一种高压电源的制作方法

1.本实用新型涉及离子迁移谱测试仪器领域，尤其是一种高压电源。


背景技术：

2.离子迁移谱（ims）技术是一种微量化学物质分析技术，其最基本原理是通过对气相分子-离子在电场中的迁移速率的测定，来表征被测物的特性的一种技术。基于该技术的化学物质分析仪器，需要用到一种电压稳定的高压电源，根据被测物所带的带电离子的正负特性，需要改变高压电场的方向，高压电场的方向由高压电源提供切换控制。随仪器的性能指标不同，对电源的技术指标有不同的需求，这些指标包括电源转换效率、输出电压稳定性、纹波成分、极性切换时间，电源还要能适应复杂环境，在复杂环境条件下能保持指标稳定性。
3.现有技术公开了一种双极性高压稳压电源，其电源变换器控制芯片ic1产生pwm脉冲调制信号。该电源存在的不足在于使用pwm脉冲调制技术，使用该技术能提高电源效率，但纹波大；
4.极性控制信号hv-dv-为高电平时，输出pwm-，驱动升压变压器t1，hv-dv-为高电平还使k-开关管接通电源的输入端，使压变压器t1能正常工作，产生负极性的高压，在hv端输出-2500v左右的负高压。需要切换pwm极性改变变压器极性；
5.整流配合极性变换，在正极性输出时，右侧的三组高压固态开关ud4、ud5和ud6通过逻辑电路hv-dv+开通，正向的三只二极管d8、d9和d10输出正极性的电压，同样负极性输出时，左侧的三组高压固态开关ud1、ud2和ud3通过逻辑电路hv-dv-开通，负向的三只d1、d2和d3二极管输出负极性的电压。极性切换复杂，需要高压侧固态开关进行配合；
6.输出电压低，对于高分辨率的漂移管，工作电压常需要4500v或更高，3kv输出不能满足要求；变压器需要三个高压绕组，结构复杂。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本实用新型提出一种高压电源，涉及离子迁移谱测试仪器领域，是该仪器的核心部件，是一种具有低功耗，输出高电压电源，该高压电源可控制输出正极性或负极性。
8.本实用新型的技术方案具体如下：
9.一种高压电源，包括电源调节器、royer变换电路、倍压整流器、极性转换桥和稳压控制器；
10.电源调节器、royer变换电路、倍压整流器、极性转换桥依次连接，极性转换桥与稳压控制器、微处理器连接，微处理器与稳压控制器连接；
11.电源调节器将供电电源的电压调节到适合后续royer变换电路所需的电压；
12.royer变换电路驱动高压变压器实现直流到交流的变换；
13.倍压整流器获得二倍交流电压峰值的直流电压；
14.极性转换桥由光电隔离器开关组成全桥，全桥的两个臂交替导通与关断，实现输出电压极性的切换；
15.稳压控制器，由微处理器通过ad转换器采集高压输出电压，并通过da转换器输出控制电压，获得稳定输出的高压电源。
16.进一步地，电源调节器，使用常用的dcdc变换芯片，根据输入电源电压的范围，使用降压或升压电路；采用电池供电的电源，芯片工作频率在300khz-3mhz。
17.进一步地，royer变换电路使用高压变压器，初级使用中心抽头，设置反馈绕组；次级分段分层绕制。
18.进一步地，所述的极性转换桥使用的光电隔离器，根据输出电压的不同，输出最大值在3kv的使用两只、输出最大值在4.8kv的使用三只、输出最大值在6kv的使用四只串联作为一个桥臂；共需要8只、12只和16只光电隔离器。
19.进一步地，所述稳压控制器，内部带有adc器件的微处理器，采集高压输出电压，并通过扩展的dac转换器控制电源调节器的电压，控制、稳定输出高压电压。
20.进一步地，所述稳压控制器采用运算放大器芯片，分别调节正极和负极性高压的测量信号转换。
21.电源调节器，采用通常的直流变换芯片，将供电电源的电压调节到适合后续royer变换电路所需的电压。
22.royer变换电路，由两只三极管或场效应管组成功率自激振荡器电路，驱动高压变压器实现直流到交流的变换，其特征在于产生的波形为正弦波，区别于目前普遍使用的直流电源变换器的脉冲波形。
23.倍压整流器采用电容-二级管全桥电路，获得二倍交流电压峰值的直流电压。
24.极性转换桥由光电隔离器开关组成全桥，全桥的两个臂交替导通与关断，实现输出电压极性的切换；根据输出电压的不同，使用两只、三只或四只光电隔离器串联作为一个桥臂。
25.稳压控制器，由微处理器通过ad转换器采集高压输出电压，并通过da转换器输出控制电压，获得稳定输出的高压电源。
26.电源调节器，使用常用的dcdc变换芯片，根据输入电源电压的范围，使用降压或升压电路，输入电压高于8v的，选择适合的降压变换芯片；采用电池供电的电源，选择适合的升压变换芯片，芯片工作频率在300khz-3mhz范围。
27.royer变换电路使用的高压变压器，初级使用中心抽头，设置反馈绕组；次级分段分层绕制，并使用绝缘材料灌封。
28.极性转换桥使用的光电隔离器，因器件本身的耐压有限，根据输出电压的不同，输出最大值在3kv的使用两只、输出最大值在4.8kv的使用三只、输出最大值在6kv的使用四只串联作为一个桥臂；共需要8只、12只和16只光电隔离器。
29.稳压控制器，由内部带有adc器件的微处理器，采集高压输出电压，并通过扩展的dac转换器控制电源调节器的电压，控制、稳定输出高压电压。
30.稳压控制器，还采用了运算放大器芯片，分别调节正极和负极性高压的测量信号转换。
31.本实用新型产生正弦波电源，区别于目前普遍使用的直流电源变换器；输出经倍
压整流器，获得二倍交流电压的直流电压；直流电压经极性转换桥，由光电隔离器组成全桥，全桥的两个臂交替导通与关断，实现输出电压极性的切换；输出最大值在
±
