一种低噪声负高压电源变换器的制作方法

1.本发明属于负高压电源变换器领域，具体涉及一种低噪声负高压电源变换器。


背景技术：

2.现有的超低噪声高压电源变换器，电路结构源自1955年美国罗耶(g.h.royer)发明的自 激振荡推挽三极管单变压器直流变换器,经典的royer变换电路工作波形接近正弦波，无高次 谐波成分，整流输出后纹波噪声很小。但其为开环架构，输出电压随供电电压和负载特性会发 生明显变化。
3.另，美国linear technology(现已被analog device公司收购)2008年的技术文档an118fb (high voltage,lownoise,dc/dc converters)中figure 11所示开关调节型负高压输出royer变 换器电路，在经典royer变换器的基础上增加开关调节器lt1534、输出电压取样电阻、反向 放大器lt1006和续流二极管1n5817，同时将电源输入和谐振绕组中心抽头之间的扼流电感调 整到三极管基极和mosfet漏极之间。其基本原理为：反向放大器a1提供低阻抗反向输入， 将负输出采样电压转换为正电压，实现负输出电压的采样和极性反转。lt1534为开关稳压器， 在反馈电压fb的控制下实现royer谐振回路的电流控制，从而实现输出电压的调节。该电路 一定程度上继承了royer的低噪声特性，实现了输出电压的较低低纹波噪声和输出电压稳定特 性。该技术中，lt1534工作在开关状态，尽管其设计已经最大限度的降低了传导和辐射emc 特性，但任然会恶化经典的royer变换器的高次谐波成分和输出纹波噪声。另外，现有电路中， lt1534集成误差放大器和基准电压，输出电压只能为固定值或者手动调节，不方便实现程序 控制。
4.综上所述，现有技术实现的低噪声负高压电源变换器具有以下缺点：
5.1、经典royer变换器无返馈环路，输出电压随输入电压和负载特性变化而显著变化，无 法实现精准的电压输出。
6.2、开关调整型royer变换器实现方式引入开关噪声，恶化电源输出纹波。
7.3、开关调整型royer变换器为了实现更小的纹波噪声，需要加大输出滤波电容，将导致 电路体积大幅增加，不利于产品小型化。
8.4、开关调整型royer变换器基准电压集成在芯片内部，要实现通过软件调节输出电压比 较困难，电路实现复杂。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种低噪声负高压电源变换器，在较小的体积内实 现低输出纹波噪声和稳定的电压输出。
10.为了达到上述目的，本发明包括前馈补偿电路、反向放大器、误差放大器、相位补偿网络、 n
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mosfet管、royer谐振变换器和整流滤波电路；
11.反向放大器连接负高压电源和误差放大器，误差放大器连接n
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mosfet管，n
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mosfet 管连接royer谐振变换器，royer谐振变换器连接整流滤波电路，整流滤波电路连接
前馈补偿 电路，前馈补偿电路连接反向放大器，误差放大器并联相位补偿网络，误差放大器连接电压基 准源。
12.royer谐振变换器包括变压器t1、谐振电容c4、启动电阻r8、双三极管和阻尼电感l1；
13.阻尼电感l1连接n
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mosfet的漏极与两个三极管q1的发射极，两个三极管q1的基极 连接变压器t1，其中一个三极管q1的基极连接启动电阻r8，启动电阻r8连接电源和变压 器t1，两个三极管q1的集电极连接变压器t1，两个三极管q1的集电极间设置有谐振电容 c4。
14.整流滤波电路包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c75、电容c76 和电阻r1；
15.二极管d1和二极管d2的负极连接royer谐振变换器，二极管d3和二极管d4的正极连 接royer谐振变换器，电容c75和电容c76并联设置，电容c75和电容c76的一端连接二极 管d3和二极管d4的负极，二极管d1和二极管d2的正极连接电容c75的另一端、电阻r1 的一端和前馈补偿电路，电阻r1的另一端连接电容c76的另一端和反向放大器。
16.二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4均采用超快恢复二极管。
17.前馈补偿电路包括电容c3和电阻r2，电容c3的一端连接整流滤波电路，另一端连接电 阻r2的一端，电阻r2的另一端连接反向放大器。
18.反向放大器包括电阻r3、电阻r11和运放u2；
19.电阻r3设置在负高压电源与运放u2的反相输入端间，运放u2的正向输入端接地，运 放u2的输出端连接误差发大器，运放u2并联电阻r11。
20.运放u2的反向输入端反向跨接有钳位保护电路。
21.误差放大器的反向输入端连接反向放大器的输出端，误差放大器的正向输入端连接电压基 准，误差放大器的输出端通过电阻r12连接到n
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mosfet的栅极。
22.电压基准通过电位器手动调节或数模输出参考电压。
23.与现有技术相比，本发明在royer变换器基础上增加包括前馈补偿电路、反向放大器、误 差放大器、相位补偿网络、n
