模擬控制專用集成電路設備及用於控制高電壓電源的方法
2023-05-28 12:59:21
專利名稱：模擬控制專用集成電路設備及用於控制高電壓電源的方法
技術領域：
本發明涉及一種成像設備的高電壓電源(HVPS)、以及用於控制HVPS的方法。更具體地說，本發明涉及一種用於成像設備中的HVPS的模擬控制專用集成電路(ASIC)設備。
背景技術：
圖1是用於一輸出的高電壓電源(HVPS)的控制方框圖。用於一輸出的HVPS包括脈寬調製(PWM)輸入單元100、低通濾波器(LPF)110、電壓控制器120、振蕩器130、變壓器(transformer)140、倍壓器150、以及反饋單元160。圖2是圖1的電路圖的例圖。
PWM輸入單元100接收數千赫茲的PWM輸入信號，並且根據PWM輸入信號的佔空比而確定輸出電壓電平。LPF 110使用RC兩級濾波器將PWM輸入信號轉換成直流信號，並且使用轉換後的直流信號作為用於控制輸出電壓的參考信號。電壓控制器120用作差動電路和控制器，其中基於從LPF 110輸出的輸出電壓參考信號和電壓檢測器(voltage sensor)信號而放大誤差信號，以檢測實際的反饋輸出電壓。振蕩器130基於電壓控制器120的輸出而通過控制電晶體的基極電流的大小來改變電晶體的發射極和集電極之間的電壓。當振蕩器130中的電晶體的發射極和集電極之間的電壓發生改變時，串聯到振蕩器130的變壓器140的初級繞組的電壓發生改變。因而，由於高匝數比而感應輸出電壓。倍壓器150使用包括二極體整流器和電容器的倍壓電路，從變壓器140的次級電壓生成最終的直流高電壓。反饋單元160是檢測最終的直流高電壓、通過電阻器分配輸出電壓並且防止施加異常電壓的保護電路。
如上所述，構造變壓器140的初級側中的模擬控制單元必須裝配很多組件。也就是，模擬控制單元如圖2所示由電阻器、電容器、電晶體、集成電路(IC)和二極體構成。圖3是傳統的HVPS的模擬控制單元的示例。由於存在很多組件，因此裝配過程中的工序數和工作時間增多，並且必須準備印刷電路板(PCB)空間。另外，輸出電壓可能由於組件之間的特性偏差而發生失真，並且單元組件可能由於外界原因而使得出故障。
從而，需要一種改進的、其中減少了組件的成像設備中的高電壓電源。
發明內容
本發明的實施例的一方面是解決至少上述問題和/或缺點，並且提供至少下述優點。從而，本發明的實施例的一方面是提供一種用於成像設備中的高電壓電源(HVPS)的模擬控制專用集成電路(ASIC)設備、以及用於控制HVPS的方法，其通過將HVPS的變壓器的初級側中的控制單元配置為單晶片模擬ASIC，有助於空間利用、裝配過程簡化、以及通過批量生產的成本降低。
根據本發明的示例性實施例的一方面，提供了一種用於成像設備中的高電壓電源(HVPS)的模擬控制專用集成電路(ASIC)設備。該成像設備中的HVPS包括變壓器，用於將具有預定頻率的交流信號變換成高電壓信號；以及倍壓器，通過對變壓器的次級高電壓信號進行整流和倍壓，為成像設備中的HVPS輸出直流高電壓。該模擬控制ASIC設備包括被配置為單晶片ASIC的模擬控制電路，其使用開關組件將預定的直流電平信號轉換成高頻開關信號，並且將轉換後的高頻開關信號輸出到變壓器的初級繞組。
如果從倍壓器輸出的高電壓輸出信號不被反饋，則模擬控制電路可以包括電壓控制器，放大直流電平信號；脈寬調製(PWM)調製器，使用預定載波信號對從電壓控制器輸出的信號進行PWM調製；柵極驅動器，驅動由PWM調製器調製的信號作為輸入開關組件的柵極的信號；以及開關組件，通過柵極接收柵極驅動器的驅動信號，對所接收的驅動信號進行高頻轉換，並且將該高頻轉換信號輸出到變壓器。這裡，開關組件可以是金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
模擬控制電路還可以包括低通濾波器(LPF)，其將具有預定佔空比的PWM信號轉換成直流信號，並且將轉換後的直流信號輸出到電壓控制器，以便使用該直流信號作為用於控制高電壓輸出信號的參考信號。
