本发明涉及高压直流电源技术领域，具体涉及一种高压直流电源调制电路及方法。
背景技术：
传统医用的线性高压电源多采用低频变压器，该结构的电源体积大，效率低。
为此，对其进行改进，改进后的高压电源为了降低体积采用了高频开关模式，但电磁干扰丰富，尤其是采用了单片机来控制开关，在处理电压采样和电流反馈电路时，容易受到高压电磁干扰，易报错，易损坏，可靠运行寿命较短。
此外，采用了硬件逻辑电路fpga实现的高压电源，虽然也满足抗电磁干扰强，可靠性高，但是成本高，电路较为复杂。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有的缺陷，提供一种高压直流电源调制电路，采用了555定时器，结构简单，成本低且不易受到干扰。
为实现上述目的，本发明在第一方面通过以下技术方案得以实现：一种高压直流电源调制电路，包括桥堆整流电路、由升压变压器构成的推挽开关拓扑电路、低压推挽驱动电路、驱动变压器、rcd驱动电路，以及控制电路；在所述升压变压器的二次侧设有倍压电路，所述高压直流电源调制电路通过所述控制电路对所述低压推挽驱动电路的控制，在所述倍压电路的输出端生成用于驱动负载的高压直流电；所述高压直流电源调制电路还包括保护电路；所述保护电路包括电流反馈电路和定时保护电路；所述电流反馈电路耦接于所示高压直流电，以获取采样电流；所述定时保护电路中包括用于设置定时参数的555定时器，以及用于根据采样电流和定时参数并按照预设的判断条件对控制电路输出反馈信号、以通过控制电路调节所述高压直流电的逻辑电路。
本发明进一步优选方案为：所述电流反馈电路包括采样单元和信号处理单元；所述采样单元获取所述采样电流，所述信号处理单元将通过所述采样电流转化成对应的电压信号；所述定时保护电路接收所述电压信号，且在持续时间满足预设的时间后向控制电路输出反馈信号。
本发明进一步优选方案为：所述采样单元包括二极管d12、电容c5、电阻r29，以及压敏电阻znr1；其中所述压敏电阻znr1用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。
本发明进一步优选方案为：所述信号处理单元串联在所述采样单元和所述定时保护电路之间；所述信号处理单元包括由r38、r39、r44、r47、r48、c10和u2b组成反向放大器，以及由r46、r49、r43、r45、r46、c7、c8和u2a组成的带电压偏置的同向放大器；所述反向放大器的放大倍数为1，用于将输入电压由负变正。
本发明进一步优选方案为：所述定时保护电路的555定时器包括定时器u4和u5，定时器u4、u5及外围的逻辑电路形成二阶电流定时保护电路；所述同向放大器的输出端通过快速放电开关与定时器u4和u5的信号输入端相连。
本发明进一步优选方案为：所述逻辑电路由三极管q3至q7组成的外围电路构成。
本发明进一步优选方案为：所述二阶电流保护电路由三极管q1和q2组成的外围电路构成。
本发明进一步优选方案为：还包括电流限值保护电路，所述电流限值保护电路包括比较器u3a和u3b。
本发明进一步优选方案为：还包括电压反馈电路；所述电压反馈电路包括电压采样电路、电压比较电路和积分调压电路。
本发明在第二方面，还提供了一种高压直流电源调制方法，包括以下步骤：
s1：通过桥堆整流电路、由升压变压器构成的推挽开关拓扑电路、低压推挽驱动电路、驱动变压器、rcd驱动电路、控制电路，以及倍压电路，生成用于驱动负载的高压直流电：
s2：判断高压直流电的电流i大小，设定正常工作时的电流保护值为i1和i2，i1＜i2，定时时间t3＜t2＜t1，；
s3：当i大于1.2倍的i2并持续定时时间t3后，将电压等级降到v2；当i大于1.2i2并持续定时时间3t3后，进入s5；
s4：当i小于1.2i1并持续定时时间t1后，将电压等级升到v2或v3；当i大于1.2i1并持续定时时间3t3后，进入s5；
