专利名称：具有数字控制的高压电源及其方法
技术领域：
本发明总的涉及一种具有数字控制的高电压电压及其方法。本发明具体涉及一种由ASIC(专用集成电路)技术控制的高电压电压及其方法，其中HVPS以稳定的输出和多种输出控制功能为特征。
背景技术：
通常，诸如打印机、复印机或传真机之类的图像形成装置是提供来在诸如打印纸之类的记录介质上打印对应于原始图像数据的图像的装置。用在这种图像形成装置中的电子照像技术也被其他图像形成装置所采用，例如，激光打印机、LPH(LED打印头)打印机、传真机等。电子照像图像形成装置通过一系列步骤执行打印操作，包括充电、曝光、显影、转印和定影处理。
图1是现有技术电子照像图像形成装置的截面图。参照图1，电子照像图像形成装置包括感光鼓10、充电滚筒(roller)20、激光扫描单元(LSU)30、显影滚筒40、转印滚筒50、控制单元60和高压电源(HVPS)70。
为了执行具有上述配置的电子照像图像形成装置的打印操作，HVPS 70在控制单元60的控制下向充电滚筒20、显影滚筒40和转印滚筒50施加预定电压。充电滚筒20以由HVPS 70施加的充电电压均匀地充电感光鼓10的表面。LSU 30响应于来自控制单元60的输入图像数据的用光扫描感光鼓10。这导致在感光鼓10的表面上形成静电潜像。然后用显影滚筒40提供的色粉在静电潜像上形成色粉图像。驱动转印滚筒50并向其提供从HVPS 70施加的转印电压，将感光鼓10上形成的色粉图像转印到打印纸张上(未示出)。转印到打印纸上的色粉图像然后通过定影器(未示出)的高热和高压定影，并且将承载定影图像的打印纸通过排出途径(未示出)排出到外部，从而完成打印操作。
因此，HVPS 70是这种复印机、激光打印机、传真机之类设备的关键部件。HVPS 70是将低电压(12-24V)转换到高电压(几百到几千伏)的设备部件，并且在打印机鼓或复印机鼓上形成高电压放电，从而能够进行文档打印。根据应用的目的，HVPS可以用作恒压调节器和恒流发生器来分别送出电压或电流。
图2是现有技术HVPS的例子的电路示意图。参照图2，现有技术HVPS包括低通滤波器71、电压控制单元72、振荡器和变压器73、倍压器74、电压检测单元75和保护单元76。当例如从引擎控制器输入PWM(脉冲宽度调制)信号D(t)(其输出电压电平由占空比决定)时，低通滤波器71通过二级RC滤波器将输入信号改变为DC信号，并且将低通滤波后的DC信号输出到电压控制单元72。利用该DC信号作为输出电压控制的参考信号。
电压控制单元72作为用于放大误差信号的差分电路和控制器工作。它将通过低通滤波器71的DC信号与通过反馈实际输出电压获得的信号进行比较，并且产生振荡器和变压器73的晶体管Q的驱动信号。振荡器和变压器73基于电压控制单元72的输出信号控制晶体管Q的基极电流量。当晶体管的发射集和集电极之间的电压改变时，变压器的初级侧线圈的电压改变，并且在由高匝数比构成的变压器的次级侧线圈中感应电压。
倍压器74利用整流二极管D1和D2以及倍压和平滑电容器C4和C5，由变压器的次级侧线圈中感应的AC电压产生最终的高DC电压。电压检测单元75和保护单元76检测实际输出电压并且产生对电压控制单元72的反馈信号，从而防止输出异常电压。
图2所示的示例性HVPS是用于为特定通道的显影单元产生高电压的电路。因此，为了例如施加预定高电压到充电滚筒20、显影滚筒40和转印滚筒50，每个需要单独的通道。
然而，为了单个通道的精确输出控制，现有技术HVPS典型地使用模拟控制系统。这样的话，需要校正由于诸如RC滤波器和电压控制部分之类的部件特性偏差而引起的误差。
由于使用多个部分，因此难以降低成本。此外，整个HVPS可能由于任何一个单元部件的缺陷(例如那些由于外部因素引起的)而发生故障。
此外，由于晶体管用作振荡器中的开关元件，并且变压器总是工作在线性区域内，因此电路电路总是产生热量。此外，从图2可以看出，现有技术HVPS使用大量部件，这导致在组装过程中需要大量工作和时间，并且需要更多的PCB(印刷电路板)空间来布置大量部件。
