负可调高压直流电源，包括高电压发生器、负高压端、正高压端、第一驱动电路、第一调压单元、电流检测与放大电路、第二驱动电路、第二调压单元和可调高压输出端；还包括指令输入端、指令电压电路、误差放大器和电压反馈电路；其中高电压发生器分别与正高压端和负高压端连接，正高压端与第一调压单元的输入端连接，负高压端与第二调压单元的输入端连接，第一调压单元的输出端与第二调压单元的输出端相互连接后接可调高压输出端，第一驱动电路的输出端接第一调压单元的驱动端，第一调压单元的电流检测端接电流检测与放大电路的检测输入端，电流检测与放大电路的输出端接第二驱动电路的输入端，第二驱动电路的输出端接第二调压单元的驱动端；指令输入端、指令电压电路、误差放大器依次连接，误差放大器的输出端连接第一驱动电路的输入端，电压反馈电路的输入端分别连接第一调压单元的输出端、第二调压单元的输出端，电压反馈电路的输出端与误差放大器连接。

所述第一调压单元包括m个PNP晶体管Q1-1、Q1-2、…Q1-m，m+1个电阻R1-0、R1-1、R1-2、…R1-m，以及一个齐纳管D1-1；还包括输入端、输出端、电流检测端和驱动端；其中m≥1且m为整数；m个PNP晶体管的集电极与发射极依次相互串联，第一个晶体管Q1-1的发射极接齐纳管D1-1的阳极，齐纳管D1-1的阴极接第一调压单元的电流检测端的一个极，电流检测端的另一个极接第一调压单元的输入端，电阻R1-0的一端接第一调压单元的驱动端的一个极，驱动端的另一个极与第一调压单元的输入端连接，电阻R1-0的另一端接PNP晶体管Q1-1的基极，电阻R1-m的两端分别接晶体管Q1-m的基极和集电极，晶体管Q1-m的集电极还与第一调压单元的输出端连接，其余m-1个电阻分别跨接在依次串联的m个晶体管的各基极之间。

所述第二调压单元包括n个NPN晶体管Q2-1、Q2-2、…Q2-n，n+1个电阻R2-0、R2-1、R2-2、…R2-n，以及一个齐纳管D2-1；还包括输入端、输出端和驱动端；其中n≥1且n为整数；n个NPN晶体管的集电极与发射极依次相互串联，第一个晶体管Q2-1的发射极接齐纳管D2-1的阴极，齐纳管D2-1的阳极接第二调压单元的输入端，电阻R2-0的一端接第二调压单元的驱动端的一个极，驱动端的另一个极与第二调压单元的输入端连接，电阻R2-0的另一端接NPN晶体管Q2-1的基极，电阻R2-n的两端分别接晶体管Q2-n的基极和集电极，晶体管Q2-n的集电极还与所述第二调压单元的输出端连接，其余n-1个电阻分别跨接在依次串联的n个晶体管的各基极之间。

所述第一驱动电路包括一个晶体管Q3-1和5个电阻R3-1、R3-2、…R3-5；还包括输入端和输出端；其中晶体管Q3-1的发射极接电阻R3-1的一端，电阻R3-1的另一端接第一驱动电路的输入端的一极，晶体管Q3-1的基极分别与电阻R3-2和R3-3的一端连接，电阻R3-2和电阻R3-3的另一端分别接第一驱动电路的输入端的两极，晶体管Q3-1的集电极接电阻R3-4的一端，电阻R3-4的另一端接第一驱动电路的输出端的一极，电阻R3-5的两端分别与第一驱动电路的输出端的两极相连接。

所述第二驱动电路包括一个光耦合器U4-1和一个电阻R4-1；还包括输入端和输出端；光耦合器U4-1中的发光二极管的阳极接电阻R4-1的一端，电阻R4-1的另一端接第二驱动电路的输入端的一极，发光二极管的阴极接第二驱动电路的输入端的另一极，光耦合器U4-1中的光敏管的两端分别与第二驱动电路的输出端的两极相连接。

所述电流检测与放大电路包括一个晶体管Q5-1和一个电阻R5-1；还包括检测输入端和输出端；其中晶体管Q5-1的发射极和基极分别与电流检测与放大电路的检测输入端的两极相连接，晶体管Q5-1的集电极接电流检测与放大电路的输出端的一极，输出端的另一极接参考电位点，电阻R5-1的两端分别与晶体管Q5-1的基极和发射极相连接。

