專利名稱：具有數(shù)字控制的高壓電源及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種具有數(shù)字控制的高電壓電壓及其方法。本發(fā)明具體涉及一種由ASIC(專用集成電路)技術(shù)控制的高電壓電壓及其方法，其中HVPS以穩(wěn)定的輸出和多種輸出控制功能為特征。
背景技術(shù)：
通常，諸如打印機、復印機或傳真機之類的圖像形成裝置是提供來在諸如打印紙之類的記錄介質(zhì)上打印對應(yīng)于原始圖像數(shù)據(jù)的圖像的裝置。用在這種圖像形成裝置中的電子照像技術(shù)也被其他圖像形成裝置所采用，例如，激光打印機、LPH(LED打印頭)打印機、傳真機等。電子照像圖像形成裝置通過一系列步驟執(zhí)行打印操作，包括充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)印和定影處理。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)電子照像圖像形成裝置的截面圖。參照圖1，電子照像圖像形成裝置包括感光鼓10、充電滾筒(roller)20、激光掃描單元(LSU)30、顯影滾筒40、轉(zhuǎn)印滾筒50、控制單元60和高壓電源(HVPS)70。
為了執(zhí)行具有上述配置的電子照像圖像形成裝置的打印操作，HVPS 70在控制單元60的控制下向充電滾筒20、顯影滾筒40和轉(zhuǎn)印滾筒50施加預(yù)定電壓。充電滾筒20以由HVPS 70施加的充電電壓均勻地充電感光鼓10的表面。LSU 30響應(yīng)于來自控制單元60的輸入圖像數(shù)據(jù)的用光掃描感光鼓10。這導致在感光鼓10的表面上形成靜電潛像。然后用顯影滾筒40提供的色粉在靜電潛像上形成色粉圖像。驅(qū)動轉(zhuǎn)印滾筒50并向其提供從HVPS 70施加的轉(zhuǎn)印電壓，將感光鼓10上形成的色粉圖像轉(zhuǎn)印到打印紙張上(未示出)。轉(zhuǎn)印到打印紙上的色粉圖像然后通過定影器(未示出)的高熱和高壓定影，并且將承載定影圖像的打印紙通過排出途徑(未示出)排出到外部，從而完成打印操作。
因此，HVPS 70是這種復印機、激光打印機、傳真機之類設(shè)備的關(guān)鍵部件。HVPS 70是將低電壓(12-24V)轉(zhuǎn)換到高電壓(幾百到幾千伏)的設(shè)備部件，并且在打印機鼓或復印機鼓上形成高電壓放電，從而能夠進行文檔打印。根據(jù)應(yīng)用的目的，HVPS可以用作恒壓調(diào)節(jié)器和恒流發(fā)生器來分別送出電壓或電流。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)HVPS的例子的電路示意圖。參照圖2，現(xiàn)有技術(shù)HVPS包括低通濾波器71、電壓控制單元72、振蕩器和變壓器73、倍壓器74、電壓檢測單元75和保護單元76。當例如從引擎控制器輸入PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號D(t)(其輸出電壓電平由占空比決定)時，低通濾波器71通過二級RC濾波器將輸入信號改變?yōu)镈C信號，并且將低通濾波后的DC信號輸出到電壓控制單元72。利用該DC信號作為輸出電壓控制的參考信號。
電壓控制單元72作為用于放大誤差信號的差分電路和控制器工作。它將通過低通濾波器71的DC信號與通過反饋實際輸出電壓獲得的信號進行比較，并且產(chǎn)生振蕩器和變壓器73的晶體管Q的驅(qū)動信號。振蕩器和變壓器73基于電壓控制單元72的輸出信號控制晶體管Q的基極電流量。當晶體管的發(fā)射集和集電極之間的電壓改變時，變壓器的初級側(cè)線圈的電壓改變，并且在由高匝數(shù)比構(gòu)成的變壓器的次級側(cè)線圈中感應(yīng)電壓。
倍壓器74利用整流二極管D1和D2以及倍壓和平滑電容器C4和C5，由變壓器的次級側(cè)線圈中感應(yīng)的AC電壓產(chǎn)生最終的高DC電壓。電壓檢測單元75和保護單元76檢測實際輸出電壓并且產(chǎn)生對電壓控制單元72的反饋信號，從而防止輸出異常電壓。
圖2所示的示例性HVPS是用于為特定通道的顯影單元產(chǎn)生高電壓的電路。因此，為了例如施加預(yù)定高電壓到充電滾筒20、顯影滾筒40和轉(zhuǎn)印滾筒50，每個需要單獨的通道。