s5：停止高压直流电的输出。
综上所述，本发明具有以下有益效果：采用全硬件和数字逻辑电路设计，无需单片机，安全可靠性好，响应速度快，巧妙运用ne555定时器芯片(替代单片机)和外围电路形成2档过压、过流保护及阶梯定时保护。
附图说明
图1是本发明中所述高压直流电源调制电路的电路原理框图。
图2是滤波电路、桥堆整流电路及均压电路的电路原理图。
图3是±12v电源的电路原理图。
图4是控制电路的电路原理图。
图5是低压推挽驱动电路、驱动变压器t2、rcd驱动电路、推挽开关拓扑电路，及倍压电路的电路原理图。
图6是电流反馈电路和电流限值保护电路的电路原理图。
图7是定时保护电路的电路原理图。
图8是阶梯电流保护电路的电路原理图。
图9是状态检测电路的电路原理图。
图10是电压反馈电路的电路原理图。
图11是高压直流电源达到正常输出工作状态后，阶梯保护电路的工作流程图(包括3阶电压保护和2阶电流保护的工作流程)。
其中：
1、电流反馈电路；2、电压反馈电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
如图1-10所示，为本发明一示例实施例提供的高压直流电源调制电路的原理框图及各模块的电路原理体。该高压直流电源调制电路包括桥堆整流电路、由升压变压器构成的推挽开关拓扑电路、低压推挽驱动电路、驱动变压器、rcd驱动电路，以及控制电路。
在升压变压器的二次侧设有二倍压电路，所述高压直流电源调制电路通过所述控制电路对所述低压推挽驱动电路的控制，在所述倍压电路的输出端生成用于驱动负载的高压直流电。
高压直流电源调制电路还包括保护电路。所述保护电路包括电流反馈电路1和定时保护电路。本实施例中，定时保护电路中包括用于设置定时参数的555定时器，以及用于根据采样电流和定时参数并按照预设的判断条件对控制电路输出反馈信号、以通过控制电路调节所述高压直流电的逻辑电路。
如图2所示，在一示例中，桥堆整流电路采用全桥整流电路，连接市电(ac电源)，可以将交流电压转化为低压直流电压。为了减少直流电源对电网的电磁干扰，设计emc滤波电路，其中r36，znr3对输入端的冲击电压形成滤除作用，减小对内部电路的破坏性影响，其中c15，lf1和c24形成双π型低通滤波器对线电源过来的高频干扰及直流电源内部的高频干扰起到滤除作用，减少外来因素的干扰和对电网的干扰。
在一示例中，在全桥整流电路的输出端串联均压电路。桥堆后的储能电容，通过sw1，根据电压等级(110vac和220vac)选择不同的连接方式，当输入的电压为110vac时sw1拨到下端，耐压200v的储能电容e9既满足要求；当输入电压为220vac时sw1拨到上端，悬空，此时储能电容e9和e10串接才能满足高压的耐压要求。同时为了避免串接的电容分压不均，损毁器件，才需接电阻r37和r40来实现均压，平衡e9和e10之间的电压等级。
在推挽开关拓扑电路的升压变压器t3的一次侧设有高压开关管q17和q22，q17和q22为高速mos管，其工作频率升高到40khz左右，可以大大减小变压器体积并提高升压变压器的效率。q17和q22受控于控制电路(即电源管理ic，见图中编号为u7的芯片)。在一示例中，电源管理ic是通过rc电路来设计工作频率的，rc电路包括r41和c27，工作频率通过公式fosc＝2.2/rtct获得。
在一示例中，电源管理ic的±12v供电是由市电通过变压器t1降压后再整流获得的。如图3所示，±12v电源使用单初级，双次级输出12v正负电源的，运放采用双电源供电，提高运放的精度，扩大运放的动态范围；注意±12v电源的参考地gnd和高压输出的参考地连接而同升压变压的驱动端的参考地gnd1相隔离。同时通过变压器t1降压后再整流获得12v直流电还为其他芯片供电，如555定时器。
