專利名稱：高壓電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生高電壓的高壓電源。
背景技術(shù)：
作為一種常規(guī)圖像形成裝置，例如，電子照相圖像形成裝置包括充電輥和顯影輥，充電輥用于給用作圖像承載構(gòu)件的光導(dǎo)電鼓的表面充電，顯影輥用于通過使用用作顯影劑的調(diào)色劑來使形成在光導(dǎo)電鼓上的靜電潛像顯影。例如，約數(shù)百伏至數(shù)千伏的高電壓(直流高壓)需要應(yīng)用到該充電輥和該顯影輥以給光導(dǎo)電鼓充電和進行顯影。為了生成這樣的高電壓，采用了使用繞線電磁變壓器的用于產(chǎn)生高電壓的電源(下文稱為高壓電源)。例如，使用電磁變壓器的高壓電源的結(jié)構(gòu)描述于PTL I中，期望的高電壓可以輸 出到負載。 與使用這種電磁變壓器的高壓電源相反，已經(jīng)提出了能夠減小高壓電源電路的尺寸和重量而不使用電磁變壓器的電源電路(見PTL 2)。PTL 2公開了將LC諧振電路通過使用用作控制信號的時鐘信號放大來自低壓電源的電壓(24V)所獲得的電壓輸出到包括多個二極管和電容器的升壓電路的結(jié)構(gòu)。對于該結(jié)構(gòu)，沒有使用變壓器。因此，高壓電源可以更小和更輕。引文列表專利文獻PTL I :日本專利特開 No. 4-352181PTL 2 :日本專利特開 No. 2003-18959
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題然而，PTL 2描述的高壓電源具有下列問題。在PTL 2的高壓電源中，輸出到負載的高電壓值是預(yù)設(shè)固定值，并且具有固定頻率的信號用作輸入到用于輸出電壓的LC諧振電路的控制信號。例如，圖像形成裝置中用作負載的充電輥和顯影輥可具有由于裝置內(nèi)的環(huán)境變化或者所使用的充電輥和顯影輥中的磨損所引起的負載改變。如果圖像形成裝置不根據(jù)這種負載改變調(diào)節(jié)輸出到充電輥和顯影輥的電壓，則會產(chǎn)生例如其中暗度發(fā)生變化的劣質(zhì)圖像。例如，如果應(yīng)用所引用的文獻2中的高壓電源電路，則難以根據(jù)負載變化進行調(diào)節(jié)。因此，過高電壓或者不足電壓可能會施加到負載。本發(fā)明是考慮到上述觀點而做出的，本發(fā)明的一個目的在于提供一種能根據(jù)負載變化來適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輸出電壓的高壓電源。問題的解決方案根據(jù)本發(fā)明的、用于實現(xiàn)上述目的的電源的特征在于包括開關(guān)單元，根據(jù)頻率信號而被驅(qū)動；電壓諧振單元，連接到該開關(guān)單元且包括電感器和電容器，當(dāng)所述開關(guān)單元被驅(qū)動時電壓施加到該電感器；連接單元，連接該開關(guān)單元、該電感器和該電容器；整流器單元，包括經(jīng)電容器在所述電感器的電源電壓側(cè)連接到所述連接單元的二極管；電壓輸出單元，輸出從該整流器單元獲得的電壓；以及頻率控制單元，根據(jù)用于設(shè)置從所述電壓輸出單元輸出的電壓的控制信號和從所述電壓輸出單元輸出的輸出信號控制所述頻率信號的頻率。本發(fā)明的有利效果如上所述，根 據(jù)本發(fā)明，在不使用變壓器的高壓電源中輸出電壓可根據(jù)負載改變而被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)。


圖I是根據(jù)實施例I的電源的電路圖。圖2是圖I所示的電路的操作波形圖。圖3是根據(jù)實施例I的電源的另一示例的電路圖。圖4包括根據(jù)實施例2的電源的操作波形圖。圖5是根據(jù)實施例3的電源的電路圖。圖6包括圖5所示的電路的操作波形圖。圖7是根據(jù)實施例4的電源的電路圖。圖8是圖7所示的電路的操作波形圖。圖9是根據(jù)實施例5的電源的電路圖。圖10示出圖9所示的電路的頻率特性。圖11是圖9所示的電路的操作波形圖。圖12是根據(jù)實施例I的電路的負載特性圖。圖13是根據(jù)實施例6的電源的電路圖。圖14是根據(jù)實施例7的電源的電路圖。圖15是根據(jù)實施例8的電源的電路圖。圖16是根據(jù)實施例9的電源的電路圖。
具體實施例方式接下來，將根據(jù)下面的實施例來描述本發(fā)明的用于解決上述問題的特定結(jié)構(gòu)。注意，下面的實施例僅是示范，并不暗示本發(fā)明的技術(shù)范圍僅局限于此。實施例I圖I是示出根據(jù)實施例I的用于產(chǎn)生高電壓的電源(下文稱為高壓電源)的電源電路結(jié)構(gòu)的圖。在圖I所示的電源電路中，電感器LlOO和電容器ClOO構(gòu)成電壓諧振電路。電感器LlOO是連接到開關(guān)元件和電源電壓Vcc (在本實施例中為+24V)的元件，且是電壓根據(jù)開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止而間歇性施加到其上的具有電感分量的示例性元件。電容器ClOO接地。由該電感器LlOO和該電容器ClOO構(gòu)成且用作電壓諧振單元的電壓諧振電路的輸出通過整流平流電路被整流和平滑化成正電壓。