所述电流检测与放大电路包括一个光耦合器U5-1和一个放大器A5-1，还包括检测输入端和输出端；其中光耦合器U5-1中的发光二极管的两端分别与电流检测与放大电路的检测输入端的两极相连接，光耦合器U5-1中的光敏管的两端分别接放大器A5-1的两个输入端，放大器A5-1的两个输出端分别与电流检测与放大电路的输出端的两极相连接。

所述放大器A5-1采用运算放大器LM324构成的比例放大器。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种宽范围正负可调高压直流电源的控制方法，包含以下顺序的步骤：

步骤一：由高电压发生器产生正、负高电压，分别送至正高压端和负高压端，正高压端的电压值高于所述宽范围正负可调高压直流电源输出电压调节范围的上限值，负高压端的电压值低于所述宽范围正负可调高压直流电源输出电压调节范围的下限值；

步骤二：由指令输入端送入PWM电压调节指令；

步骤三：由指令电压电路将PWM电压调节指令转换为指令电压；

步骤四：由误差放大器将指令电压与来自电压反馈电路的反馈电压进行比较和放大，并将运算结果送入第一驱动电路，通过第一驱动电路驱动第一调压单元对电压进行调节；

步骤五：由电流检测与放大电路检测第一调压单元中PNP晶体管Q1-1的发射极电流，并将检测结果放大后送入第二驱动电路，通过第二驱动电路驱动第二调压单元参与电压调节；

其中电流检测与放大电路的放大倍数应满足以下条件：

记第一调压单元中的PNP晶体管Q1-1的发射极电流为I₁，其最大值为I_1M，则：

当I₁≥0.1I_1M时,驱动第二调压单元中的NPN晶体管Q2-1处于截止状态；

当0＜I₁＜0.1I_1M时，驱动第二调压单元中的NPN晶体管Q2-1进入放大区，参与电压调节；

当I₁＝0时，驱动第二调压单元中NPN晶体管Q2-1的发射极电流达到其最大值；

步骤六：由电压反馈电路对所述宽范围正负可调高压直流电源的输出电压进行采样并反馈至误差放大器，与指令电压进行比较，并经误差放大器运算后控制输出电压达到指令要求。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的控制方法由第一调压单元和第二调压单元以推挽方式协同工作，对固定的正负高压直流电源进行自动分压调节，可获得电压介于正高压值和负高压值之间、宽范围正负连续可调的直流高压输出，且具有损耗低、负载能力强的优点；同时，由于第二调压单元是依据第一调压单元中的晶体管工作电流进行驱动的，仅在第一调压单元中的晶体管工作电流足够小，即将退出放大区进入截止区时，第二调压单元中的晶体管方由截止区进入放大区，继续完成电压调节；当第一调压单元中的晶体管返回放大区进行电压调节时，第二调压单元中的晶体管自动进入截止区退出电压调节。由此可保证第一调压单元和第二调压单元的工作范围能够自动准确衔接，避免因两个调压单元的工作范围重叠导致的无效环流损耗或因两个调压单元的工作范围间存在空挡导致的电压调节特性和精度的劣化。

2、本发明提供了一种宽范围正负可调高压直流电源及其控制方法，由两个互补的调压单元以推挽方式协同工作完成电压调节，具有电压调整范围宽、调节精度高、可输出正负连续可调的直流高压、效率高、负载能力强等优点；

3、本发明通过设立电流检测与放大电路将用于调压的两个互补调压单元相互关联起来，配合适当的控制方法，可保证两个工作于互补推挽方式的调压单元的工作范围自动准确衔接，有效避免两个调压单元工作范围重叠导致的无效环流损耗，或者工作范围之间存在空挡而导致调压性能劣化；

4、本发明可有效防止由于电子元器件参数离散性和参数漂移等因素导致的两个调压单元配合不良问题，简化元件参数筛选和成品参数调整，保证产品的一致性、温度稳定性和长期稳定性；