如图4和5所示，电源管理ic的输出端经过由npn和pnp双管组成的低压推挽电路连接驱动变压器t2输入级线圈，形成励磁和去磁化过程。驱动变压器t2的输出级采用rcd驱动电路来实现快速启动和快速吸收。本实施例中，驱动变压器t2的输出线圈采用2路输出，2输出之间电压隔离，可以驱动高低电位处的双管，因为相互隔离，不需要考虑上管驱动的高压浮地问题。
电源管理ic的输出端outa为驱动变压器t2的驱动端，电源管理ic的pin1和pin4脚组成直流电源的限流保护电路，pin16脚组成过流保护电路，在电流超过限值后关断直流电源，进入保护报警输出状态(通过状态监测电路中的led灯)，直至电源重启。芯片u7的内部还有一个2.5v的vref电源作为标准参考电源，为电路设计提供电源参考。
电路正常工作时，在变压器t3的二次侧输出电压经过二倍压电路后生成用于驱动负载的高压直流电。
高压直流电源调制电路还包括，电压反馈电路2。所述电压反馈电路包括电压采样电路2、电压比较电路和积分调压电路。u14a和外围电路组成了一个电压比较电路，形成高压输出电压的最低电压保护电路，同向端pin3是由u7的参考电压ref分压而来为2.55v作为比较参考电压。高压取样电路的电压值输入到u14a的反向端，当取样电压低于比较参考电压时，高压输出异常，启动保护；当取样电压高于比较参考电压时，高压输出正常。
电压设有三个等级，依次为v1，v2和v3，其中v1<v2<v3，正常工作时目标电压值是v3，对应的电流等级为i2。当电流超标时，电压的等级会下降一个等级到v2并定时等待t1分钟，其中e1、r105及u4组成t1定时电路，同理，e2、r106及u5组成同样的定时电路。
时间长度可以根据需要设计，而不是直接关闭输出，等待时间内，如果电流在正常范围，则电压再升高一个等级到v3；如果在等待过程中电流仍超标，则电压再降一级到v1，并定时等待t1分钟，等待时间内，如果电流在正常范围，则电压再次升高一个等级到v2；如果在之前等待过程中电流仍超标，则电压启动保护，关闭输出，并且报警指示灯红灯亮。其他情况以此类推。
例如，输出电压等级在v3运行时，u2a的输出电压为正，q8和q9截止，ic1-6和ic2-6均为高电平，大于12v电压的2/3倍，u4和u5的输出cn2-2和cn2-1均为低电平，q4，q3，q1，q5均不导通，cn1-5的电压为2.03v作为电压反馈电路运放u14b的同相端输入电压，进一步反馈到u7的电压跟随运放电路，使得输出电压稳定在v3；当输出负载发生异常变化，导致输出电流大于1.2倍的i2时，电流反馈电路经过u2b的极性反转为正电压，在经过u2a放大，输出低电平，从而导致q8和q9导通，如果持续时间超过t3(约0.5秒钟，通过e1和r100定时)，e1电容通过r100放电至4v以下(即ic1-6电压)，u4的输出cn2-2由低电平转化成高电平，这时q3和q7导通；q3导通导致r9和r14参与分压，cn1-5的电压下降为1.7v，再经过电压反馈电路的运放u14b，最终导致输出高压降低到v2。同时q1的导通使得cn1-4的电压降低，结合电路u3b,u3a电路，电流峰值保护阶梯值下降到i1。
如果此时采样电流值小于1.2倍的i1，那么u2a输出高电平，q8和q9截止，12v电源通过r105给e1充电，12v电源通过r106给e2充电，充电至8v以上的时间是t1(根据需要设计2-5分钟),如果以上状态持续时间超过t1，那么u4的输出cn2-2和u5的输出cn2-1均由高电平下降到低电平，则q1、q3和q7又截止，cn1-4和cn1-5的电平又恢复到正常水平，高压输出电压升级到v3。
当输出电压为v2，电流阶梯限值为i1时，如果此时电流采样值大于1.2倍的i1持续时间超过t2(通过e2和r27定时约1秒钟)，则ic2-6电压降低到4v以下，u5输出cn2-1变为高电平，q4,q5导通，cn1-5进一步降低到1.4v，经过电压反馈电路，输出高压再次降档到v1，输出电流等级仍然为i1。