在整流平流電路中，正極性回掃電壓通過允許電流沿正向通過的二極管DlOl和承載電荷的電容器ClOl被提取，電容器ClOl連接到二極管DlOl的陰極端和電源電壓Vcc。電感器LlOO與二極管DlOl和電容器ClOl之間的連接關(guān)系如下二極管DlOl的陽極端連接到電感器LlOO和電容器ClOO連接處的連接單元；二極管DlOl的陰極端連接到電感器LlOO的另一端(在電源電壓側(cè))。此外，多級整流器電路通過二極管D102、D103、D104和D105以及電容器C102、C103、C104和C105形成。多級整流器電路的輸出經(jīng)平流電容器C106接地，輸出電壓的波形得到平滑化。該多級整流器電路的輸出電壓從用作電壓輸出單元的輸出端104 (Vout)輸出。此外，輸出電壓(Vout)經(jīng)電壓檢測電阻器R101、分壓電阻器R102和R103、保護電阻器R104以及噪聲消除電容器C107輸入到運算放大器QlOO的非倒相輸入端(+端)。該電路是輸出電壓檢測電路。從控制器(未示出)輸入到輸入端103的模擬信號(Vcont)(用于控制高壓電源的輸出電壓的控制信號)經(jīng)電阻器R105輸入到運算放大器QlOO的倒相輸入端(_端)。運算放大器Q100、電阻器R105和電容器C108用作積分電路。也就是說，已經(jīng)根據(jù)積分時間常數(shù)(根據(jù)電容器C108和電阻器R105的部件常數(shù)設(shè)置)平滑化的控制信號Vcont被輸入到運算放大器Q100。在該電路中，從輸出電壓檢測電路輸入到運算放大器QlOO的非倒相輸入端(+端)的反饋電壓被調(diào)節(jié)成等于從控制器輸入到倒相輸入端(_端)的模擬電壓。
運算放大器QlOO的輸出端連接到用作頻率控制單元的壓控振蕩器(VCO) 101，頻率控制單元控制用作開關(guān)單元(開關(guān)元件)的場效應(yīng)晶體管QlOl的驅(qū)動頻率。該壓控振蕩器101是根據(jù)輸入控制信號(Vcont)和被檢測并反饋的輸出電壓(Vout)，改變和設(shè)置用于控制場效應(yīng)晶體管QlOl的驅(qū)動頻率的頻率信號(下文稱為輸出信號)的頻率的示例性振蕩器。此外，用作來自壓控振蕩器101的頻率信號的輸出信號被輸入到場效應(yīng)晶體管QlOl的柵極端。場效應(yīng)晶體管QlOl是被從壓控振蕩器101輸出的脈沖輸出信號驅(qū)動的示例性開關(guān)元件。場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極端連接到上述LlOO和ClOO構(gòu)成的電壓諧振電路。場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極端經(jīng)電感LlOO連接到電源電壓Vcc且經(jīng)電容器ClOO接地。這里，場效應(yīng)晶體管QlOl的源極端接地。以此方式，由用作電壓諧振單元的電壓諧振電路(電壓諧振電路由電感器LlOO和電容器ClOO構(gòu)成)放大的電壓直接被用作整流器單元的整流器電路整流。通過使用多級整流器電路(多個整流器電路彼此連接)，輸出增大成為高電壓。然后，通過在壓控振蕩器(VCO)處根據(jù)控制信號和輸出電壓來控制輸出信號的頻率，輸出電壓可以調(diào)節(jié)成適于負載條件。接下來，圖2示出當(dāng)圖I所示的電源電路操作時各種單元的操作波形。這里，2A表示從壓控振蕩器101施加到場效應(yīng)晶體管QlOl的柵極的電壓的波形(其是矩形波信號)。當(dāng)場效應(yīng)晶體管QlOl導(dǎo)通時，電流從電源電壓Vcc流到電感器L100。此時流過場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極電流的波形由2B表示。也就是說，根據(jù)電流流動的時間長度，能量積累在電感器LlOO中。接下來，當(dāng)場效應(yīng)晶體管QlOl截止時，電壓諧振發(fā)生在電容器ClOO和電感器LlOO之間。此時場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極電壓的波形由2C表示。該電壓波形表示的電壓通常稱為回掃電壓。通過電壓諧振，諧振電路的回掃電壓的最大值Vla成為是電源電壓Vcc的電壓值的若干倍的電壓值。此外，電壓可有效地施加到下游電路而不需要通過以場效應(yīng)晶體管QlOl的下一個導(dǎo)通時間開始于該諧振電壓變成OV或更小時的方式設(shè)置截止時間來進行所謂的硬件開關(guān)。該諧振電路產(chǎn)生的電壓增大與多級整流器電路的下游級的級數(shù)對應(yīng)的量。布置于整流器電路的最后一級處的二極管D105的陽極端的電壓波形由2D表示。該電壓波形具有最大電壓值Vlb且具有回掃電壓Vla疊加于其上的電壓值。此外，二極管D105的陰極端的電壓是恒定電壓Vlb，在輸出端104 (Vout)，通過使用平流電容器106平滑化和穩(wěn)定化二極管D105的陰極端的電壓而獲得的電壓具有2E表示的電壓波形。接下來，將具體描述整流平流電路的操作。當(dāng)場效應(yīng)晶體管QlOl截止時，包括電感器LlOO和電容器ClOO的諧振電路產(chǎn)生的正極性回掃電壓用于經(jīng)二極管DlOl給電容器ClOl充電。結(jié)果，最大電壓Vmaxl得到保持。二極管DlOl和電容器ClOl用作整流器電路的第一級。