本发明属于仪器仪表领域，具体涉及一种基于分流调整方法的铯钟倍增器可调高压电源电路。

背景技术：

在各类原子钟中，铯原子钟以其高精度和优秀的长期稳定性而著称。倍增器的使用寿命是制约铯原子钟寿命性能的因素之一。倍增器的放大倍数随着使用寿命的增加而降低。目前解决倍增器使用寿命的常用方法是提高倍增器工作电压来提高其放大倍数。使用该方法必须解决的问题是倍增器工作所需的负高压可调，也就是需要可调负高压电源。倍增器负高压电源的负载小，工作电流为几十微安培量级。

对于小电流可调高压电源，需要解决的两个问题分别是高压和可调。电压可调，需要用到调整管。资料显示，该调整管为串联调整。可调高压电源的实现，可以是先实现高压，再实现可调——调整管q1放置于高压侧，如图1所示；也可以是先实现可调，再实现高压——调整管q1放置于低压侧，如图2所示。

图1所示的高压侧串联调整方法，其调整管在高压侧，因此必须是高压器件，器件选型是一个大难题；并且调整管基极驱动电压很高，驱动电路也是复杂的。优点是其噪声小，这种方法适合于对噪声敏感的场合。

目前可调高压电源的实现，通常采用调整管放置于低压侧的方法——先在低压侧实现电压可调，再用一定电压增益的直流电压放大电路，将其电压进行放大到所需的高压。直流电压放大电路的增益是固定的，其输入电压可调，则输出高压可调，从而实现了可调高压。这个方法如图2所示。该调整管q1可以采用双极型的三极管，也可以采用单极型的mosfet。但是，无论是三极管还是mosfet，通常采用的是串联调整的方法——输出和调整管是串联配置的。采用三极管做串联调整管，由于三极管是电流驱动型晶体管器件，其驱动电路复杂。并且，三极管的基极电压跟随输出电压或者输入电压，导致其驱动电路还需要解决电平转换问题。图2所示的电路还有两个问题。一是没有解决输入和控制电路的电气隔离问题；二是高压输出的保护性能差——倘若高压部分出现了打火等故障问题，此时调整管q1不能及时调整为高阻抗状态，或者不能调整为高阻抗状态，甚至是低阻抗状态，高压部分输出的能量会很高，不能保护高压输出的负载。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于分流调整方法的铯钟倍增器可调高压电源电路，它采用了分流调节的方法在低压侧进行电压调整，再利用直流高压放大电路进行直流电压放大。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种基于分流调整方法的铯钟倍增器可调高压电源电路，包括隔离dc/dc电路、分流调整电路、控制电路和直流高压放大电路；

隔离dc/dc变换器，用于将输入电压vin转换成与vin隔离的、稳定的电压v1，输入到分流调整电路；

控制电路，根据输入的控制电压vc，向分流调整电路输出调整管q1的驱动信号vd；

分流调整电路，采用调整管q1与限流电阻r1串联的形式接入到隔离后的输入电压v1的正线与回线之间，控制电路输出的驱动信号vd经由电阻r9变换为驱动电流id，调整管q1以驱动电流id作为驱动信号；将调整管q1与限流电阻r1之间的连接点称为分流点，通过驱动电流id的调节实现调整管q1对流经r1的总电流的分流，从而改变分流点后端等效负载的分流，实现驱动电流id对分流点电压v2的调整；调整管q1用npn三极管实现；

直流高压放大电路对分流调整电路的输出电压v2进行直流电压放大，直流高压放大电路的输出端为铯钟倍增器需要的可调高压电源。

优选地，该电路进一步包括滤波及电压采样电路，用于对分流调整电路的输出信号v2进行滤波后，进行分压采样，将采样电压v3反馈到控制电路，形成控制电压vc与输出电压v2之间的闭环控制，使得控制电压vc的控制范围对应后续分流调整电路输出电压v2的变压范围。