然后，如果此时采样电流值小于1.2倍的i1，并保持t1时间，电压升级到v2，以此类推升级到v3。如果此时采样电流值大于1.2倍的i1，那么高压电源启动保护，停止高压输出。
如图10所示，电压反馈电路包括电压采样电路、电压比较电路和积分调压电路。高压电源hout1经过r101，w1和r119分压电路取样得到低压信号，再经过运放u14a组成的比较器，和电压u3-5比较，u3-5为u7的参考电平ref5.1v分压获得2.55v的标准电压，当采样电压高于2.55v，u3-7输出低，工作正常；当分压值低于2.55v时，u3-7输出高电平，如果该状态持续超过t4(通过r133和e13定时，约5秒钟)，状态指示灯发生变化。u3-7输出u3-7连接单稳态状态显示电路(即状态监测电路，用于通过led显示电路当前的工作状态信息)，通过指示灯显示运行状态，绿灯亮表示正常运行，红灯闪烁表示运行异常。
另外，低压采样信号还有一路连接到运放u14b，经过低电压偏置和积分放大后，获得正电压，输入电源管理芯片的u7的电压跟随反馈电路，来控制输出端outa的脉宽，从而得到稳定的高压输出hout1。通过调节w1的电阻值，可以获得在一定范围内可调的直流高压输出电压值，适用于在电源初始化时，消除元器件参数误差带来的电压输出偏差，调校输出电压至目标值。
如图6-8所示，在本实施例中，电流反馈电路包括采样单元和信号处理单元；所述电流采样电流耦接于所示高压直流电，以获取采样电流，所述信号处理单元将通过所述采样电流转化成对应的电压信号。采样单元包括二极管d12、电容c5、电阻r29，以及压敏电阻znr1；其中所述压敏电阻znr1用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。
信号处理单元串联在所述采样单元和所述定时保护电路之间；所述信号处理单元包括由r38、r39、r44、r47、r48、c10和u2b组成反向放大器，以及由r46、r49、r43、r45、r46、c7、c8和u2a组成的带电压偏置的同向放大器；所述反向放大器的放大倍数为1，用于将输入电压由负变正。
定时保护电路包括555定时器u4和u5，定时器u4、u5及外围的逻辑电路形成二阶电流定时保护电路，所述同向放大器的输出端通过导通快速放电开关q8和q9与定时器u4和u5的信号输入端相连。逻辑电路由三极管q3至q7组成的外围电路构成。二阶电流保护电路由三极管q1和q2组成的外围电路构成。
其中，q8开通对e1电容的存储电荷形成快速的放电通道，持续时间0.5s即可降到到ic1-6的状态变化阈值电压，u4的输出pin3的cn2-2电压由低变高，q3导通改变cn1-5的电压，降低一个等级，通过u3-1馈通反应到u7的运放输入输出电压，再来控制u7的输出信号的脉宽，从而控制高压输出变化。
q9和q7开通对e2电容的存储电荷形成快速的放电通道，持续时间0.5s即可降到到ic2-6的状态变化阈值电压，u5的输出pin3的cn2-1电压由低变高，q3导通改变cn1-5的电压，降低一个等级，通过u3-7馈通反应到u15及外围电路组成的单稳态电路输出端，再来控制u7的输出信号的脉宽，从而控制高压输出变化。
其中，u4和q5，q6，q7，q8，q9，e1，e2等组成定时保护电路，其中e1和r100，e2和r27分别组成t3(如0.5秒)和t2约1秒)的降档定时电路；r105和e1，r106和e2分别组成了降档后(没保护前)无故障工作定时t1(如300秒等)后的自动升档定时电路。
当cn2-2高电平时，q3导通，r9和r14并联的电阻网络参与到分压电路，使得cn1-5的电压降低，从而影响u3-1的电压值，通过u3-1馈通反应到u7的运放输入输出电压，再来控制u7的输出信号的脉宽，从而控制高压输出变化。