這里，通過將電容器ClOl連接到第一級二極管的陰極端和電源電壓，有第一級的峰值電壓波形可得到穩(wěn)定化的效果。接下來，當(dāng)場效應(yīng)晶體管QlOl導(dǎo)通時，通過電感器LlOO產(chǎn)生反電動勢電壓。此時， 電荷經(jīng)二極管D102移動到電容器C102，電容器C102被充電。結(jié)果，回掃電壓Vmaxl施加到電容器C102作為電容器ClOl處的最大電壓Vmaxl的基礎(chǔ)，最大電壓Vmaxl放大成最大電壓Vmax2 (~VmaxlX2)。該二極管D102和電容器C102用作整流器電路的第二級。此外，由于充電而存儲于電容器102中的電荷在場效應(yīng)晶體管QlOl截止時經(jīng)二極管103移動到電容器C103，電容器C103被充電。結(jié)果，最大電壓Vmax3( VmaxlX3)保持在電容器C103處。之后，通過重復(fù)地將回掃電壓增加到保持電壓多次(次數(shù)等于與電容器C104和二極管D104以及電容器C105和二極管D105相關(guān)的整流器電路級數(shù))，電壓被類似地放大。這里，當(dāng)電壓被放大時，產(chǎn)生由于每個電容器和二極管的性能所引起的損耗。因此，諧振電路的回掃電壓的放大因子不能是整流器電路的級數(shù)。然而，可以通過預(yù)先考慮由于每個電容器和二極管的性能所引起的損耗來獲得目標(biāo)電壓輸出。在二極管D105連接到電容器C105的連接單元處產(chǎn)生的電壓被平流電容器C106平滑化且作為穩(wěn)定電壓從輸出端104 (Vout)輸出。這里，在實施例I中，控制以這樣的方式進行輸出信號的頻率可以改變；然而，頻率的占空比(導(dǎo)通時間與截止時間之間的比)設(shè)置成固定值。如上所述，設(shè)置以場效應(yīng)晶體管QlOl不進行硬件開關(guān)的方式得到設(shè)置。這里，圖12示出根據(jù)該實施例的典型電路的負載特性。圖12所示的負載特性是在電源電壓是24V，諧振電路的L = 220 ii H，諧振電路的C = 330pH,且整流器電路的C =330pH的情況下的特性。其中使用具有100MQ或更高的高電阻的負載的情況將使用具體數(shù)值來進行描述。當(dāng)頻率f是160kHz時，電壓諧振電路的回掃電壓的峰值電壓為約180V。當(dāng)整流器電路具有四級時，是該峰值電壓的約三倍高的電壓，即約540V，被輸出。此外，當(dāng)整流器電路具有十級時，是該峰值電壓的約六倍高的電壓，即約1080V，被輸出。此外，輸出電壓可通過根據(jù)輸入頻率改變諧振電路的回掃電壓而得到控制。例如，在整流器電路的級數(shù)為四的情況下，如果頻率f為300kHz (被乘以兩倍)，則輸出電壓降低約一半。以此方式，相對于電源電壓，可以產(chǎn)生足夠高的電壓。此外，輸出電壓可以容易地根據(jù)整流器電路的級數(shù)以及控制信號和輸出電壓來調(diào)節(jié)，且輸出電壓可以根據(jù)負載變化調(diào)節(jié)成具有適當(dāng)?shù)闹?。上述實施例說明了能輸出正電壓的高壓電源的電路結(jié)構(gòu)和電路操作，且說明了操作進行時的電壓和電流波形。這里，能輸出負高電壓的高壓電源的電路結(jié)構(gòu)可以通過例如圖3所示的電路實現(xiàn)。在圖3中，整流器電路的二極管以這樣的方式彼此連接與圖I所示的能輸出正電壓的電路結(jié)構(gòu)相比，二極管的極性相反。除了這之外，輸出電壓檢測電路和壓控振蕩器101也應(yīng)具有與負高電壓對應(yīng)的電路常數(shù)和規(guī)格。此外，在整流器電路具有許多級的情況下，與輸出正電壓的情況相比，需要反轉(zhuǎn)全部二極管的極性。這通過比較圖I和圖3而是清楚的，因為二極管D101、D102、D103、D104和D105被反轉(zhuǎn)。采用電源電路的上述結(jié)構(gòu)，可以在輸出端104 (Vout)產(chǎn)生具有負極性的穩(wěn)定高電壓。
這里，上述電子照相圖像形成裝置中高電壓施加到的目標(biāo)可以用作該實施例中描述的高壓電源的輸出將被提供到的負載的示例。例如，激光束打印機中給用作圖像承載構(gòu)件的光導(dǎo)電鼓充電的充電器單兀(充電棍)、顯影由于曝光而形成在光導(dǎo)電鼓上的靜電潛像的顯影器單元(顯影輥)、將顯影在光導(dǎo)電鼓上的圖像轉(zhuǎn)印到記錄材料上的轉(zhuǎn)印單元(轉(zhuǎn)印輥)等可以用作負載。而且，除了圖像形成裝置之外，需要高電壓且其條件根據(jù)環(huán)境變化而改變的負載亦可應(yīng)用。如上所述，根據(jù)該實施例，在不使用變壓器的高壓電源中，輸出電壓可以根據(jù)負載變化而被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)。實施例2接下來，將根據(jù)圖4所示的操作波形描述根據(jù)實施例2的高壓電源。這里，關(guān)于與根據(jù)實施例I的高壓電源的電路相同的部分的描述將被省略。根據(jù)實施例2的電路類似于圖I所示的根據(jù)實施例I的電路。然而，實施例2的控制輸出電壓的方法不同于實施例I的方法。在實施例2采用的控制輸出電壓的方法中以這樣的方式控制輸出電壓輸入到場效應(yīng)晶體管QlOl的柵極端的控制信號的截止時間(圖4中的toff時間)設(shè)置為固定值，僅控制信號的導(dǎo)通時間(圖4中的ton時間)可以改變。