模擬控制電路還可以包括反饋單元，其檢測高電壓輸出信號，並且將所檢測的高電壓輸出信號反饋到電壓控制器，其中電壓控制器可以放大通過差分輸出電壓參考信號和由反饋單元檢測的倍壓器的輸出電壓而獲得的誤差信號。由反饋單元檢測的高電壓輸出信號可以是電壓或電流。反饋單元可以包括電壓檢測器，檢測並濾波高電壓輸出信號；以及保護器和整流器，緩衝由電壓檢測器檢測的信號，箝位該緩衝信號，並且將該箝位信號輸出到電壓控制器。
根據本發明的示例性實施例的另一方面，提供了一種用於成像設備中的高電壓電源(HVPS)的模擬控制專用集成電路(ASIC)設備。該模擬控制ASIC設備包括兩個或更多個上述用於成像設備中的HVPS的模擬控制設備，其被配置為單晶片ASIC。用於成像設備中的HVPS的模擬控制設備中的一些可以相互雙重連接。
根據下面結合附圖的詳細描述，本發明的特定示例性實施例的上述和其它目的、特徵和優點將會變得更加清楚，其中圖1是用於一輸出的HVPS的控制塊圖；圖2是圖1的電路圖的例圖；圖3是傳統的HVPS的模擬控制單元的示例；圖4是成像設備中的HVPS的方框圖，其包括應用本發明的用於成像設備中的HVPS的模擬控制ASIC設備的示例性實施例；圖5是根據本發明示例性實施例的包括模擬控制單元的成像設備中的HVPS的電路圖的例圖；圖6是本發明實施例的示例性實現的方框圖，其中作為四通道高電壓輸出模擬控制電路的單晶片HVPS ASIC在單晶片ASIC中包括四個用於成像設備中的HVPS的模擬控制設備；以及圖7是本發明的示例性實施例，其中HVPS模擬控制單元包括單晶片ASIC。
整個附圖中相同的附圖標記將被理解成是指相同的元件、特徵和結構。
具體實施例方式
為了幫助全面理解本發明的實施例，提供了在本描述中定義的內容如詳細構造和元件。從而，本領域的普通技術人員應當認識到，可以對這裡描述的實施例進行各種改變和修改而不脫離本發明的範圍和精神。另外，為了簡明起見，省略了對公知功能和構造的描述。
現在將參照附圖詳細描述根據本發明示例性實施例的用於成像設備中的高電壓電源(HVPS)的模擬控制專用集成電路(ASIC)設備。
圖4是成像設備中的HVPS的方框圖，其包括應用本發明的用於成像設備中的HVPS的模擬控制ASIC設備的示例性實施例。該HVPS包括模擬控制單元40、變壓器450、以及倍壓器460。
變壓器450將具有預定頻率的交流信號變換成高電壓交流信號。倍壓器460通過對變壓器450的次級高電壓交流信號進行整流和倍壓，為成像設備中的HVPS輸出直流高電壓。
被配置為單晶片ASIC的模擬控制單元40使用開關組件將預定的直流電平信號轉換成高頻開關信號，並且將轉換後的高頻開關信號輸出到變壓器450的初級繞組。模擬控制單元40包括LPF 400、電壓控制器410、PWM調製器420、柵極驅動器430、開關組件440、以及反饋單元470。
LPF 400將具有預定佔空比的PWM信號轉換成直流信號，並且將轉換後的直流信號輸出到電壓控制器410，以便使用該直流信號作為用於控制高電壓輸出信號的參考信號。LPF 400可以被安裝在模擬控制單元40之外，而無需包括在被配置為單晶片ASIC的模擬控制單元40中。
如果從倍壓器460輸出的高電壓輸出信號不被反饋，則電壓控制器410放大LPF 400的直流電平信號。如果從倍壓器460輸出的高電壓輸出信號被反饋，則電壓控制器410還放大通過差分LPF 400的輸出電壓參考信號和由反饋單元470檢測的倍壓器460的輸出電壓而獲得的誤差信號。PWM調製器420使用預定的載波信號調製從電壓控制器410輸出的信號。
柵極驅動器430驅動由PWM調製器420調製的信號作為輸入開關組件440的柵極的信號。
開關組件440通過柵極接收柵極驅動器430的驅動信號，對所接收的驅動信號進行高頻轉換，並且將該高頻轉換信號輸出到變壓器450。在一示例性實施例中，開關組件440可以是金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
反饋單元470檢測高電壓輸出信號，並且將所檢測的高電壓輸出信號反饋到電壓控制器410。反饋單元470包括電壓檢測器474以及保護器和整流器472。由反饋單元470檢測的高電壓輸出信號可以是電壓或電流。電壓檢測器474檢測和濾波倍壓器460的高電壓輸出信號。保護器和整流器472緩衝由電壓檢測器474檢測的信號，箝位該緩衝信號，並且將該箝位信號輸出到電壓控制器410。當執行開環控制時，可以不使用反饋單元470。