4.5kv的高压电压。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本实用新型的框图；
34.图2为本实用新型的电源调节器电路图；
35.图3为本实用新型的royer变换器电路及倍压整流电路；
36.图4为本实用新型的极性转换桥电路；
37.图5为本实用新型的稳压及极性控制器；
38.图6为本实用新型的输出波形图。
具体实施方式
39.下面将结合本技术实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
40.除非另外定义，本技术实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
41.如图1所示，本实施例的高压电源，包括电源调节器a、royer变换电路b、倍压整流器d、极性转换桥h和稳压控制器f组成。
42.电源调节器a、royer变换电路b、倍压整流器d、极性转换桥h依次连接，极性转换桥h与稳压控制器f、mcu连接，mcu与稳压控制器f连接。
43.电源调节器a将供电电源的电压调节到适合后续royer变换电路b所需的电压。
44.royer变换电路b驱动高压变压器t实现直流到交流的变换；倍压整流器d获得二倍交流电压峰值的直流电压。
45.极性转换桥h，由光电隔离器开关组成全桥，全桥的两个臂交替导通与关断，实现输出电压极性的切换；稳压控制器f，由微处理器mcu通过ad转换器采集高压输出电压，并通
过da转换器输出控制电压，获得稳定输出的高压电源。
46.本实施例不难通过改变部分参数得到其他的技术指标。
47.如图2所示，电源调节器a由直流变换芯片u1，将+12v供电电源的电压调节到适合后续电路需要的中间电压v0，输出的中间电压v0将根据后续royer变换电路的负载需求、dac输出的直流电压，高压输出反馈fb+或fb-的变化而变化；当输出为正高压时，中间电压v0由电压跟随器u4b缓冲后，由r23、d1控制u1的fb端口，实现正高压的稳定，dac输出的直流电压通过r8、d3调节正高压输出的大小，dac的输出由微处理器的程序输出控制；同样，当输出为负高压时，中间电压v0由反向放大器u4a将负极性的被测电压转为正极性后，由r26、d2控制u1的fb端口，实现负高压的稳定，dac输出的直流电压通过r8、d3调节正高压输出的大小，dac的输出由微处理器的程序输出控制；微处理器通过an2_hv+采集正高压输出电压值、an1_hv-采集负高压输出电压值，与设定值进行比对，当发生偏差时，通过dac_out输出进行调节，以弥补温度、湿度和负载变化导致的电压偏差；也可以接受指令，对输出电压进行较大范围的设定，并且其特征在于，正高压和负高压的输出值可以分别进行设定；本实施例，电源调节器使用tps54202芯片，工作于500khz的pwm波形。
48.如图3所示，电源调节器a输出的中间电压v0，提供给所述的royer变换电路，其两只三极管q1、q2组成功率自激振荡器电路，驱动高压变压器t实现直流到交流的变换，其特征在于产生40khz左右的正弦波；所述royer变换电路，高压变压器t初级的中心抽头接镇流电感l3，并通过l3与v0相连，初级的两外两端分别接三极管q1、q2的集电极，高压变压器t的反馈绕组两端分别接三极管q1、q2的基极；高压变压器t的次级分5段分层绕制，并使用绝缘材料灌封；改变v0，可以改变次级的高压交流电压。
49.如图3所示，倍压整流器d，采用了电容c49、c50和整流管d5、d6组成全桥电路，通过r44、c51、r46和r46、c52、r47两级rc滤波后获得二倍交流电压峰值的直流电压，浮动的高压从正极hv+和负极hv-输出，连接到极性转换桥；实施例中，二极管使用高压快恢复整流二极管2dl72，电容使用cbb型高压瓷片电容。
50.如图4所示，倍压整流器d输出的浮动高压连接到极性转换桥h，极性转换桥h，由光电隔离器hu1-hu12组成全桥，全桥的hu1、hu2、hu9和hu5、hu6、hu12导通，hu3、hu4、hu11和hu7、hu8、hu10关断时，jk4-2输出正高压，jk4-1输出0v；全桥的hu1、hu2、hu9和hu5、hu6、hu12关断，hu3、hu4、hu11和hu7、hu8、hu10导通时，jk4-2输出负高压，jk4-1输出0v；因器件本身的耐压有限，输出最大值在4.8kv；正极性测量信号由高压电阻分压后从hv_fb+输出到运算放大器u4b的同相端；负极性测量信号由高压电阻分压后从hv_fb-输出到运算放大器u4a的反相端。
51.如图5、图2所示，稳压控制器f，由控制部分f和微处理器mcu共同组成，微处理器mcu，实施例使用的型号为stm32f103，通过内部ad转换采集正高压输出电压an2-hv+和负正高压输出电压an1-hv-，获取高压输出的实际值，作为控制的数据；程序通过数模转换芯片u7，输出控制电压dac-out，由r8、d3控制电源调节器输出中间电压v0，最终获得稳定的输出高压电源，数模转换芯片u7型号为dac8571。微处理器u6还通过txd接口与上级控制器进行数据交换，并通过io接口驱动极性转换桥h，实现输出极性的切换控制；u10用于存储高压电源的相关参数。
52.如图6所示，高压电源输出的极性周期变化的波形。切换稳定时间小于50ms，纹波
小，正负输出电压可分别设定，并可在一个切换周期内调整。
53.以上所述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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。