與實施例I類似，圖4示出圖I所示的電路的各種單元的操作波形，該波形是根據(jù)實施例2的操作波形。輸出低壓時的圖(圖4的a部分)和輸出高壓時的圖(圖4的b部分)是分開的圖。首先，4A和4E表示從壓控振蕩器101施加到場效應(yīng)晶體管QlOl的柵極端的電壓的波形。當(dāng)場效應(yīng)晶體管QlOl導(dǎo)通時，電流從電源電壓Vcc流到電感器L100。此時流過場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極電流的波形由4B和4F表示。也就是說，根據(jù)電流流動的時間，能量積累在電感器LlOO中。接下來，當(dāng)場效應(yīng)晶體管QlOl截止時，電壓諧振發(fā)生在電容器ClOO和電感器LlOO之間。此時場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極電壓的波形由4C和4G表示。具有該波形的電壓一般稱為回掃電壓。電壓諧振使諧振電路的回掃電壓的最大值V2a(4C)和V2c (4G)成為是電源電壓Vcc的若干倍的電壓值。電壓可以有效地施加到下游級電路而不需要通過將場效應(yīng)晶體管QlOl的下一個導(dǎo)通時間設(shè)置為開始于該諧振電壓為OV或更小時來進行硬件開關(guān)。該諧振電路產(chǎn)生的電壓增大與整流器電路的下游級的級數(shù)對應(yīng)的量。通過利用平流電容器C106平滑化和穩(wěn)定化從整流器電路輸出的電壓波形所獲得的波形是4D和4H表示的在輸出端104 (Vout)處的電壓波形。電壓V2b (4D)和V2d (4H)被輸出。接下來，將描述當(dāng)控制以從壓控振蕩器101輸入到場效應(yīng)晶體管QlOl的柵極端的控制信號的頻率可以被改變的方式進行時所進行的操作。在基于頻率的輸出電壓控制中，輸出電壓可以以當(dāng)期望輸出電壓更高時頻率變低且當(dāng)期望輸出電壓更低時頻率變高的方式受到控制。更具體而言，當(dāng)頻率變低時，隨著場效應(yīng)晶體管QlOl的導(dǎo)通時間ton變長，更多能量儲存于電感器LlOO中。結(jié)果，諧振電路的回掃電壓波形的最大值也變大。也就是說，從輸出端104輸出的電壓變高。相反，當(dāng)頻率變高時，隨著場效應(yīng)晶體管QlOl的導(dǎo)通時間ton變短，更少能量儲存于電感器LlOO中。結(jié)果，諧振電路的回掃電壓波形的最大值也變小。也就是說，從輸出端104輸出的電壓變低。以此方式，輸出電壓可以通過改變頻率而 受到控制。關(guān)于該操作，當(dāng)在控制信號的占空比(導(dǎo)通時間對截止時間的比)設(shè)置為固定值的狀態(tài)下頻率變高時，場效應(yīng)晶體管QlOl的導(dǎo)通時間ton和截止時間toff相似地變短。當(dāng)導(dǎo)通時間ton和截止時間toff相似地變短且頻率變高到某個值時，QlOl導(dǎo)通而場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極電壓具有電勢。也就是說，場效應(yīng)晶體管QlOl進行硬件開關(guān)且開關(guān)操作導(dǎo)致的損耗變大。如上所述，當(dāng)進行硬件開關(guān)而漏極電壓高時，在QlOl導(dǎo)通時電流在漏極和源極之間流動，導(dǎo)致更大的損耗。
因此，在實施例2中，如圖4所示，控制以這樣的方式進行在其期間產(chǎn)生回掃電壓的截止時間toff設(shè)置為固定值，控制信號在回掃電壓下降到OV或更低之后導(dǎo)通，且僅導(dǎo)通時間ton可以改變。這里，使截止時間toff長于根據(jù)電感器L100和電容器C100構(gòu)成的電壓諧振電路的諧振頻率設(shè)置的回掃電壓波形的時間寬度。此外，用于輸出低電壓時的導(dǎo)通時間tonl與用于輸出高電壓時的導(dǎo)通時間ton2之間的關(guān)系控制為tonl〈ton2。這里，即使實施例I中描述的方法(其中控制以頻率能通過將控制信號的占空比設(shè)置為固定值來改變的方式進行)也能以頻率可以在頻率范圍內(nèi)改變而不要求硬件開關(guān)的方式進行控制；然而，實施例2在進行控制且頻率能改變的頻率范圍期望是更寬范圍的情況下是有效的。如上所述，根據(jù)該實施例，在不使用變壓器的高壓電源中輸出電壓可以根據(jù)負載變化而得到適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，且還能防止硬件開關(guān)的進行，電路損耗可以減小，穩(wěn)定的高電壓可以輸出。實施例3接下來，將參照圖5和圖6描述實施例3。注意，關(guān)于與根據(jù)實施例I的高壓電源的電路相同的部分的描述將被省略。根據(jù)實施例3的高壓電源的電路和根據(jù)實施例I的電路的不同之處在于，實施例3采用的控制輸出電壓的方法中，輸出電壓通過以除了頻率控制之外供給電壓還能改變的方式進行控制而改變。首先，根據(jù)實施例3的電路的結(jié)構(gòu)和操作將參照圖5進行描述。從控制器(未示出)輸入到輸入端105的模擬信號(用于高壓電源的控制信號(Vin))經(jīng)電阻器R106輸入到運算放大器Q100的倒相輸入端(_端)。