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mosfet管和整流滤波电路的线性反馈调节环路，能够实现输 出纹波电压低，本发明采用前馈补偿网络，可以实现更好的负载瞬态响应。本发明的输出电压 稳定，不受输入电压变化和负载变化的影响；电路结构简单，元器件体积小，造价低。
附图说明
24.图1是本发明的拓扑结构图；
25.图2是本发明的输出电压采用手动调节的基准电路图；
26.图3是本发明采用软件调节输出电压的基准电路图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明做进一步说明。
28.参见图1，本发明包括前馈补偿电路、反向放大器、误差放大器、相位补偿网络、n
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mosfet 管、royer谐振变换器和整流滤波电路；
29.反向放大器连接负高压电源和误差放大器，误差放大器连接n
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mosfet管，n
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mosfet 管连接royer谐振变换器，royer谐振变换器连接整流滤波电路，整流滤波电路连接前馈补偿 电路，前馈补偿电路连接反向放大器，误差放大器并联相位补偿网络，误差放大器连接电压基 准源。
30.royer谐振变换器包括变压器t1、谐振电容c4、启动电阻r8、双三极管和阻尼电感l1； royer谐振变换器工作在类正弦波状态，不产生高次谐波。
31.阻尼电感l1连接n
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mosfet的漏极与两个三极管q1的发射极，两个三极管q1的基极 连接变压器t1，其中一个三极管q1的基极连接启动电阻r8，启动电阻r8连接电源和变压 器t1，两个三极管q1的集电极连接变压器t1，两个三极管q1的集电极间设置有谐振电容 c4。通常输入滤波电容c5取值10uf以上，谐振电容c4和变压器初级绕组电感lp组成lc 谐振电路，两个三极管在反馈绕组电压激励下交替导通，实现谐振，阻尼电感l1确保振荡波 形为正弦。n
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mosfet工作在线性区，根据输出电压反馈量和基准电压源之间的误差调整流 过电感l1的电流。
32.整流滤波电路包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c75、电容c76 和电阻r1；二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4均采用超快恢复二极管。
33.二极管d1和二极管d2的负极连接royer谐振变换器，二极管d3和二极管d4的正极连 接royer谐振变换器，电容c75和电容c76并联设置，电容c75和电容c76的一端连接二极 管d3和二极管d4的负极，二极管d1和二极管d2的正极连接电容c75的另一端、电阻r1 的一端和前馈补偿电路，电阻r1的另一端连接电容c76的另一端和反向放大器，电阻r1和 电容c76组成rc滤波电路，实现纹波电压的进一步衰减。
34.前馈补偿电路包括电容c3和电阻r2，电容c3的一端连接整流滤波电路，另一端连接电 阻r2的一端，电阻r2的另一端连接反向放大器。
35.反向放大器包括电阻r3、电阻r11和运放u2，实现输出电压的取样和反向电压变换，将 负输出电压转换为正输出，作为误差放大器的输入；运放u2实现高输入阻抗和反向放大，电 阻r3选用精密低温漂电阻。
36.电阻r3设置在负高压电源与运放u2的反相输入端间，运放u2的正向输入端接地，运 放u2的输出端连接误差发大器，运放u2并联电阻r11。
37.运放u2的反向输入端反向跨接有钳位保护电路，防止上电过程中u2承受电压过应力。
38.误差放大器u1的反向输入端连接反向放大器的输出端，误差放大器u1的正向输入端连 接电压基准，误差放大器u1的输出端通过电阻r12连接到n
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mosfet的栅极，误差放大器 u1实现反馈电压和参考电压vref的差值放大。误差放大器u1输出电压通过r12连接 n_mosfet的栅极，实现royer谐振电路电流控制。
39.误差放大器为开放式架构，即采用通用运放加独立电压基准源实现。可以通过调节基准电 压源实现输出电压灵活调节。相位补偿网络可以是i型补偿网络，也可以是ii型补偿网络。电 压基准源可以是定值电压基准，实现固定电压输出；也可以是电压基准通过电位器调节，实现 输出电压手动调整；还可以通过数模(dac)输出参考电压，实现输出电压的软件可调。定 值电压基准直接连接到误差放大器的正向输入端，因此输出电压
40.参见图2，通过将图2所示电路替换图1中的电压基准，即可实现输出电压的调节。
输出 电压调节范围从dc 0v到为了限定输出电压的最小值，也可以在电位器下 端对低串接固定电阻器。
41.参见图3，通过将图3所示电路替换图2中的电压基准，即可实现输出电压的软件调节。 图中u3为i2c接口的dac芯片，其输出电压范围参考电压基准；输出电压vref连接到误差放 大器的同向输入端。输出电压为所述dac不限于i2c接口，可以为spi等 其他接口的dac；所述电压基准也不限于外置式，可以选用集成电压基准的dac；所述dac也 可以是处理器内部集成的dac。
42.本发明能够用于需要稳定、低噪声的负高压偏置电源场合，例如雪崩光电(apd)偏置电 压、光电倍增管(pmt)偏置电压、超声换能器、电容麦克风、辐射探测器、精密模拟仪器等 领域。