然而，為了單個通道的精確輸出控制，現(xiàn)有技術(shù)HVPS典型地使用模擬控制系統(tǒng)。這樣的話，需要校正由于諸如RC濾波器和電壓控制部分之類的部件特性偏差而引起的誤差。
由于使用多個部分，因此難以降低成本。此外，整個HVPS可能由于任何一個單元部件的缺陷(例如那些由于外部因素引起的)而發(fā)生故障。
此外，由于晶體管用作振蕩器中的開關(guān)元件，并且變壓器總是工作在線性區(qū)域內(nèi)，因此電路電路總是產(chǎn)生熱量。此外，從圖2可以看出，現(xiàn)有技術(shù)HVPS使用大量部件，這導致在組裝過程中需要大量工作和時間，并且需要更多的PCB(印刷電路板)空間來布置大量部件。
因此，需要一種有效和經(jīng)濟的高壓電源及其控制特征。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明實施例的一個目的是解決上述和其他技術(shù)問題，并且提供一種具有數(shù)字控制的高壓電源(HVPS)，能夠在單芯片ASIC中執(zhí)行控制功能。
本發(fā)明實施例的另一目的是提供一種具有數(shù)字控制的HVPS及其方法，能夠通過最小化開關(guān)元件的承受電壓來降低ASIC的發(fā)熱，并且通過緩沖電路(snubber circuit)提供對變壓器的電壓的控制。
為了實現(xiàn)上述和其他目的和優(yōu)點，提供具有數(shù)字控制的高壓電源(HVPS)，包括變壓器，用于利用變壓器初級和次級側(cè)線圈的相互作用和輸入電壓來感應(yīng)電壓；至少一個開關(guān)元件，用于通過斷續(xù)地導通初級側(cè)線圈中的電流來控制次級側(cè)線圈中感應(yīng)的電壓；至少一個數(shù)字控制單元，用于響應(yīng)輸入的控制數(shù)據(jù)控制所述至少一個開關(guān)元件的斷續(xù)開關(guān)切換；和調(diào)節(jié)單元，用于吸收和消除通過變壓器初級側(cè)線圈施加的反向瞬態(tài)電壓。
在本發(fā)明示例性實施例中，調(diào)節(jié)單元最好包括一電阻，其一端連接到變壓器初級側(cè)線圈；和連接在電阻的另一端和電路地端之間的電容器。
此外，在本發(fā)明示例性實施例中，數(shù)字控制單元控制所述至少一個開關(guān)元件，在用于在該開關(guān)元件處執(zhí)行斷續(xù)開關(guān)切換的開關(guān)元件輸入電壓相對于參考電壓最小的時刻執(zhí)行斷續(xù)開關(guān)切換，其中參考電壓是由對應(yīng)于次級側(cè)線圈上的輸出電壓的反饋信號和控制數(shù)據(jù)決定的。
在本發(fā)明示例性實施例中，開關(guān)元件利用MOSFET作為開關(guān)元件。
為了實現(xiàn)上述和其他目的和優(yōu)點，提供一種用于控制具有數(shù)字控制的高壓電源(HVPS)的方法，該方法包括步驟利用變壓器初級和次級側(cè)線圈的相互作用和輸入電壓來感應(yīng)電壓；通過斷續(xù)地導通變壓器初級側(cè)線圈中的電流來控制次級側(cè)線圈中感應(yīng)的電壓；響應(yīng)輸入的控制數(shù)據(jù)控制開關(guān)元件的斷續(xù)開關(guān)切換；和吸收和消除通過變壓器初級側(cè)線圈施加的反向瞬態(tài)電壓。
此外，在本發(fā)明示例性實施例中，該方法還包括步驟控制至少一個開關(guān)元件，在用于在該開關(guān)元件處執(zhí)行斷續(xù)開關(guān)切換的開關(guān)元件輸入電壓相對于參考電壓最小的時刻執(zhí)行斷續(xù)開關(guān)切換，其中參考電壓是由對應(yīng)于次級側(cè)線圈上的輸出電壓的反饋信號和控制數(shù)據(jù)決定的。


通過參照附圖對本發(fā)明特定示例性實施例的描述，本發(fā)明的上述和其他方面將變得更加清楚，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)圖像形成裝置的截面圖；圖2示出現(xiàn)有技術(shù)高電壓電壓(HVPS)的例子中使用的電路配置；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的HVPS的方框圖；圖4詳細示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖3中的第一數(shù)字控制單元和第一輸出單元；以及圖5A到5F示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖3中的開關(guān)元件和第一輸出單元的示例性輸出波形。