運算放大器Q100、電阻器R106和電容器C109用作積分器電路。也就是說，已經(jīng)根據(jù)積分時間常數(shù)(根據(jù)電容器C109和電阻器R106的部件常數(shù)設(shè)置)平滑化的控制信號Vin被輸入到運算放大器Q100。另一方面，在輸出端104處產(chǎn)生的輸出電壓經(jīng)構(gòu)成輸出電壓檢測裝置的電壓檢測電阻器R101、分壓電阻器R102和R103、保護電阻器R104和噪聲消除電容器C107輸入到運算放大器Q100的非倒相輸入端(+端)。將要從輸出電壓檢測裝置輸入到運算放大器Q100的非倒相輸入端(+端)的反饋電壓被調(diào)節(jié)成等于從控制器輸入到倒相輸入端(_端)的模擬電壓。運算放大器Q100的輸出電壓經(jīng)電阻器R107使晶體管Q102的基極的電勢改變。此夕卜，通過將晶體管Q102的基極的電勢減小晶體管Q102的基極和發(fā)射極之間的電勢所獲得的電壓是施加到電感器L100的電壓。這里，電容器Clll被連接以穩(wěn)定化將要施加到電感器L100的供給電壓，且二極管D106被連接以保護晶體管Q102。用作改變將要施加到該電感器L100的電壓的電壓改變單元的電路的結(jié)構(gòu)是本實施例3的特征。此外，控制頻率從頻率輸入端106(Vclk)輸入到場效應(yīng)晶體管QlOl的柵極端。該控制頻率的占空比可以設(shè)置為固定值或者可以如實施例2中描述的那樣以占空比可以改變的方式設(shè)置。在本實施例3中，已經(jīng)以防止場效應(yīng)晶體管QlOl進行硬開關(guān)的方式預(yù)設(shè)的頻率從控制器(未示出)經(jīng)頻率輸入端106 (Vclk)作為控制信號輸入，控制以將要施加到電感器LlOO的供應(yīng)電壓可以改變的方式進行從而獲得期望的輸出電壓。在本實施例3中，控制信號(其頻率可以改變)從控制器輸入；然而，控制可以以控制信號可以如實施例I中描述的那樣通過使用壓控振蕩器(VCO)來改變的方式進行。圖6示出圖5所示的電路的各種單元的操作波形且包括下列圖用于輸出低電壓時的圖(圖6的部分a)和用于輸出高電壓時的圖(圖6的部分b)。首先,6A和6F表不從壓控振蕩器101施加到場效應(yīng)晶體管QlOl的柵極的電壓的波形。用于輸出低電壓時的截止時間toff3與用于輸出高電壓時的截止時間toff4之間的關(guān)系是toff3〈toff4，用于輸出低電壓時的導(dǎo)通時間ton3與用于輸出高電壓時的導(dǎo)通時間ton4之間的關(guān)系是ton3〈ton4。這里，類似于實施例1，占空比設(shè)置為固定值。此外，6B和6G表示通過作為實施例3的特征的供應(yīng)電壓改變裝置施加到電感器LlOO的電壓。用于輸出低電壓時的供應(yīng)電壓V3a與用于輸出高電壓時的供應(yīng)電壓V3d之間的關(guān)系是V3a〈V3d。接下來，當(dāng)場效應(yīng)晶體管QlOl導(dǎo)通時，電流從電源電壓Vcc流到電感器L100。 此時流過場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極電流的波形由6C和6H表示。漏極電流根據(jù)供應(yīng)電壓而改變。接下來，當(dāng)場效應(yīng)晶體管QlOl截止時，電壓諧振發(fā)生在電容器ClOO與電感器LlOO之間。此時場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極電壓的波形由6D和61表示。該漏極電壓根據(jù)供應(yīng)電壓和漏極電流而改變。這里，用于輸出低電壓時的上述截止時間toff3以場效應(yīng)晶體管QlOl的下一個導(dǎo)通始于諧振電壓為OV或更低時的方式設(shè)置。結(jié)果，電壓可以有效地施加到下游級的電路而不進行硬件開關(guān)。通過諧振電路產(chǎn)生的回掃電壓增大與整流器電路的下游級的級數(shù)對應(yīng)的量。通過使用平流電容器C106平滑化和穩(wěn)定化從整流器電路輸出的電壓波形所獲得的電壓波形是6E和6J表不的在輸出端104 (Vout)處的電壓波形。用于輸出低電壓時的供應(yīng)電壓V3c與用于輸出高電壓時的供應(yīng)電壓V3f之間的關(guān)系是V3c〈V3f。如上所述，根據(jù)本實施例，不使用變壓器的高壓電源中輸出電壓可以根據(jù)負載變化而得到適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，此外進行控制的電壓范圍可以通過以供應(yīng)電壓可以改變且頻率也可改變的方式進行控制而更寬。這里，在本實施例3中，盡管已經(jīng)描述了控制以供應(yīng)電壓可以改變且頻率也可改變的方式進行，但是其中輸出電壓通過將頻率設(shè)置成固定值且以供應(yīng)電壓可以改變的方式進行控制來得到控制的方法也是有效的。實施例4接下來，將參照圖7和8描述本發(fā)明的實施例4。注意，關(guān)于與根據(jù)實施例I的高壓電源的電路相同的部分的描述將被省略。本實施例4和上述實施例I的不同之處在于，如圖7的電路所示，電感器LlOl串聯(lián)插置在連接構(gòu)成電壓諧振電路的電感器LlOO和電容器ClOO的連接單元與整流器電路之間，且電流諧振電路利用下游級的二極管和電容器的電容特性形成。圖8示出圖7所示的各種單元的操作波形。