当cn2-1高电平时，q4导通，r17和r18并联的电阻网络参与到分压电路，使得cn1-5的电压降低，从而影响u3-1的电压值，通过u3-1馈通反应到u7的运放输入输出电压，再来控制u7的输出信号的脉宽，从而控制高压输出变化。
本实施例中，采用阶梯电流保护电路，阶梯电流i1，i2，其中i1<i2，正常工作时电路的电流保护值是i2，对应的电压是v3；当发现电路超标时，在设定的定时时间内，降低电压等级到v2或者v1，同时电流保护等级也降低到i1；如果电压等级在v1，电流等级在i1时，再次发现电流超标，测电压进入输出关闭保护状态，需要排查故障后重新启动，才能正常工作。
例如，输出电压等级在v3运行时，u2a的输出电压为正，q8和q9截止，ic1-6和ic2-6均为高电平，大于12v电压的2/3倍，u4和u5的输出cn2-2和cn2-1均为低电平，q4，q3，q1，q5均不导通，cn1-5的电压为2.03v作为电压反馈电路运放u14b的同相端输入电压，进一步反馈到u7的电压跟随运放电路，使得输出电压稳定在v3；当输出负载发生异常变化，导致输出电流大于1.2倍的i2时，电流反馈电路经过u2b的极性反转为正电压，在经过u2a放大，输出低电平，从而导致q8和q9导通，如果持续时间超过t3秒钟(通过e1和r100定时)，e1电容通过r100放电至4v以下(即ic1-6电压)，u4的输出cn2-2由低电平转化成高电平，这时q3和q7导通；q3导通导致r9和r14参与分压，cn1-5的电压下降为1.7v，再经过电压反馈电路的运放u14b，最终导致输出高压降低到v2。
同时q1的导通使得cn1-4的电压降低，结合电路u3b,u3a电路，电流峰值保护阶梯值下降到i1。
如果此时采样电流值小于1.2倍的i1，那么u2a输出高电平，q8，q9截止，12v电源通过r105给e1充电，12v电源通过r106给e2充电，充电至8v以上的时间是t1(根据需要设计2-5分钟),如果以上状态持续时间超过t1，那么u4的输出cn2-2和u5的输出cn2-1均由高电平下降到低电平，q1,q3,q7又截止，cn1-4和cn1-5的电平又恢复到正常水平，高压输出电压升级到v3。
当输出电压为v2，电流阶梯限值为i1时，如果此时电流采样值大于1.2倍的i1持续时间超过t2秒钟(通过e2和r27定时)，则ic2-6电压降低到4v以下，u5输出cn2-1变为高电平，q4,q5导通，cn1-5进一步降低到1.4v，经过电压反馈电路，输出高压再次降档到v1，输出电流等级仍然为i1。
然后，如果此时采样电流值小于1.2倍的i1，并保持t1时间，电压升级到v2，一次类推升级到v3。
如果此时采样电流值大于1.2倍的i1，那么高压电源启动保护，停止高压输出(详见图11)。
如图9所示，其中状态检测电路是由一ne555和外围电路设计出单稳态工作电路，同时在电路过压、欠压或者过流的故障状态时，会有红色指示灯常亮提醒；在正常工作状态下，会有绿色指示灯常亮提醒。图中，u8为光耦晶体管，用于状态指示的输出，当q是高电平时高压电源正常工作，光耦晶体管导通，为一种状态；当q输出低电平是高压电源工作异常，光耦集体管不导通，为另一种状态。
q23和q24为晶体管开关。当高压电源输出采样电压高于2.55v时u3-7输出低电平，q23导通，e13电容通过r142放电，经过0.3s放到完，u15的输出状态q输出高电平，q24截止，绿灯亮，红灯灭，正常工作。
当高压电源输出采样电压低于2.55v时u3-7输出高电平，q23截止，12v通过电阻r133给电容e13充电，经过t4(如5-6s)充电到2/3vcc，u15的输出状态q输出低电平，q24导通，绿灯亮，红灯亮；q10截止，u7pin16脚大于350mv,启动保护。
