一種可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型為一種可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊，包括輸入端口、功率開關模塊、脈沖變壓器、倍壓整流電路、電壓輸出端、反饋分壓電路、控制電路、隔離驅動模塊、機械開關模塊；通過所述的控制電路，輸入電壓經輸入端口、功率開關模塊、脈沖變壓器、倍壓整流電路、電壓輸出端、反饋分壓電路、隔離驅動模塊在電壓輸出端產生高電壓輸出；所述的控制電路還與機械開關模塊相連接來控制機械開關在降壓調壓過程中進行近距離拉電弧以釋放多余電量，達到安全降壓穩(wěn)壓的目的。該結構簡單，功耗小，能輸出高電壓并可快速調節(jié)，適合用作柔性智能結構、電子點火器、小型電擊設備的高壓電源。
【專利說明】-種可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊

【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于高壓電源【技術領域】，具體涉及一種可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的 小型高壓電源模塊。

【背景技術】
[0002] 目前的小型高壓電源的高壓電路常常采用高壓升壓加倍壓整流方式進行升壓整 流，通過調節(jié)方波占空比和倍壓級數(shù)兩種方式調節(jié)高壓輸出，但是在降壓調壓時常常采用 的倍壓整流方式存在放電困難的缺陷，負載采用并聯(lián)電阻方式進行放電降壓時所需放電周 期較長，在高壓工作情況下常常需要較長放電時間；而當應用于大型設備等裝置上時常常 采取直接接地的方式釋放多余電量。
[0003] 將目前常用的小型連續(xù)可調高壓電源應用在科研領域的柔性器械上將出現(xiàn)以下 問題：
[0004] 1、柔性電子設備通常為電容性負載裝置，當前高壓電源的放電模式的放電時間較 長，響應慢，無法適應柔性電子設備的響應和工作頻率的要求；
[0005] 2、柔性電子設備要求具有自由移動的功能特性，接地的放電方式和市電電源的接 入都無法滿足其自身工作要求。 實用新型內容
[0006] 本實用新型所要解決的技術問題是針對傳統(tǒng)高壓電源無法滿足小型柔性電子設 備等電容型負載工作需要的不足，為小型柔性電子設備等電容型負載提供一種輕量化，小 型化，不限制負載的自由移動，輸出能快速放電降壓，而且輸出能連續(xù)調壓的高壓電源模 塊，降壓調節(jié)時快速釋放多余的電量，使設備的工作電壓更加準確，防止多余電量損害設 備。
[0007] 本實用新型是這樣實現(xiàn)的，一種可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模 塊，包括有：
[0008] 輸入端口、功率開關模塊、脈沖變壓器、倍壓整流電路、電壓輸出端、控制電路、隔 離驅動模塊、反饋分壓電路、機械開關模塊；
[0009] 輸入端口，與功率開關模塊相連接，用于為功率開關模塊提供輸入電壓；
[0010] 功率開關模塊，分別與所述的隔離驅動模塊和所述的脈沖變壓器相連接，受來自 隔離驅動模塊的開關驅動信號控制，將來自輸入端口的輸入電壓變換為高頻開關信號輸出 到脈沖變壓器；
[0011] 脈沖變壓器，分別與所述的功率開關模塊和所述的倍壓整流電路相連接，用于將 來自功率開關模塊的高頻開關信號隔離放大輸出到倍壓整流電路；
[0012] 倍壓整流電路，分別與所述的脈沖變壓器和所述的電壓輸出端相連接，用于將來 自脈沖變壓器的信號進行倍壓，升壓到所需要的電壓整流輸出到電壓輸出端；
[0013] 電壓輸出端，分別與所述的倍壓整流電路、所述的機械開關和所述的反饋分壓電 路相連接，用于輸出最終電壓信號；
[0014] 反饋分壓電路，分別與所述的電壓輸出端和控制電路相連接，用于將所述的電壓 輸出端的電壓信號反饋給所述的控制電路，實現(xiàn)所述的高壓電源模塊輸出電壓的穩(wěn)壓調 節(jié)；
[0015] 控制電路，分別與所述的隔離驅動模塊、所述的反饋分壓電路和所述的機械開關 模塊相連接，根據來自所述的反饋分壓電路的信號產生開關控制信號和降壓控制信號，將 開關控制信號輸出到所述的隔離驅動模塊，將降壓控制信號輸出到機械開關模塊，實現(xiàn)所 述的高壓電源模塊輸出電壓的穩(wěn)壓調節(jié)；
[0016] 隔離驅動模塊，分別與所述的控制電路和所述的功率開關模塊相連接，用于將來 自所述的控制電路的開關控制信號進行功率放大并轉換為開關驅動信號輸出到功率開關 模塊，并且實現(xiàn)控制電路與功率開關模塊的電氣隔離；