這里,8A表示施加到場效應(yīng)晶體管QlOl的柵極端的電壓。表示流過場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極電流的波形由SB表示。場效應(yīng)晶體管QlOl的漏極電壓的波形由SC表示。電壓諧振使回掃電壓的最大值V4a放大到是電源電壓Vcc的若干倍的電壓值。流過電感器LlOl的電流的波形由8D表示。這里，該電流波形隨電路的常數(shù)而改變。具有恒定頻率的正弦波的電流振幅I4a疊加在流過電感器LlOl的電流上。這是根據(jù)整流器電路的下游級的電容特性和電感器LlOl的常數(shù)設(shè)置的頻率分量。二極管的電容特性一般較低，因此諧振頻率變高。在電感器LlOl的輸出側(cè)的電壓由8E表示，電壓的最大值V4b與上述回掃電壓的最大值V4a幾乎相同。然而，電壓波形通過經(jīng)過電感器LlOl而改變，且回掃電壓的有效值增大。此外，電壓振幅V4c在回掃電壓為OV的區(qū)域被SE部分中產(chǎn)生的具有高頻的電流振幅疊加。通過該電路操作，回掃電壓變成具有這樣的電壓波形(基本正弦波上的電壓波形)，該電壓波形具有更高的有效值。在布置于整流器電路的最后一級處的二極管D105的陽極端處的電壓的波形由8F表示。該電壓波形具有最大電壓值V4d，上述振幅的電壓V4b理想地疊加在電壓波形上。此外，在二極管D105的陰極端的電壓是恒定電壓V4d。在輸出端104 (Vout)處的由平流電容器C106平滑化和穩(wěn)定化的電壓波形由8G表不。如上所述，根據(jù)本實施例，在不使用變壓器的高壓電源中輸出電壓可以根據(jù)負載變化而得到適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，且回掃電壓的有效值可以增大。因此，可以獲得更高的輸出功率。實施例5接下來，將參照圖9、10和11描述實施例5。注意，關(guān)于與根據(jù)實施例I的高壓電源的電路相同的部分的描述將被省略。本實施例5與上述實施例I的不同之處在于，與實施例I的其中電感器和電容器并聯(lián)連接的電壓諧振電路不同，通過將NPN晶體管Q102的基極連接到PNP晶體管Q103的基極且將NPN晶體管Q102的發(fā)射極連接到PNP晶體管Q103的發(fā)射極來構(gòu)建推挽式電流放大器電路，NPN晶體管Q102和PNP晶體管Q103用作開關(guān)單元(開關(guān)元件)。此外，電容器CllO插置在電流放大器電路的輸出單元與整流器電路之間且電感器LllO和電阻器RllO串聯(lián)連接到接地，從而構(gòu)成LCR串聯(lián)諧振電路。在本實施例5中，使用電容器C110、電感器LllO和電阻器RllO的電路示出為電流諧振電路的示例。該電流諧振電路的頻率特性示于圖10中。在諧振頻率f0處增益(dB)達到最大值，f0根據(jù)電感器LllO的常數(shù)和電容器CllO的常數(shù)設(shè)置。此外，清楚的是，該電路具有高Q的特性。為了實現(xiàn)更佳的控制，期望的是插置電阻器RllO以優(yōu)化電路的Q。因此，電路的輸出性能可通過將控制頻率設(shè)置在諧振頻率f0附近而得到改善。圖11示出圖9所示的電路的各種單元的操作波形。這里，IlA表示施加到NPN晶體管Q102和PNP晶體管Q103 二者的柵極端的基極電壓，柵極端彼此連接。在NPN晶體管Q102和PNP晶體管Q103 二者的發(fā)射極端的發(fā)射極電壓由IlB表示，發(fā)射極端彼此連接。由于形成了電流放大器電路，所以柵極端和發(fā)射極端具有基本相同的電壓。流過電容器CllO的電流的波形由IlC表示。該電流波形的相位為在柵極端獲得的且由IlA表示的電壓波形的相位前面45度。在連接構(gòu)成電流諧振電路的電容器CllO和電感器LllO的連接單元處的電壓由IlD表示，該電壓被電流諧振電路轉(zhuǎn)變成具有振幅電壓V5a的正弦波。該電壓波形的相位為在柵極端獲得的且由IlA表示的電壓波形的相位后面45度，且在IlC表示的電容器CllO的電流波形的相位后面90度。在布置于整流器電路的最后一級處的二極管D105的陽極端的電壓波形由IIE表示。該電壓波形具有最大電壓值V5b，上述振幅電壓V5a理想地疊加在該電壓波形上。此外，在二極管D105的陰極端的電壓是恒定電壓V5b。在輸出端104 (Vout)處通過平流電容器C106平滑化和穩(wěn)定化的電壓波形由IlF表示。如上所述，根據(jù)該實施例，電流放大由推挽式電流諧振電路來進行且控制在諧振頻率f0附近進行以利用電流諧振電路的具有高增益的特性。此外，在不使用變壓器的高壓、電源中，通過由多級整流器電路進行電壓放大，輸出電壓能根據(jù)負載變化而得到適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，且可以獲得更高的電壓功率。此外，根據(jù)本實施例5的電路結(jié)構(gòu)還具有不需使用能經(jīng)受高電壓的晶體管的優(yōu)點，因為電流放大是利用原樣的電源電壓進行實施例6接下來，將參照圖13描述根據(jù)本實施例6的高壓電源。注意，關(guān)于與根據(jù)實施例I的高壓電源的電路相同的部分的描述將被省略。本實施例6和上述實施例I的不同之處在于，根據(jù)本實施例的電路具有第一輸出電壓(Voutl)和第二輸出電壓(Vout2)兩個通道。