在所有附圖中，相同的附圖標記應(yīng)理解為指代相同的部分、部件和結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
下面將參照附圖描述本發(fā)明示例性實施例。
根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的高壓電源(HVPS)包括能夠斷續(xù)地導通變壓器初級側(cè)線圈中的電流的數(shù)字控制芯片或ASIC以及各種模擬元件的組合。在下面描述的本發(fā)明示例性實施例中，描述驅(qū)動4通道的ASIC芯片，單本發(fā)明的實施例不限于此。
圖3是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的HVPS的方框圖。
參照圖3，HVPS包括數(shù)字接口單元100、振蕩器130、通電復位(power-onreset)單元150、第一到第四數(shù)字控制單元200、300、400和500，以及第一到第四開關(guān)元件270、370、470和570，它們作為單芯片ASIC 600提供。此外，包括變壓器和倍壓電路的多個輸出單元分別連接到第一到第四開關(guān)元件270、370、470和570。為了方便起見，圖3僅示出連接到第一開關(guān)元件270的第一輸出單元650。
數(shù)字接口單元100通過多種通信接口方法從引擎控制單元等接收用于確定輸出電壓的量值的控制數(shù)據(jù)。這些接口方法的例子包括接收PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(其輸出電壓電平是根據(jù)占空比確定的)，或者使用UART(通用異步接收器/發(fā)射器)、通過串行通信在兩個設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的SPI(串行外圍接口)總線、或者作為雙線、雙向總線的I2C等。
數(shù)字接口單元100將例如從引擎控制單元接收的控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成預(yù)定格式，并且將其分別傳輸?shù)降谝坏降谒男盘柨刂茊卧?00、300、400和500，其中控制數(shù)據(jù)用作輸出電壓的控制參考值V0*。
第一到第四數(shù)字控制單元200、300、400和500在其配置和功能上基本相同。每個數(shù)字控制單元將數(shù)字接口單元100提供的控制參考值V0*與通過檢測每個通道的實際輸出電壓的反饋(FB)獲得的信號V0進行比較，并且根據(jù)比較結(jié)果輸出第一到第四開關(guān)元件270、370、470和570當中相應(yīng)開關(guān)元件的驅(qū)動信號。
第一到第四開關(guān)元件270、370、470和570內(nèi)置在單芯片ASIC中，并且利用MOSFET M1、M2、M3和M4作為開關(guān)元件。第一到第四開關(guān)元件270、370、470和570被設(shè)計成由從第一到第四數(shù)字控制單元200、300、400和500輸出的驅(qū)動信號施加到MOSFET柵極而導通/關(guān)斷，從而控制串聯(lián)到漏極的變壓器的初級側(cè)線圈的電壓。與現(xiàn)有技術(shù)不同，利用MOSFET作為開關(guān)元件，因此不再需要現(xiàn)有技術(shù)中用來防止晶體管發(fā)熱的絕緣板。
如圖4所示，第一輸出單元650包括變壓器、倍壓器和整流器。變壓器與開關(guān)元件串聯(lián)，并且以在根據(jù)開關(guān)元件的導通/關(guān)斷操作串聯(lián)諧振的同時產(chǎn)生AC信號的方式構(gòu)成。于是在變壓器的次級側(cè)線圈中感應(yīng)具有高電勢的AC電壓。根據(jù)輸出電壓的范圍，倍壓器和整流器簡單地整流變壓器副線圈中感應(yīng)的AC電壓，或者通過倍壓電路升高電壓來提供最終輸出電壓。
單芯片ASIC 600包括作為時鐘發(fā)生器的振蕩器130，并且向其提供24V電源(高壓電源)和VDD電源(IC驅(qū)動電源)。