[0017] 機械開關模塊，分別與所述的電壓輸出端和所述的控制電路相連接，接受來自所 述的控制電路的降壓控制信號，將電壓輸出端的多余電量進行釋放以實現(xiàn)輸出電壓的降 壓。
[0018] 進一步地，所述的機械開關模塊包含兩個觸片和一個微型舵機；兩個觸片包括一 個動觸片和一個固定觸片，動觸片與電壓輸出端的正極相連接，固定觸片與電壓輸出端的 負極相連接；動觸片與所述的微型舵機相連接，所述的動觸片可以位于所述的微型舵機臂 上；所述的微型舵機分別與所述的動觸片和所述的控制電路相連接。在升壓過程中舵機轉 角不變，使兩觸點保持在最大距離，在降壓過程中調節(jié)舵機轉角，在輸出端用舵機控制動觸 片與固定觸片進行近距離拉電弧短路，將電容中多余電量放掉，近距離拉電弧之后，在幾百 毫秒內舵機立即反轉回復到初始位置，用于實現(xiàn)快速降壓和安全保護，該放電模式快速簡 易。
[0019] 進一步地，所述的隔離驅動模塊包括一個緩存驅動芯片和一個光耦合器；所述的 緩存驅動芯片分別與所述的控制電路和所述的光耦合器相連接，所述的光耦合器分別與所 述的緩存驅動芯片和所述的功率開關模塊相連接，用于實現(xiàn)控制電路與功率開關模塊的電 氣隔離；所述的緩存驅動芯片和光耦合器用于將來自控制電路的開關控制信號進行功率放 大。
[0020] 進一步地，所述的輸入端口電壓范圍為直流5伏?32伏。
[0021] 進一步地，所述的輸出快速降壓的放電時間在700毫秒以下。
[0022] 進一步地，所述的控制電路為單片機控制電路。
[0023] 進一步地，所述高壓電源模塊輸出為直流0伏?6000伏連續(xù)可調。
[0024] 進一步地，所述脈沖變壓器輸出0伏?600伏的高頻開關信號。
[0025] 進一步地，所述的倍壓整流電路為十倍壓整流電路。
[0026] 進一步地，所述高壓電源模塊輸出電壓為直流2000伏?15000伏連續(xù)可調。
[0027] 本實用新型的有益效果是，通過所述的控制電路，輸入電壓經輸入端口、功率開關 模塊、脈沖變壓器、倍壓整流電路、電壓輸出端、反饋分壓電路、隔離驅動模塊在電壓輸出端 產生高電壓輸出，實現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調；同時，本實用新型與現(xiàn)有技術相比，還具有以下 顯著的優(yōu)點：
[0028] 1、柔性電子設備工作要求電壓變化響應快，而目前的技術使用的降壓方式放電時 長常常達到幾秒甚至幾十秒，無法滿足工作要求，機械開關模塊采用觸片近距離拉電弧短 路的方式，可以在毫秒級別內迅速放電，通過單片機調壓迅速達到較低的穩(wěn)定電壓；
[0029] 2、機械開關模塊采用自動控制模式，利用控制電路，在接收調低電壓信號后能夠 自動控制舵機轉動角度，從而控制動作觸點的位置，在允許的安全時間內自動回復到原來 位置，達到迅速放電的目的，因此該技術不會限制柔性器械的自由移動功能；
[0030] 3、利用機械開關模塊產生短路放電時若持續(xù)時間超過一定范圍將對電路造成危 害，因此通過輸入舵機角度定時轉動程序來控制兩觸點保持一定距離的時間，防止短路過 久造成電路損害；
[0031] 4、實際使用過程中，輸出端電壓較高，可高達6000伏左右，空氣擊穿電弧在室內 條件下大于8_，因此電子開關和小型機械繼電器無法承受，高壓繼電器由于體積大不符合 小型電源的設計要求，而機械開關則在滿足小型化的條件下實現(xiàn)短路調壓的功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本實用新型的結構框圖。
[0033] 圖2 (a)為本實用新型的機械開關模塊模型圖。
[0034] 圖2 (b)為本實用新型的一個十倍壓整流電路圖。
[0035] 圖3為本實用新型的一個二倍壓整流電路圖。

【具體實施方式】
[0036] 如圖1所示，本實用新型提供一種可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模 塊，其中：
[0037] 所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊包括輸入端口、功率開關 模塊、脈沖變壓器、倍壓整流電路、電壓輸出端、反饋分壓電路、控制電路、隔離驅動模塊、機 械開關丨吳塊；
[0038] 所述的輸入端口，與功率開關模塊相連接，用于為功率開關模塊提供輸入電壓；
[0039] 所述的功率開關模塊，分別與所述的隔離驅動模塊和所述的脈沖變壓器相連接， 受來自隔離驅動模塊的開關驅動信號控制，將來自輸入端口的輸入電壓變換為高頻開關信 號輸出到脈沖變壓器；