因此，需要一种有效和经济的高压电源及其控制特征。
发明内容
因此，本发明实施例的一个目的是解决上述和其他技术问题，并且提供一种具有数字控制的高压电源(HVPS)，能够在单芯片ASIC中执行控制功能。
本发明实施例的另一目的是提供一种具有数字控制的HVPS及其方法，能够通过最小化开关元件的承受电压来降低ASIC的发热，并且通过缓冲电路(snubber circuit)提供对变压器的电压的控制。
为了实现上述和其他目的和优点，提供具有数字控制的高压电源(HVPS)，包括变压器，用于利用变压器初级和次级侧线圈的相互作用和输入电压来感应电压；至少一个开关元件，用于通过断续地导通初级侧线圈中的电流来控制次级侧线圈中感应的电压；至少一个数字控制单元，用于响应输入的控制数据控制所述至少一个开关元件的断续开关切换；和调节单元，用于吸收和消除通过变压器初级侧线圈施加的反向瞬态电压。
在本发明示例性实施例中，调节单元最好包括一电阻，其一端连接到变压器初级侧线圈；和连接在电阻的另一端和电路地端之间的电容器。
此外，在本发明示例性实施例中，数字控制单元控制所述至少一个开关元件，在用于在该开关元件处执行断续开关切换的开关元件输入电压相对于参考电压最小的时刻执行断续开关切换，其中参考电压是由对应于次级侧线圈上的输出电压的反馈信号和控制数据决定的。
在本发明示例性实施例中，开关元件利用MOSFET作为开关元件。
为了实现上述和其他目的和优点，提供一种用于控制具有数字控制的高压电源(HVPS)的方法，该方法包括步骤利用变压器初级和次级侧线圈的相互作用和输入电压来感应电压；通过断续地导通变压器初级侧线圈中的电流来控制次级侧线圈中感应的电压；响应输入的控制数据控制开关元件的断续开关切换；和吸收和消除通过变压器初级侧线圈施加的反向瞬态电压。
此外，在本发明示例性实施例中，该方法还包括步骤控制至少一个开关元件，在用于在该开关元件处执行断续开关切换的开关元件输入电压相对于参考电压最小的时刻执行断续开关切换，其中参考电压是由对应于次级侧线圈上的输出电压的反馈信号和控制数据决定的。
通过参照附图对本发明特定示例性实施例的描述，本发明的上述和其他方面将变得更加清楚，其中图1是现有技术图像形成装置的截面图；图2示出现有技术高电压电压(HVPS)的例子中使用的电路配置；图3是示出根据本发明示例性实施例的HVPS的方框图；图4详细示出根据本发明示例性实施例的图3中的第一数字控制单元和第一输出单元；以及图5A到5F示出根据本发明示例性实施例的图3中的开关元件和第一输出单元的示例性输出波形。
在所有附图中，相同的附图标记应理解为指代相同的部分、部件和结构。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明示例性实施例。
根据本发明示例性实施例的高压电源(HVPS)包括能够断续地导通变压器初级侧线圈中的电流的数字控制芯片或ASIC以及各种模拟元件的组合。在下面描述的本发明示例性实施例中，描述驱动4通道的ASIC芯片，单本发明的实施例不限于此。
图3是根据本发明示例性实施例的HVPS的方框图。
参照图3，HVPS包括数字接口单元100、振荡器130、通电复位(power-onreset)单元150、第一到第四数字控制单元200、300、400和500，以及第一到第四开关元件270、370、470和570，它们作为单芯片ASIC 600提供。此外，包括变压器和倍压电路的多个输出单元分别连接到第一到第四开关元件270、370、470和570。为了方便起见，图3仅示出连接到第一开关元件270的第一输出单元650。
数字接口单元100通过多种通信接口方法从引擎控制单元等接收用于确定输出电压的量值的控制数据。这些接口方法的例子包括接收PWM(脉冲宽度调制)信号(其输出电压电平是根据占空比确定的)，或者使用UART(通用异步接收器/发射器)、通过串行通信在两个设备之间交换数据的SPI(串行外围接口)总线、或者作为双线、双向总线的I2C等。