利用該示例性配置，HVPS根據(jù)由例如引擎控制單元提供的控制數(shù)據(jù)控制每個通道的輸出單元，并且產(chǎn)生高電壓輸出。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖3的第一數(shù)字控制單元200、第一開關(guān)元件270和第一輸出控制單元650的詳細結(jié)構(gòu)。
參照圖4，第一數(shù)字控制器200連接到第一輸出單元650內(nèi)的變壓器初級側(cè)線圈的一端，并且通過根據(jù)第一開關(guān)元件270的MOSFET的導通/關(guān)斷轉(zhuǎn)換斷續(xù)地導通變壓器初級側(cè)線圈中的電流，來控制變壓器次級側(cè)線圈中感應(yīng)的電壓。此外，第一數(shù)字控制器200包括數(shù)字調(diào)節(jié)器220和模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器210。數(shù)字調(diào)節(jié)器將從數(shù)字接口單元100輸入的信號與從A/D轉(zhuǎn)換器210輸入的數(shù)字信號進行比較，從而控制輸出。A/D轉(zhuǎn)換器210接收并數(shù)字化模擬信號。
第一輸出單元650連接到第一開關(guān)元件270，并且包括調(diào)節(jié)單元660，其在第一開關(guān)元件270的“關(guān)斷”狀態(tài)期間吸收通過變壓器初級側(cè)線圈施加的反向瞬態(tài)電壓，以最小化MOSFET的承受電壓。這里，調(diào)節(jié)單元660是包括相互串聯(lián)的電阻和電容器的RC電壓緩沖電路，但并不限于此。調(diào)節(jié)單元660與變壓器的初級側(cè)線圈串聯(lián)。
緩沖電路的電阻的一端連接到變壓器初級側(cè)線圈，而電容器連接在電阻的另一端與電路地端之間。用從初級側(cè)線圈施加的反向瞬態(tài)電壓充電電容器，其中電壓在電阻中緩慢放電。這樣，緩沖電路吸收并消除了在短時間內(nèi)快速改變的反向瞬態(tài)電壓。以這種方式，可以防止第一開關(guān)元件270內(nèi)的MOSFET超過額定電壓而發(fā)熱。
圖5A到5F示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的圖3中的第一開關(guān)元件270和第一輸出單元650的示例性輸出波形。圖5A到5F分別是顯示電源電壓、變壓器次級側(cè)上的電壓、變壓器初級側(cè)上的電壓、MOSFET的柵極電壓、MOSFET的漏極電流和變壓器次級側(cè)中的電流的輸出波形圖。
圖5A到5F中所示的諧振電路的這些波形為連接到變壓器初級側(cè)線圈的緩沖電路輸出。因此，可以通過使開關(guān)元件在第一開關(guān)元件270的開關(guān)元件輸入電壓最小的精確時刻導通/關(guān)斷，來最小化開關(guān)元件中的功率損耗。
根據(jù)本發(fā)明實施例，瞬態(tài)電壓被連接到變壓器的緩沖電路吸收和消除。結(jié)果，最小化了控制變壓器電壓的開關(guān)元件的承受電壓，并且還最小化了單芯片ASIC的發(fā)熱。
上述實施例和優(yōu)點僅僅是示例性的，并不應(yīng)被認為是限制本發(fā)明。本發(fā)明原理可以容易地應(yīng)用到其他類型的裝置。此外，本發(fā)明實施例的描述意圖是說明性的，而非限制權(quán)利要求書的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解許多替代、修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種具有數(shù)字控制的高壓電源(HVPS)，包括變壓器，用于利用其初級和次級側(cè)線圈的相互作用和輸入電壓來感應(yīng)電壓；至少一個開關(guān)元件，用于通過斷續(xù)地導通初級側(cè)線圈中的電流來控制次級側(cè)線圈中感應(yīng)的電壓；至少一個數(shù)字控制單元，用于響應(yīng)控制數(shù)據(jù)控制所述至少一個開關(guān)元件的斷續(xù)開關(guān)切換；和調(diào)節(jié)單元，用于吸收和消除通過變壓器初級側(cè)線圈施加的反向瞬態(tài)電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓電源，其中，根據(jù)調(diào)節(jié)單元包括包括第一和第二端的電阻，第一端連接到初級側(cè)線圈；和連接在電阻的第二端和電路地端之間的電容器。