[0040] 所述的脈沖變壓器，分別與所述的功率開關模塊和所述的倍壓整流電路相連接， 用于將來自功率開關模塊的高頻開關信號隔離放大輸出到倍壓整流電路；
[0041] 所述的倍壓整流電路，分別與所述的脈沖變壓器和所述的電壓輸出端相連接，用 于將來自脈沖變壓器的信號進行倍壓，升壓到所需要的電壓整流輸出到電壓輸出端；
[0042] 所述的電壓輸出端，分別與所述的倍壓整流電路、所述的機械開關模塊和所述的 反饋分壓電路相連接，用于輸出最終電壓信號；
[0043] 所述的反饋分壓電路，分別與所述的電壓輸出端和控制電路相連接，用于將所述 的電壓輸出端的電壓信號反饋給所述的控制電路，實現(xiàn)所述的高壓電源模塊輸出電壓的穩(wěn) 壓調節(jié)；
[0044] 所述的控制電路，分別與所述的隔離驅動模塊、所述的反饋分壓電路和所述的機 械開關模塊相連接，根據來自所述的反饋分壓電路的信號產生開關控制信號和降壓控制信 號，將開關控制信號輸出到所述的隔離驅動模塊，將降壓控制信號輸出到機械開關模塊，實 現(xiàn)所述的高壓電源模塊輸出電壓的穩(wěn)壓調節(jié)；
[0045] 所述的隔離驅動模塊，分別與所述的控制電路和所述的功率開關模塊相連接，用 于將來自所述的控制電路的開關控制信號進行功率放大并轉換為開關驅動信號輸出到功 率開關模塊，并且實現(xiàn)控制電路與功率開關模塊的電氣隔離；
[0046] 所述的機械開關模塊，分別與所述的電壓輸出端和所述的控制電路相連接，接受 來自所述的控制電路的降壓控制信號，將電壓輸出端的多余電量進行釋放以實現(xiàn)輸出電壓 的降壓。
[0047] 具體地，所述的控制電路為STC89C51芯片；所述的隔離驅動模塊包括一個緩存驅 動芯片和一個光耦合器；所述的緩存驅動芯片為74HC244 ;所述的光耦合器為TLP521-1。所 述的倍壓整流電路為一個十倍壓整流電路。所述的控制電路為單片機控制電路，并且與機 械開關模塊相連接，用于控制機械開關在降壓調壓過程中進行近距離拉電弧短路以釋放多 余電量。
[0048] 具體調壓過程為：初始電壓由輸入端口提供輸入到功率開關模塊中，為功率開關 模塊供電?？刂齐娐返目刂菩盘柦浘彺骝寗有酒M行電流放大以及光耦合器進行電氣隔離 后，輸入到功率開關模塊中，控制功率開關模塊輸出相應占空比的矩形脈沖電壓。輸出的脈 沖電壓經過脈沖變壓器進行50倍電壓放大，實現(xiàn)0?600V脈沖電壓輸出，通過倍壓整流電 路實現(xiàn)〇?6000V直流電壓輸出。電壓輸出端經一個10兆歐和15歐電阻的反饋分壓電路 饋給控制電路實現(xiàn)精準調壓。
[0049] 如圖2 (a)所示，機械開關模塊具體操作方式為：升壓過程中，機械開關模塊位置 保持不變；降壓調壓過程中，控制信號輸入使單片機程序運行，調節(jié)微型舵機轉角，在輸出 端用微型舵機控制動觸片與固定觸片進行近距離拉電弧短路，將電容中多余電量放掉，同 時放電完畢后單片機控制電路立即控制舵機反轉，迅速回復到初始位置，實現(xiàn)降壓和安全 保護。
[0050] 如圖2 (b)所示，為一個十倍壓整流電路圖。十倍壓整流電路為5個二倍壓整流 電路的串聯(lián)，在此通過二倍壓對整個倍壓整流電路的工作原理作簡要說明。
[0051] 如圖3所示，為一個二倍壓整流電路圖。變壓器兩端為高頻交流電，峰值電壓為 馬。兩端電壓在負半周(變壓器上端為負電壓，下端為正電壓)時，二極管導通，仏截止， 電流經過對Α充電，將電容上的電壓充到接近電壓的峰值馬并基本保持不變。此時 電容Α左端為負，右端為正。電壓在正半周(變壓器上端為正電壓，下端為負電壓)時，二極 管仏導通，截止。此時，電容Q兩端電壓為電容與電源電壓馬串聯(lián)相加，電流經巧 對電容Q充電，充電電壓％ = 2馬，在一個周期內很難將電充滿，經過幾個周期反復充電， Q上的直流電壓基本穩(wěn)定在2? 了，實現(xiàn)了交流電2倍放大整流的作用。5個二倍壓整流 電路的串聯(lián)就可以實現(xiàn)十倍壓放大整流。