数字接口单元100将例如从引擎控制单元接收的控制数据转换成预定格式，并且将其分别传输到第一到第四信号控制单元200、300、400和500，其中控制数据用作输出电压的控制参考值V0*。
第一到第四数字控制单元200、300、400和500在其配置和功能上基本相同。每个数字控制单元将数字接口单元100提供的控制参考值V0*与通过检测每个通道的实际输出电压的反馈(FB)获得的信号V0进行比较，并且根据比较结果输出第一到第四开关元件270、370、470和570当中相应开关元件的驱动信号。
第一到第四开关元件270、370、470和570内置在单芯片ASIC中，并且利用MOSFET M1、M2、M3和M4作为开关元件。第一到第四开关元件270、370、470和570被设计成由从第一到第四数字控制单元200、300、400和500输出的驱动信号施加到MOSFET栅极而导通/关断，从而控制串联到漏极的变压器的初级侧线圈的电压。与现有技术不同，利用MOSFET作为开关元件，因此不再需要现有技术中用来防止晶体管发热的绝缘板。
如图4所示，第一输出单元650包括变压器、倍压器和整流器。变压器与开关元件串联，并且以在根据开关元件的导通/关断操作串联谐振的同时产生AC信号的方式构成。于是在变压器的次级侧线圈中感应具有高电势的AC电压。根据输出电压的范围，倍压器和整流器简单地整流变压器副线圈中感应的AC电压，或者通过倍压电路升高电压来提供最终输出电压。
单芯片ASIC 600包括作为时钟发生器的振荡器130，并且向其提供24V电源(高压电源)和VDD电源(IC驱动电源)。
利用该示例性配置，HVPS根据由例如引擎控制单元提供的控制数据控制每个通道的输出单元，并且产生高电压输出。
图4示出根据本发明示例性实施例的图3的第一数字控制单元200、第一开关元件270和第一输出控制单元650的详细结构。
参照图4，第一数字控制器200连接到第一输出单元650内的变压器初级侧线圈的一端，并且通过根据第一开关元件270的MOSFET的导通/关断转换断续地导通变压器初级侧线圈中的电流，来控制变压器次级侧线圈中感应的电压。此外，第一数字控制器200包括数字调节器220和模拟/数字(A/D)转换器210。数字调节器将从数字接口单元100输入的信号与从A/D转换器210输入的数字信号进行比较，从而控制输出。A/D转换器210接收并数字化模拟信号。
第一输出单元650连接到第一开关元件270，并且包括调节单元660，其在第一开关元件270的“关断”状态期间吸收通过变压器初级侧线圈施加的反向瞬态电压，以最小化MOSFET的承受电压。这里，调节单元660是包括相互串联的电阻和电容器的RC电压缓冲电路，但并不限于此。调节单元660与变压器的初级侧线圈串联。
缓冲电路的电阻的一端连接到变压器初级侧线圈，而电容器连接在电阻的另一端与电路地端之间。用从初级侧线圈施加的反向瞬态电压充电电容器，其中电压在电阻中缓慢放电。这样，缓冲电路吸收并消除了在短时间内快速改变的反向瞬态电压。以这种方式，可以防止第一开关元件270内的MOSFET超过额定电压而发热。
图5A到5F示出根据本发明示例性实施例的图3中的第一开关元件270和第一输出单元650的示例性输出波形。图5A到5F分别是显示电源电压、变压器次级侧上的电压、变压器初级侧上的电压、MOSFET的栅极电压、MOSFET的漏极电流和变压器次级侧中的电流的输出波形图。
图5A到5F中所示的谐振电路的这些波形为连接到变压器初级侧线圈的缓冲电路输出。因此，可以通过使开关元件在第一开关元件270的开关元件输入电压最小的精确时刻导通/关断，来最小化开关元件中的功率损耗。
根据本发明实施例，瞬态电压被连接到变压器的缓冲电路吸收和消除。结果，最小化了控制变压器电压的开关元件的承受电压，并且还最小化了单芯片ASIC的发热。