此外，如图6所示，高压直流电源调制电路还是包括电流限值保护电路，电流限值保护电路包括比较器u3a和u3b，可调电阻w2，由滤波磁珠l01和c69、c6组成滤波抗干扰电路，通过调节w2的大小，来实现电流阶梯保护值的灵敏度调节。
1.一种高压直流电源调制电路，包括桥堆整流电路、由升压变压器构成的推挽开关拓扑电路、低压推挽驱动电路、驱动变压器、rcd驱动电路，以及控制电路；
在所述升压变压器的二次侧设有倍压电路，所述高压直流电源调制电路通过所述控制电路对所述低压推挽驱动电路的控制，在所述倍压电路的输出端生成用于驱动负载的高压直流电；
所述高压直流电源调制电路还包括保护电路；所述保护电路包括电流反馈电路和定时保护电路；其特征在于：
所述电流反馈电路耦接于所示高压直流电，以获取采样电流；
所述定时保护电路中包括用于设置定时参数的555定时器，以及用于根据采样电流和定时参数并按照预设的判断条件对控制电路输出反馈信号、以通过控制电路调节所述高压直流电的逻辑电路。
2.根据权利要求1所述的高压直流电源调制电路，其特征在于，所述电流反馈电路包括采样单元和信号处理单元；所述采样单元获取所述采样电流，所述信号处理单元将通过所述采样电流转化成对应的电压信号；所述定时保护电路接收所述电压信号，且在持续时间满足预设的时间后向控制电路输出反馈信号。
3.根据权利要求2所述的高压直流电源调制电路，其特征在于，所述采样单元包括二极管d12、电容c5、电阻r29，以及压敏电阻znr1；其中所述压敏电阻znr1用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。
4.根据权利要求3所述的高压直流电源调制电路，其特征在于，所述信号处理单元串联在所述采样单元和所述定时保护电路之间；所述信号处理单元包括由r38、r39、r44、r47、r48、c10和u2b组成反向放大器，以及由r46、r49、r43、r45、r46、c7、c8和u2a组成的带电压偏置的同向放大器；所述反向放大器的放大倍数为1，用于将输入电压由负变正。
5.根据权利要求4所述的高压直流电源调制电路，其特征在于，所述定时保护电路的包括555定时器u4和u5，定时器u4、u5及外围的逻辑电路形成二阶电流定时保护电路；所述同向放大器的输出端通过快速放电开关与定时器u4和u5的信号输入端相连。
6.根据权利要求5所述的高压直流电源调制电路，其特征在于，所述逻辑电路由三极管q3至q7组成的外围电路构成。
7.根据权利要求6所述的高压直流电源调制电路，其特征在于，还包括二阶电流保护电路；所述二阶电流保护电路由三极管q1和q2组成的外围电路构成。
8.根据权利要求1所述的高压直流电源调制电路，其特征在于，还包括电流限值保护电路，所述电流限值保护电路包括比较器u3a和u3b。
9.根据权利要求1所述的高压直流电源调制电路，其特征在于，还包括电压反馈电路；所述电压反馈电路包括电压采样电路、电压比较电路和积分调压电路。
10.一种高压直流电源调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：通过桥堆整流电路、由升压变压器构成的推挽开关拓扑电路、低压推挽驱动电路、驱动变压器、rcd驱动电路、控制电路，以及倍压电路，生成用于驱动负载的高压直流电：
s2：判断高压直流电的电流i大小，设定正常工作时的电流保护值为i1和i2，i1＜i2，定时时间t3＜t2＜t1；
s3：当i大于1.2倍的i2并持续定时时间t3后，将电压等级降到v2；当i大于1.2i2并持续定时时间3t3后，进入s5；
s4：当i小于1.2i1并持续定时时间t1后，将电压等级升到v2或v3；当i大于1.2i1并持续定时时间3t3后，进入s5
s5：停止高压直流电的输出。
技术总结