此外，本實施例的特征還在于，第一輸出電壓從用作整流器單元的整流器電路的最后一級獲得，第二輸出電壓從整流器電路的相對于其最后一級的上游部分獲得。例如，當(dāng)整流器電路具有兩級時，從第一電壓輸出單元輸出的電壓(Voutl)是來自整流器電路的用作第二整流器單元的第二級(其是最后一級)的輸出，從第二電壓輸出單元輸出的電壓(Vout2)是來自整流器電路的用作第一整流器單元的第一級的輸出。將參照圖13描述電路結(jié)構(gòu)和操作。如在實施例I中描述的那樣，根據(jù)整流器電路的理想操作，可以獲得是回掃電壓Vmax的n倍的DC輸出(n是整數(shù))。更具體而言，是Vmax兩倍的輸出可以在圖13所示的D103的陰極側(cè)獲得。這里，如果是Vmax的n倍的輸出在圖13所示的電路的D105的陰極側(cè)獲得，也就是說，如果整流器電路具有其中輸出Voutl是n或VmaxXn的結(jié)構(gòu)，則輸出Vout2是Vmax的(n - I)倍。因此,如下表示的兩個任意電壓輸出可以從圖13所示的電路獲得。Voutl = nXVmax(方程式 I)Vout2 = (n - I) XVmax (方程式 2)(n是整數(shù))此外，電路結(jié)構(gòu)簡單不貴，其中僅C112用作用于將電場輸出到Vout的部分。這里，在本實施例6中已經(jīng)描述了有兩個用于輸出電壓的通道的情況，但是用于輸出電壓的通道數(shù)不限于兩個。電路結(jié)構(gòu)可以具有三個或更多個通道。在該情況下，許多輸出電壓中的每個應(yīng)從整流器級中的對應(yīng)一級獲得。如上所述，根據(jù)本實施例，在不使用變壓器的高壓電源中輸出電壓可以根據(jù)負載變化而被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，且可以獲得多個高電壓輸出。實施例7接下來，將參照圖14描述根據(jù)實施例7的高壓電源。注意，關(guān)于與根據(jù)實施例I的高壓電源的電路相同的部分的描述將被省略。該實施例7與上述實施例6之間的差異將在下面描述。在描述于實施例6中且不于圖13中的電路中，如方程式2所表不的那樣，輸出電壓Vout2僅能獲得是回掃電壓的最大峰值電壓Vmax的n倍的值。在圖14所示的本實施例7中，分壓電阻器電路被應(yīng)用從而使得可以獲得n倍電壓之外的任意電壓。本實施例7的電路結(jié)構(gòu)和操作將利用圖14來描述。是Vmax的n倍的電壓輸出在圖14所示的電路的D105的陰極側(cè)獲得。也就是說，當(dāng)整流器電路具有其中輸出Voutl是nX Vmax的結(jié)構(gòu)時,在D105的陰極側(cè)的電壓是Vmax的(n - I)倍。那么，輸出Vout2是通過用電阻器R108和R109將在D104的陽極側(cè)獲得的電壓分壓所獲得的電壓。該Vout2是(R109/R108+R109) X (n - I) XVmax0也就是說，在圖14所示的電路中，可以獲得如下面的方程式所表示的兩個任意電壓輸出。Vout2 = (R109/R108+R109) X (n - I) XVmax (方程式 3)
此外,用于輸出任意電壓Vout2 (其不是Vmax的整數(shù)倍)的電路具有簡單不貴的包括R108、R109和C112的電路結(jié)構(gòu)。這里，在本實施例7中已經(jīng)描述了有兩個輸出電壓通道的情況，但是輸出電壓通道的數(shù)量不限于兩個。電路結(jié)構(gòu)可以具有三個或更多通道。在該情況下，許多輸出電壓中的每個應(yīng)從整流器級中的對應(yīng)一級獲得。如上所述，根據(jù)本實施例，在不使用變壓器的高壓電源中輸出電壓可以根據(jù)負載變化而被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，且可以獲得多個高電壓輸出。實施例8接下來，將參照圖15描述實施例8。注意，關(guān)于與根據(jù)實施例I的高壓電源的電路相同的部分的描述將被省略。實施例8與上述實施例7之間的差異將在下面描述。在描述于實施例7中且顯不于圖14中的電路中，如方程式3所表不的那樣,輸出電壓Vout2是作為使用R108和R109的電阻器分壓的結(jié)果而獲得的任意電壓。本實施例8的特征在于，任意電壓通過使用作為恒壓元件的齊納二極管D106而獲得。電路結(jié)構(gòu)和操作將參照圖15進行描述。在圖15所示的電路的D105的陰極側(cè)獲得是Vmax的n倍的電壓輸出。也就是說，當(dāng)整流器電路具有其中電壓輸出Voutl是n X Vmax的結(jié)構(gòu)時，在D104的陽極側(cè)的電壓是Vmax的(n - I)倍。輸出Vout2是從在D104的陽極側(cè)獲得的電壓減去齊納二極管D106的齊納電壓Vz所獲得的值，因此Vout2是(n - I) X Vmax - Vz。也就是說，在圖15所示的電路中，可以如下面表示的那樣獲得兩個任意電壓輸出。Vout2 = (n - I) XVmax - Vz (方程式 4)此外，用于輸出不是Vmax的整數(shù)倍的任意電壓Vout2的電路具有包括D106、C112和RllO的簡單不貴的電路結(jié)構(gòu)。這里，圖15中的R llO用于保證D105的齊納電壓。如果所連接的負載可以保證齊納電壓，則RllO可以省略。這里，其中有兩個輸出電壓通道的情況已經(jīng)描述于本實施例8中，但是輸出電壓通道的數(shù)目不限于兩個。