[0052] 應當理解，這些實施例僅用于說明本實用新型，并不用以限制本實用新型的范圍。 凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等效替換等，均應包含在本實用新型 的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊，其特征在于： 所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊包括輸入端口、功率開關模 塊、脈沖變壓器、倍壓整流電路、電壓輸出端、反饋分壓電路、控制電路、隔離驅動模塊、機械 開關丨吳塊； 所述的輸入端口，與功率開關模塊相連接，用于為功率開關模塊提供輸入電壓； 所述的功率開關模塊，分別與所述的隔離驅動模塊和所述的脈沖變壓器相連接，受來 自隔離驅動模塊的開關驅動信號控制，將來自輸入端口的輸入電壓變換為高頻開關信號輸 出到脈沖變壓器； 所述的脈沖變壓器，分別與所述的功率開關模塊和所述的倍壓整流電路相連接，用于 將來自功率開關模塊的高頻開關信號隔離放大輸出到倍壓整流電路； 所述的倍壓整流電路，分別與所述的脈沖變壓器和所述的電壓輸出端相連接，用于將 來自脈沖變壓器的信號進行倍壓，升壓到所需要的電壓整流輸出到電壓輸出端； 所述的電壓輸出端，分別與所述的倍壓整流電路、所述的機械開關模塊和所述的反饋 分壓電路相連接，用于輸出最終電壓信號； 所述的反饋分壓電路，分別與所述的電壓輸出端和控制電路相連接，用于將所述的電 壓輸出端的電壓信號反饋給所述的控制電路，實現(xiàn)所述的高壓電源模塊輸出電壓的穩(wěn)壓調 節(jié)； 所述的控制電路，分別與所述的隔離驅動模塊、所述的反饋分壓電路和所述的機械開 關模塊相連接，根據來自所述的反饋分壓電路的信號產生開關控制信號和降壓控制信號， 將開關控制信號輸出到所述的隔離驅動模塊，將降壓控制信號輸出到機械開關模塊，實現(xiàn) 所述的高壓電源模塊輸出電壓的穩(wěn)壓調節(jié)； 所述的隔離驅動模塊，分別與所述的控制電路和所述的功率開關模塊相連接，用于將 來自所述的控制電路的開關控制信號進行功率放大并轉換為開關驅動信號輸出到功率開 關模塊，并且實現(xiàn)控制電路與功率開關模塊的電氣隔離； 所述的機械開關模塊，分別與所述的電壓輸出端和所述的控制電路相連接，接受來自 所述的控制電路的降壓控制信號，將電壓輸出端的多余電量進行釋放以實現(xiàn)輸出電壓的降 壓。
2. 根據權利要求1所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊，其特征在 于： 所述的機械開關模塊包含兩個觸片和一個微型舵機；所述的兩個觸片包括一個動觸片 和一個固定觸片，動觸片與電壓輸出端的正極相連接，固定觸片與電壓輸出端的負極相連 接；動觸片與所述的微型舵機相連接；所述的微型舵機分別與所述的動觸片和所述的控制 電路相連接。
3. 根據權利要求1所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊，其特征在 于：所述的隔離驅動模塊包括一個緩存驅動芯片和一個光耦合器；所述的緩存驅動芯片分 別與所述的控制電路和所述的光耦合器相連接；所述的光耦合器分別與所述的緩存驅動芯 片和所述的功率開關模塊相連接。
4. 根據權利要求1-3任一項所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊， 其特征在于：所述的輸入端口電壓范圍為直流5伏?32伏。
5. 根據權利要求1-3任一項所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊， 其特征在于：所述的輸出快速降壓的放電時間在700毫秒以下。
6. 根據權利要求1-3任一項所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊， 其特征在于：所述的控制電路為單片機控制電路。
7. 根據權利要求1-3任一項所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊， 其特征在于：所述高壓電源模塊輸出電壓為直流0伏?6000伏連續(xù)可調。
8. 根據權利要求7所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊，其特征在 于：所述脈沖變壓器輸出〇伏?600伏的高頻開關信號。
9. 根據權利要求8所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模塊，其特征在 于：所述的倍壓整流電路為十倍壓整流電路。
10. 根據權利要求1-3任一項所述的可快速放電并連續(xù)調節(jié)電壓的小型高壓電源模 塊，其特征在于：所述高壓電源模塊輸出電壓為直流2000伏?15000伏連續(xù)可調。
【文檔編號】H02M3/44GK203872061SQ201420215611
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權日:2014年4月29日
【發(fā)明者】李鐵風, 翟志鵬, 李銘全, 邱一葦, 饒平, 李馳 申請人:浙江大學