优选地，滤波及电压采样电路由滤波电容c2、电阻r2和电阻r3组成；电容c2并联在调整管q1的集电极和发射极之间；电阻r2和电阻r3串联后与滤波电容c2并联；电阻r2和电阻r3之间的连接点产生采样电压v3，连接控制电路中运算放大器oa1的同相输入端；运算放大器oa1的反相输入端作为控制电压vc的输入，同时通过电容c1连接运算放大器oa1的输出端；运算放大器oa1的输出端输出所述驱动电压vd。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用低电压晶体管在低压侧进行电压调整，该调整管q1可以采用35v电压的低压晶体管，降低了调整管的电压应力。

(2)本发明采用分流调整的方式，分流是英语shunt的中文翻译方法，可以直观地理解为并联，也就是说，本发明中调整管q1和分流点v2后端负载(被调整的部分)为并联的连接方式，那么通过调整管q1分流的调整，可以实现输出电压的调整。采用分流调节方法的好处是：调整管的驱动电路不需要电平转换，驱动电路简单；源端上位电阻的限流作用，使得基于分流调整方法的高压输出保护特性好。

(3)本发明的分流调整电路中，调整管q1采用了npn三极管，q1的射极接地，基射极电压大约为0.5v～0.7v，串联了限流电阻r9后，分流调整电路的驱动电压为10v～1v。控制电路一般为12v供电，10v～1v的驱动电压在12v供电的控制电路的输出电压能力范围内——控制电路输出可以直接驱动调整管q1，不需要进行驱动电平转换，简化了驱动电路的设计；

(4)分流调整电路中的r1还起到了限流作用，适合于保护高压输出的负载——在本发明中保护的是倍增器；根据最大功率传输定律，忽略调整管q1的能量消耗，分流调整电路输出的最大功率为：通过调整r1的电阻值，即可获得需要保护功率。

(5)本发明隔离dc/dc电路的设置可以满足控制电压vc(0v～5v)与输入电压vin隔离的要求，并且可以使得宽范围的输入电压vin变换为稳定的电压v1，降低分流调整电路中电阻r1的功率压力。

(6)本发明滤波及电压采样电路的设置使得控制电压vc的控制范围严格对应后续分流调整电路输出电压v2的变压范围，保证了控制的精度。

附图说明

图1为现有技术中高压侧调整的倍增器可调负高压电源；

图2为现有技术中低压侧调整的倍增器可调负高压电源；

图3为本发明基于分流调整的铯钟倍增器可调高压电源电路的组成框图；

图4为本发明基于分流调整方法的铯钟倍增器可调高压电源电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于分流调整方法的铯钟倍增器可调高压电源电路，该电路的组成框图如图3所示，其包括隔离dc/dc电路1、分流调整电路2、控制电路4和直流高压放大电路5。优选地，为了保证输出电压范围严格对应控制电压范围，还增加了滤波及电压采样电路3。

隔离dc/dc电路1，用于将输入电压vin转换成与vin隔离的、稳定的电压v1(中间变量，本实施例中为35v)，输入到分流调整电路。该模块的设置可以满足控制电压vc(0v～5v)与输入电压vin隔离的要求，并且可以降低分流调整电路中电阻r1的功率压力。

控制电路4，用于根据输入的控制电压vc，调整向分流调整电路2输出的调整管q1的驱动信号vd。vc的变化可以调整vd(本实施例中范围为1v～10v)，而vd的变化对应分流调整电路2所输出的电压v2的变化。本优选实施例中，为了保证vc的变化范围(0v～5v)严格对应v2的变化范围(3v～30v)，则该控制电路4进一步引入了表征v2大小的反馈信号v3，该反馈信号v3是滤波及电压采样电路3提供的，v3反馈到控制电路4中形成控制电压vc与输出电压v2之间的闭环控制，使得控制电压vc的控制范围对应后续分流调整电路2输出电压v2的变压范围。