3.如權(quán)利要求1所述的高壓電源，其中數(shù)字控制單元被配置成控制所述至少一個開關(guān)元件，在用于在該開關(guān)元件處執(zhí)行斷續(xù)開關(guān)切換的開關(guān)元件輸入電壓相對于參考電壓最小的時刻執(zhí)行斷續(xù)開關(guān)切換，其中參考電壓是由對應(yīng)于次級側(cè)線圈上的輸出電壓的反饋信號和控制數(shù)據(jù)決定的。
4.如權(quán)利要求1所述的高壓電源，其中所述至少一個開關(guān)元件包括MOSFET。
5.如權(quán)利要求1所述的高壓電源，其中所述至少一個數(shù)字控制單元用專用集成電路(ASIC)實現(xiàn)。
6.一種配有用于產(chǎn)生高電壓的高壓電源(HVPS)的圖像形成裝置，高壓電源包括變壓器，用于利用其初級和次級側(cè)線圈的相互作用和輸入電壓來感應(yīng)電壓；至少一個開關(guān)元件，用于通過斷續(xù)地導通初級側(cè)線圈中的電流來控制次級側(cè)線圈中感應(yīng)的電壓；至少一個數(shù)字控制單元，用于響應(yīng)控制數(shù)據(jù)控制所述至少一個開關(guān)元件的斷續(xù)開關(guān)切換；和調(diào)節(jié)單元，用于吸收和消除通過變壓器初級側(cè)線圈施加的反向瞬態(tài)電壓。
7.一種用于控制高壓電源(HVPS)的方法，該方法包括在輸出單元變壓器中利用變壓器初級和次級側(cè)線圈的相互作用和輸入電壓來感應(yīng)電壓；通過斷續(xù)地導通初級側(cè)線圈中的電流來控制至少一個開關(guān)元件以便在次級側(cè)線圈中感應(yīng)電壓；響應(yīng)控制數(shù)據(jù)控制所述至少一個開關(guān)元件的斷續(xù)開關(guān)切換；和消除通過變壓器初級側(cè)線圈施加的反向瞬態(tài)電壓。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述至少一個開關(guān)元件的斷續(xù)開關(guān)切換由至少一個數(shù)字控制單元控制。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述至少一個數(shù)字控制單元用專用集成電路(ASIC)實現(xiàn)。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述至少一個開關(guān)元件包括MOSFET。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述消除瞬態(tài)電壓的步驟包括在初級側(cè)線圈和電路地端之間耦接電阻和電容來消除瞬態(tài)電壓。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括控制開關(guān)元件，在用于在該開關(guān)元件處執(zhí)行斷續(xù)開關(guān)切換的開關(guān)元件輸入電壓相對于參考電壓最小的時刻執(zhí)行斷續(xù)開關(guān)切換，其中參考電壓是由對應(yīng)于次級側(cè)線圈上的輸出電壓的反饋信號和控制數(shù)據(jù)決定的。
全文摘要
提供一種具有數(shù)字控制的高壓電源(HVPS)及其方法，包括變壓器，用于利用初級和次級側(cè)線圈的相互作用和輸入電壓來感應(yīng)電壓；開關(guān)元件，用于通過斷續(xù)地導通變壓器初級側(cè)線圈中的電流來控制次級側(cè)線圈中感應(yīng)的電壓；數(shù)字控制單元，用于響應(yīng)輸入的控制數(shù)據(jù)控制開關(guān)元件的斷續(xù)切換；和調(diào)節(jié)單元，用于吸收和消除通過變壓器的初級側(cè)線圈施加的反向瞬態(tài)電壓。由連接到變壓器的緩沖電路吸收和消除瞬態(tài)電壓。結(jié)果，最小化了控制變壓器電壓的開關(guān)元件的承受電壓，并且也最小化了包含的單芯片ASIC的發(fā)熱。
文檔編號G03G15/00GK1885702SQ200610090860
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月25日
發(fā)明者蔡榮敏, 趙鐘化, 趙埈奭 申請人:三星電子株式會社