圖5是根據本發明示例性實施例的包括模擬控制單元40的成像設備中的HVPS的電路圖的例圖。包括在圖4的模擬控制單元40中的LPF 400、電壓控制器410、PWM調製器420、柵極驅動器430、開關組件440、電壓檢測器474、以及保護器和整流器472分別對應於包括在圖5的模擬控制單元50中的附圖標記500、510、520、530、540、574和572。圖4的變壓器450和倍壓器460分別對應於圖5的附圖標記550和560。
現在將參照圖5示意性地描述模擬控制單元50的操作。當具有預定佔空比的PWM信號被輸入到LPF 500時，從LPF 500輸出直流電平信號，並且該直流電平信號成為電壓控制器510的參考輸入信號。當檢測從倍壓器560輸出的高電壓輸出信號並且將其反饋到電壓控制器510時，電壓控制器510放大通過差分該參考信號和反饋信號而獲得的誤差信號。將放大後的信號輸入到具有預定載波輸入信號的PWM調製器520，並且從PWM調製器520輸出具有預定佔空比的PWM信號。將PWM信號輸入到柵極驅動器530，並且由柵極驅動器530驅動作為開關組件540的柵極信號。輸入到開關組件540的柵極的信號由開關組件540轉換，並且輸入到變壓器550的初級線圈。變壓器550將感應到初級線圈的信號變換成次級交流高電壓。次級交流高電壓由包括二極體整流器和電容器的倍壓器560進行倍壓，然後，生成直流高電壓。
可以將兩個或更多個上述用於成像設備中的HVPS的模擬控制設備配置為單晶片ASIC。圖6是單晶片HVPS ASIC 600的方框圖，其中單晶片HVPSASIC 600是通過將四個用於成像設備中的HVPS的模擬控制設備集成到單晶片ASIC中而實施的四通道高電壓輸出模擬控制電路。用於成像設備中的HVPS的某些模擬控制設備可以相互雙重連接。圖7是被實施為單晶片ASIC的HVPS模擬控制單元的示例性實施例。
如上所述，在根據本發明示例性實施例的用於成像設備中的HVPS的模擬控制ASIC設備中，通過將高電壓變壓器的初級側中的控制單元配置為單晶片模擬ASIC而不是包括多個組件的裝配件，空間利用、裝配過程簡化、以及通過批量生產的成本降低是可能的。也就是，通過將形成模擬控制單元的RC濾波器、電壓控制器、驅動器和電晶體配置為單晶片ASIC，可以減少組件數。由於使用傳統的主CPU中的每個通道的PWM信號輸入作為PWM信號輸入，因此向傳統方法的移植是極佳的。從而，通過將由傳統的模擬控制器組成的控制單元配置為單晶片ASIC，可以大幅度地減小體積。
另外，由於使用批量生產的ASIC晶片，因此通過節省在傳統的模擬控制器中控制每個時間常量所需的時間，可以提高批量生產效率。
此外，可以將模擬控制ASIC設備應用於使用直流高電壓的單雷射束印表機(LBP)和TANDEM彩色LBP，從而導致空間利用和成本降低。
而且，不同於僅配置邏輯控制單元的一部分的傳統混合式集成電路方法，由於根據本發明示例性實施例的模擬控制ASIC設備還可以包括諸如FET的開關組件，因此該模擬控制ASIC設備保持模擬ASIC的特性，並且具有根據各種應用方法的擴展性。
儘管本發明是參照其特定示例性實施例來示出和描述的，但本領域的技術人員應當理解，在不脫離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行形式和細節上的各種修改。
對相關專利申請的交叉引用本申請要求2005年2月2日在韓國知識產權局提交的韓國專利申請No.10-2005-0009733在35U.S.C.§119(a)下的權利和利益，在此將其全文引作參考。
權利要求
1.一種用於成像設備中的高電壓電源(HVPS)的模擬控制專用集成電路(ASIC)設備，其中該成像設備中的HVPS包括變壓器，用於將具有預定頻率的交流信號變換成高電壓信號；以及倍壓器，通過對變壓器的次級高電壓信號進行整流和倍壓，為成像設備中的HVPS輸出直流高電壓，該模擬控制ASIC設備包括被配置為單晶片ASIC的模擬控制電路，用於使用開關組件將直流電平信號轉換成高頻開關信號，並且將轉換後的高頻開關信號輸出到變壓器的初級繞組。