5、采用本发明提供的技术方案，可由共用的高压发生器提供正负高压基准源，由多组互补调压单元产生多路分别独立宽范围正负可调的高压输出；

6、本发明的技术方案的适用性强、结构简单、成本低、易于实施。

附图说明

图1为本发明所述一种宽范围正负可调高压直流电源的结构示意图，

图2为图1所述电源的第一调压单元的电路图，

图3为图1所述电源的第二调压单元的电路图，

图4为图1所述电源的第一驱动电路的电路图，

图5为图1所述电源的第二驱动电路的电路图，

图6为图1所述电源的电流检测与放大电路的电路图，

图7为图1所述电源的电流检测与放大电路的电路图，

图8为本发明所述一种宽范围正负可调高压直流电源的结构示意图，

图9为本发明所述一种宽范围正负可调高压直流电源的结构示意图，

图10为本发明所述一种宽范围正负可调高压直流电源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

一种宽范围正负可调高压直流电源，如图1所示，包括高电压发生器1、负高压端2、正高压端3、第一驱动电路8、第一调压单元7、电流检测与放大电路6、第二驱动电路5、第二调压单元4和可调高压输出端9；其中，高电压发生器1分别与正高压端3和负高压端2连接，正高压端3与第一调压单元7的输入端连接，负高压端2与第二调压单元4的输入端连接，第一调压单元7的输出端与第二调压单元4的输出端相互连接后接可调高压输出端9，第一驱动电路8的输出端接第一调压单元7的驱动端，第一调压单元7的电流检测端接电流检测与放大电路6的检测输入端，电流检测与放大电路6的输出端接第二驱动电路5的输入端，第二驱动电路5的输出端接第二调压单元4的驱动端。

所述宽范围正负可调高压直流电源，如图2所示，其中的第一调压单元包含m个PNP晶体管Q1-1、Q1-2、…Q1-m，m是大于或等于1的整数，m+1个电阻R1-0、R1-1、R1-2、…R1-m，和一个齐纳管D1-1；m个PNP晶体管的集电极与发射极依次相互串联，第一个晶体管Q1-1的发射极接齐纳管D1-1的阳极，齐纳管D1-1的阴极接所述第一调压单元的电流检测端的一个极，电流检测端的另一个极接所述第一调压单元的输入端，电阻R1-0的一端接所述第一调压单元的驱动端的一个极，驱动端的另一个极与所述第一调压单元的输入端连接，电阻R1-0的另一端接PNP晶体管Q1-1的基极，电阻R1-m的两端分别接晶体管Q1-m的基极和集电极，晶体管Q1-m的集电极还与所述第一调压单元的输出端连接，其余m-1个电阻分别跨接在依次串联的m个晶体管的各基极之间。

所述宽范围正负可调高压直流电源，如图3所示，其中的第二调压单元包含n个NPN晶体管Q2-1、Q2-2、…Q2-n，n是大于或等于1的整数，n+1个电阻R2-0、R2-1、R2-2、…R2-n，和一个齐纳管D2-1；n个NPN晶体管的集电极与发射极依次相互串联，第一个晶体管Q2-1的发射极接齐纳管D2-1的阴极，齐纳管D2-1的阳极接所述第二调压单元的输入端，电阻R2-0的一端接所述第二调压单元的驱动端的一个极，驱动端的另一个极与所述第二调压单元的输入端连接，电阻R2-0的另一端接NPN晶体管Q2-1的基极，电阻R2-n的两端分别接晶体管Q2-n的基极和集电极，晶体管Q2-n的集电极还与所述第二调压单元的输出端连接，其余n-1个电阻分别跨接在依次串联的n个晶体管的各基极之间。

所述宽范围正负可调高压直流电源，如图4所示，其中的第一驱动电路包含一个晶体管Q3-1和5个电阻R3-1、R3-2、…R3-5；晶体管Q3-1的发射极接电阻R3-1的一端，电阻R3-1的另一端接所述第一驱动电路的输入端的一极，晶体管Q3-1的基极分别与电阻R3-2和R3-3的一端连接，电阻R3-2和R3-3的另一端分别接所述第一驱动电路的输入端的两极，晶体管Q3-1的集电极接电阻R3-4的一端，电阻R3-4的另一端接所述第一驱动电路的输出端的一极，电阻R3-5的两端分别与所述第一驱动电路的输出端的两极相连接。

所述宽范围正负可调高压直流电源，如图5所示，其中的第二驱动电路包含一个光耦合器U4-1和一个电阻R4-1；光耦合器U4-1中的发光二极管的阳极接电阻R4-1的一端，电阻R4-1的另一端接所述第二驱动电路的输入端的一极，发光二极管的阴极接所述第二驱动电路的输入端的另一极，光耦合器U4-1中的光敏管的两端分别与所述第二驱动电路的输出端的两极相连接。

所述宽范围正负可调高压直流电源，如图6所示，其中的电流检测与放大电路包含一个晶体管Q5-1和一个电阻R5-1；晶体管Q5-1的发射极和基极分别与所述电流检测与放大电路的检测输入端的两极相连接，晶体管的集电极接所述电流检测与放大电路的输出端的一极，输出端的另一极接参考电位点，电阻R5-1的两端分别与晶体管Q5-1的基极和发射极相连接。