電路結(jié)構(gòu)可以具有三個或更多通道。在該情況下，多個輸出電壓中的每個應(yīng)從整流器級中的對應(yīng)一級獲得。此外，在本實施例8中齊納二極管用作恒壓元件；然而，變阻器也可被使用。如上所述，根據(jù)本實施例，在不使用變壓器的高壓電源中輸出電壓可以根據(jù)負載變化而被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，且可以獲得多個高電壓輸出。實施例9接下來，將參照圖16描述根據(jù)實施例9的電源。注意，關(guān)于與根據(jù)實施例I的高壓電源的電路相同的部分的描述將被省略。本實施例9與上述實施例8之間的差異將在下面描述。在描述于實施例8中且示于圖15中的電路中，將要饋送回到運算放大器QlOO的反饋電壓是從Voutl獲得的以補償輸出電壓波動。然而，本實施例9從Vout2獲得反饋電壓。采用該結(jié)構(gòu)，反饋電壓通道中使用的部件的耐受電壓可以更低。更具體而言，Rlll的耐受電壓可以更低且能實現(xiàn)成本減小。此外，在圖13和14所示的電路中，類似于本實施例9，成本減小可以通過從Vout2獲得反饋電壓來實現(xiàn)。這里，其中有兩個輸出電壓通道的情況已經(jīng)描述于本實施例9中，但是輸出電壓通道的數(shù)量不限于兩個。電路結(jié)構(gòu)可以具有三個或更多通道。在該情況下，多個輸出電壓中的每個應(yīng)從整流器級中的對應(yīng)一級獲得。如上所述，根據(jù)本實施例，在不使用變壓器的高壓電源中輸出電壓可以根據(jù)負載變化而被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，且能獲得多個高電壓輸出。附圖標(biāo)記列表LlOO 電感器QlOl場效應(yīng)晶體管 C100、C101、C102、C103、C104、C105 電容器D101、D102、D103、D104、D105 二極管
權(quán)利要求
1.一種高壓電源，包括 開關(guān)單元，該開關(guān)單元根據(jù)頻率信號被驅(qū)動； 電壓諧振單元，該電壓諧振單元連接到該開關(guān)單元且包括電感器和電容器，當(dāng)該開關(guān)單元被驅(qū)動時電壓施加到該電感器； 連接單元，該連接單元連接該開關(guān)單元、該電感器和該電容器； 整流器單元，該整流器單元包括二極管，該二極管經(jīng)電容器在該電感器的電源電壓側(cè)連接到該連接單元； 電壓輸出單元，該電壓輸出單元輸出從該整流器單元獲得的電壓；以及頻率控制單元，該頻率控制單元根據(jù)控制信號和從該電壓輸出單元輸出的輸出信號控制該頻率信號的頻率，該控制信號用于設(shè)置從該電壓輸出單元輸出的電壓。
2.如權(quán)利要求I所述的高壓電源，其中，該頻率信號是矩形波信號，且 該頻率控制單元通過改變該矩形波的導(dǎo)通時間來控制來自該電壓輸出單元的電壓。
3.如權(quán)利要求I或2所述的高壓電源，還包括改變和設(shè)置將要施加到該開關(guān)單元的電源電壓的電壓改變單元，其中來自該電壓輸出單元的電壓通過利用該電壓改變單元改變施加到該開關(guān)單元的電源電壓而被控制。
4.如權(quán)利要求I至3中的任一項所述的高壓電源，其中，連接該開關(guān)單元、該電感器和該電容器的該連接單元和該二極管經(jīng)另一電感器連接。
5.如權(quán)利要求I至4中的任一項所述的高壓電源，其中，該開關(guān)單元包括場效應(yīng)晶體管。
6.如權(quán)利要求I至4中的任一項所述的高壓電源，其中，該開關(guān)單元包括推挽式電流放大器電路，該推挽式電流放大器電路包括NPN晶體管和PNP晶體管。
7.如權(quán)利要求I所述的高壓電源，其中，該整流器單元是彼此連接的多個整流器單元之一，且 該多個整流器單元包括連接到該開關(guān)單元的第一整流器單元和連接到該第一整流器單元的第二整流器單元，該高壓電源還包括輸出從該第一整流器單元獲得的電壓的第二電壓輸出單兀。
8.如權(quán)利要求7所述的高壓電源，其中，該第二電壓輸出單元包括電容器。
9.如權(quán)利要求8所述的高壓電源，其中，該第二電壓輸出單元還包括電阻器。
10.如權(quán)利要求8所述的高壓電源，其中該第二電壓輸出單元還包括電阻器和恒壓元件。
全文摘要
在不使用變壓器的高壓電源中，輸出電壓根據(jù)負載波動被適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)。該高壓電源具有開關(guān)器件；電壓諧振電路，包括電感器和電容器，通過驅(qū)動開關(guān)器件而將電壓施加到該電壓諧振電路；以及整流器電路，包括電容器和二極管，該整流器電路根據(jù)該電壓諧振電路的諧振行為輸出高電壓。該高壓電源根據(jù)來自該整流器電路的輸出且根據(jù)設(shè)置該輸出電壓的控制信號進行開關(guān)，并可變地控制驅(qū)動頻率。
文檔編號H02M3/07GK102656786SQ20098016305
公開日2012年9月5日 申請日期2009年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月26日
發(fā)明者長崎修, 飯?zhí)飳⒌?申請人:佳能株式會社