上述实施例和优点仅仅是示例性的，并不应被认为是限制本发明。本发明原理可以容易地应用到其他类型的装置。此外，本发明实施例的描述意图是说明性的，而非限制权利要求书的范围，本领域技术人员将理解许多替代、修改和变型。
权利要求
1.一种具有数字控制的高压电源(HVPS)，包括变压器，用于利用其初级和次级侧线圈的相互作用和输入电压来感应电压；至少一个开关元件，用于通过断续地导通初级侧线圈中的电流来控制次级侧线圈中感应的电压；至少一个数字控制单元，用于响应控制数据控制所述至少一个开关元件的断续开关切换；和调节单元，用于吸收和消除通过变压器初级侧线圈施加的反向瞬态电压。
2.如权利要求1所述的高压电源，其中，根据调节单元包括包括第一和第二端的电阻，第一端连接到初级侧线圈；和连接在电阻的第二端和电路地端之间的电容器。
3.如权利要求1所述的高压电源，其中数字控制单元被配置成控制所述至少一个开关元件，在用于在该开关元件处执行断续开关切换的开关元件输入电压相对于参考电压最小的时刻执行断续开关切换，其中参考电压是由对应于次级侧线圈上的输出电压的反馈信号和控制数据决定的。
4.如权利要求1所述的高压电源，其中所述至少一个开关元件包括MOSFET。
5.如权利要求1所述的高压电源，其中所述至少一个数字控制单元用专用集成电路(ASIC)实现。
6.一种配有用于产生高电压的高压电源(HVPS)的图像形成装置，高压电源包括变压器，用于利用其初级和次级侧线圈的相互作用和输入电压来感应电压；至少一个开关元件，用于通过断续地导通初级侧线圈中的电流来控制次级侧线圈中感应的电压；至少一个数字控制单元，用于响应控制数据控制所述至少一个开关元件的断续开关切换；和调节单元，用于吸收和消除通过变压器初级侧线圈施加的反向瞬态电压。
7.一种用于控制高压电源(HVPS)的方法，该方法包括在输出单元变压器中利用变压器初级和次级侧线圈的相互作用和输入电压来感应电压；通过断续地导通初级侧线圈中的电流来控制至少一个开关元件以便在次级侧线圈中感应电压；响应控制数据控制所述至少一个开关元件的断续开关切换；和消除通过变压器初级侧线圈施加的反向瞬态电压。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个开关元件的断续开关切换由至少一个数字控制单元控制。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个数字控制单元用专用集成电路(ASIC)实现。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述至少一个开关元件包括MOSFET。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述消除瞬态电压的步骤包括在初级侧线圈和电路地端之间耦接电阻和电容来消除瞬态电压。
12.如权利要求7所述的方法，还包括控制开关元件，在用于在该开关元件处执行断续开关切换的开关元件输入电压相对于参考电压最小的时刻执行断续开关切换，其中参考电压是由对应于次级侧线圈上的输出电压的反馈信号和控制数据决定的。
全文摘要
提供一种具有数字控制的高压电源(HVPS)及其方法，包括变压器，用于利用初级和次级侧线圈的相互作用和输入电压来感应电压；开关元件，用于通过断续地导通变压器初级侧线圈中的电流来控制次级侧线圈中感应的电压；数字控制单元，用于响应输入的控制数据控制开关元件的断续切换；和调节单元，用于吸收和消除通过变压器的初级侧线圈施加的反向瞬态电压。由连接到变压器的缓冲电路吸收和消除瞬态电压。结果，最小化了控制变压器电压的开关元件的承受电压，并且也最小化了包含的单芯片ASIC的发热。
文档编号G03G15/00GK1885702SQ200610090860
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月26日 优先权日2005年6月25日
发明者蔡荣敏, 赵钟化, 赵埈奭 申请人:三星电子株式会社