分流调整电路2本发明的核心。结合图4，该分流调整电路2采用npn三极管作为调整管q1，调整管q1与限流电阻r1串联的形式接入到隔离后的输入电压v1的正线与回线之间，控制电路4输出的驱动信号vd经由电阻r9变换为驱动电流id，调整管q1以驱动电流id作为驱动信号。将调整管q1与限流电阻r1之间的连接点称为分流点(图4中电压v2所在点)，流经电阻r1的电流为总电流，调整管q1与分流点后端电路形成的等效负载形成并联的电路结构形式，调整管q1是电流的一条分支，而分流点后端等效负载是电流的另外一条分支。当调整管q1分支电流变化时，在总电流不变的情况下，分流点后端等效负载的分电流发生变化，从而使得v2发生变化。那么，通过驱动电流id的调节，可以实现调整管q1对流经r1总电流的分流，从而改变分流点后端等效负载的电流，实现驱动电流id对分流点电压v2的调整。id又是由vc控制的，从而实现了控制电压vc对v2的控制。v2同时作为分流调整电路2的输出。

滤波及电压采样电路3，用于对分流调整电路2的输出信号v2进行滤波后，进行分压采样，将采样电压v3反馈到控制电路4，形成控制电压vc与输出电压v2之间的闭环调整，使得控制电压vc的控制范围对应后续分流调整电路2输出电压v2的变压范围。本实施例中，通过分压比例的选择，使得v3的范围为(0.5v～5v)。

直流高压放大电路5，用于对分流调整电路2的输出电压v2(3v～30v)进行直流电压放大，直流高压放大电路5的输出端为铯钟倍增器需要的可调高压电源vo。本实施例中，vo的范围为-300v～-3000v。

本实施例中，输入控制电压0v与控制电路4的输出10v、分流调整电路2的输出3v和可调高压输出的-300v对应；同理，输入控制电压5v与控制电路4的输出1v、分流调整电路2的输出30v和可调高压输出的-3000v对应。

下面对上述电路的具体电路实现进行描述。电路图参见图4。

在隔离dc/dc电路1中，输入电压正线vin+连接隔离dc/dc变换器的输入正线端，输入电压回线vin-连接隔离dc/dc变换器的输入回线端；隔离dc/dc变换器的输出正线端连接分流调整电路2中电阻r1的一端，隔离dc/dc变换器的输出回线端连接分流调整电路2中npn三极管q1的发射极端。

分流调整电路2由电阻r1、npn三极管q1和电阻r9组成。电阻r1的另外一端连接npn三极管q1的集电极端，形成二者串联的结构，且二者连接点称为分流点，即图中的v2点，也是本分流调整电路2的输出。npn三极管q1的基极通过电阻r9连接控制电路4的输出端vd。

滤波及电压采样电路3由滤波电容c2、电阻r2和电阻r3组成。电容c2并联在调整管q1的集电极和发射极之间；电阻r2和电阻r3串联后与滤波电容c2并联；电阻r2和电阻r3之间的连接点产生采样电压v3，连接控制电路4中运算放大器oa1的同相输入端。

在控制电路4中，0v～5v控制电压vc的正线端连接运放电路oa1的反相输入端和电容c1的一端；控制电压的回线端连接npn三极管q1的发射极端；电容c1的另外一端连接运放电路oa1的输出端；运放电路oa1的输出端还连接电阻r9的一端。

直流高压放大电路5的输入端连接分流调整电路2的输出，直流高压放大电路5的输出即为可调高压输出。直流高压放大电路5的输入回线端连接npn三极管q1的发射极端。

可见，本发明的基于分流调整方法的铯钟倍增器可调高压电源电路，采用低电压调整管在低压侧进行电压分流调整，再利用直流高压放大电路进行直流电压放大，降低了调整管的电压应力；采用了分流调节方法进行可调电压的调节，调整管的驱动电路简单；分流调节电路的限流作用，使得其更适合于保护高压电路。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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