所述宽范围正负可调高压直流电源，如图7所示，其中的电流检测与放大电路包含一个光耦合器U5-1和一个放大器A5-1，光耦合器U5-1中的发光二极管的两端分别与所述电流检测与放大电路的检测输入端的两极相连接，光耦合器U5-1中的光敏管的两端分别接放大器A5-1的两个输入端，放大器A5-1的两个输出端分别与所述电流检测与放大电路的输出端的两极相连接；放大器A5-1可由公知技术构成，例如可以采用运算放大器LM324构成的比例放大器。

所述宽范围正负可调高压直流电源，如图1所示，它还包括指令输入端10、指令电压电路11、误差放大器12和电压反馈电路13；指令输入端10接指令电压电路11的输入端，指令电压电路11的输出端接误差放大器12的一个输入端，误差放大器12的另一个输入端接电压反馈电路13的输出端，误差放大器12的输出端接第一驱动电路8的输入端，电压反馈电路13的输入端与可调高压输出端9连接；高电压发生器1、指令电压电路11、误差放大器12和电压反馈电路13均采用公知技术构成，例如：高电压发生器可采用高压变压器和晶体管等构成高频高压振荡器，产生高频交流高压电源，再由高频整流器整流获得正负直流高压电源；指令电压电路可由RC低通滤波器和电阻分压电路构成；误差放大器可采用运算放大器LM324构成的PI调节器；电压反馈电路可采用适当的电阻分压电路。

一种宽范围正负可调高压直流电源的控制方法，步骤为：

步骤一：由高电压发生器产生正、负高电压，分别送至正高压端和负高压端，正高压端的电压值高于所述宽范围正负可调高压直流电源输出电压调节范围的上限值，负高压端的电压值低于所述宽范围正负可调高压直流电源输出电压调节范围的下限值；

步骤二：由指令输入端送入PWM电压调节指令；

步骤三：由指令电压电路将PWM电压调节指令转换为指令电压；

步骤四：由误差放大器将指令电压与来自电压反馈电路的反馈电压进行比较和放大，并将运算结果送入第一驱动电路，通过第一驱动电路驱动第一调压单元对电压进行调节；

步骤五：由电流检测与放大电路检测第一调压单元中PNP晶体管Q1-1的发射极电流，并将检测结果放大后送入第二驱动电路，通过第二驱动电路驱动第二调压单元参与电压调节；

其中电流检测与放大电路的放大倍数应满足以下条件：

记第一调压单元中的PNP晶体管Q1-1的发射极电流为I₁，其最大值为I_1M，则：

当I₁≥0.1I_1M时,驱动第二调压单元中的NPN晶体管Q2-1处于截止状态；

当0＜I₁＜0.1I_1M时，驱动第二调压单元中的NPN晶体管Q2-1进入放大区，参与电压调节；

当I₁＝0时，驱动第二调压单元中NPN晶体管Q2-1的发射极电流达到其最大值；

步骤六：由电压反馈电路对所述宽范围正负可调高压直流电源的输出电压进行采样并反馈至误差放大器，与指令电压进行比较，并经误差放大器运算后控制输出电压达到指令要求。

实施例二

如图8，在本实施例中，第一调压单元由2个晶体管串联组成，第二调压单元由3个晶体管串联组成，电流检测与放大电路采用图4所示第一方案，指令电压电路由RC低通滤波器和电阻分压电路构成，误差放大器采用运算放大器LM324构成的PI调节器，电压反馈电路由电阻分压电路构成；此外，第一调压单元和第二调压单元的输出端之间接入了一个齐纳管D0-1，以增加一个与可调高压输出端电压值存在固定电压差值的第二高压输出端，以满足应用方需求；在第二调压单元中的晶体管Q2-1的发射极回路中增加了电阻R2A-1，以改善第二调压单元的调节特性；其余部分均与实施例一相同。

实施例三

如图9，在本实施例中，第一调压单元由3个晶体管串联组成，第二调压单元由4个晶体管串联组成，电流检测与放大电路采用图5所示第二方案，第一驱动电路采用了与图3所示第二驱动电路相同的电路，以适应更高的正高压输出需求；指令电压电路、误差放大器、电压反馈电路均与第二实施例相同，在第二调压单元中的晶体管Q2-1的发射极回路中也增加了电阻R2A-1；其余部分均与实施例一相同。

实施例四

如图10，在本实施例中，由一个共用的高压发生器与多组电压调节单元配合，可获得多路独立宽范围正负可调的直流高压输出；其中各电压调节单元的结构均与实施例一相同。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。