2.如權利要求1所述的模擬控制ASIC設備，其中模擬控制電路包括電壓控制器，用於放大直流電平信號；脈寬調製(PWM)調製器，用於使用載波信號調製從電壓控制器輸出的信號；以及柵極驅動器，用於驅動由PWM調製器調製的信號作為輸入到開關組件的柵極的信號，其中開關組件通過柵極接收柵極驅動器的驅動信號，對所接收的驅動信號進行高頻轉換，並且將經過高頻轉換的信號輸出到變壓器。
3.如權利要求2所述的模擬控制ASIC設備，其中開關組件包括金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
4.如權利要求2所述的模擬控制ASIC設備，還包括低通濾波器(LPF)，用於將具有佔空比的PWM信號轉換成直流信號，並且將轉換後的直流信號輸出到電壓控制器，其中該直流信號包括用於控制高電壓輸出信號的參考信號。
5.如權利要求2所述的模擬控制ASIC設備，還包括反饋單元，用於檢測高電壓輸出信號，並且將所檢測的高電壓輸出信號反饋到電壓控制器，其中電壓控制器放大通過差分輸出電壓參考信號和由反饋單元檢測的倍壓器的輸出電壓而獲得的誤差信號。
6.如權利要求5所述的模擬控制ASIC設備，其中由反饋單元檢測的高電壓輸出信號包括電壓或電流。
7.如權利要求5所述的模擬控制ASIC設備，其中反饋單元包括電壓檢測器，用於檢測並濾波高電壓輸出信號；以及保護器-整流器，用於緩衝由電壓檢測器檢測的信號，箝位該緩衝信號，並且將該箝位信號輸出到電壓控制器。
8.一種用於成像設備中的高電壓電源(HVPS)的模擬控制專用集成電路(ASIC)設備，該模擬控制ASIC設備包括至少兩個用於成像設備中的HVPS的、如權利要求1所述的模擬控制ASIC設備，其被配置為單晶片ASIC。
9.如權利要求8所述的模擬控制ASIC設備，其中用於成像設備中的HVPS的模擬控制設備中的至少兩個相互雙重連接。
10.如權利要求3所述的模擬控制ASIC設備，還包括反饋單元，用於檢測高電壓輸出信號，並且將所檢測的高電壓輸出信號反饋到電壓控制器，其中電壓控制器放大通過差分輸出電壓參考信號和由反饋單元檢測的倍壓器的輸出電壓而獲得的誤差信號。
11.一種控制用於模擬控制專用集成電路(ASIC)的高電壓電源(HVPS)的方法，該方法包括將具有預定頻率的交流信號變換成高電壓信號；通過對變壓器的次級高電壓信號進行整流和倍壓，輸出用於成像設備中的HVPS的直流高電壓；以及將模擬控制電路配置為單晶片ASIC，以便使用開關組件將預定的直流電平信號轉換成高頻開關信號，並且將轉換後的高頻信號輸出到變壓器的初級繞組。
12.如權利要求11所述的方法，還包括放大直流電平信號；使用載波信號對放大後的信號輸出進行脈寬調製；以及對由開關組件接收的驅動信號進行高頻轉換，並且將該高頻轉換信號輸出到變壓器。
13.如權利要求12所述的方法，還包括將具有佔空比的調製信號轉換成直流信號，並且將轉換後的直流信號輸出到電壓控制器，其中該直流信號包括用於控制高電壓輸出信號的參考信號。
14.如權利要求12所述的方法，還包括檢測高電壓輸出信號，並且將所檢測的高電壓輸出信號反饋到電壓控制器，其中電壓控制器放大通過差分輸出電壓參考信號和由反饋單元檢測的倍壓器的輸出電壓而獲得的誤差信號。
15.如權利要求14所述的方法，其中由反饋單元檢測的高電壓輸出信號包括電壓或電流。
16.如權利要求14所述的方法，還包括檢測並濾波高電壓輸出信號；以及緩衝由電壓檢測器檢測的信號，箝位該緩衝信號，並且將該箝位信號輸出到電壓控制器。
全文摘要
提供了一種用於成像設備中的高電壓電源(HVPS)的模擬控制專用集成電路(ASIC)設備、以及用於控制HVPS的方法。該HVPS包括變壓器，將交流信號變換成高電壓信號；以及倍壓器，為該HVPS輸出直流高電壓。該ASIC包括被配置為單晶片ASIC的模擬控制電路，其使用開關組件將預定的直流電平信號轉換成高頻開關信號，並且將轉換後的高頻開關信號輸出到變壓器的初級繞組。如果從倍壓器輸出的高電壓輸出信號不被反饋，則開關組件對所接收的柵極驅動器的驅動信號進行高頻轉換，並且將該高頻轉換信號輸出到變壓器。
文檔編號H02M3/04GK1832314SQ20061000420
公開日2006年9月13日 申請日期2006年1月28日 優先權日2005年2月2日
發明者蔡榮敏, 權重基, 吳哲宇, 趙鍾化, 韓相龍 申請人:三星電子株式會社