楊 建，鄭永明，黃 平

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

電離室、正比計數(shù)管和蓋革管等核探測器是核儀器常用的核輻射探測器，核輻射探測器在應用過程中必須設計高壓電源系統(tǒng)。核儀器中的高壓電源一般都是由系統(tǒng)中的低壓直流電壓經(jīng)過高頻振蕩變換成交流電壓，再經(jīng)過整流濾波成直流高壓，高壓一般為±100～±1 000 V[1]。不同的核輻射探測器應用要求不同的高壓及極性，高壓電源要求電壓穩(wěn)定，低紋波，例如在診斷X射線劑量檢測中一般采用是0.6 cm3電離室，所采用的電離室高壓要求是-300V。Max1847是一種高效反相電流型PWM開關控制器，工作電壓為+3.0～+16.5 V，振蕩頻率可以通過電阻設置為100～500kHz，具有關斷功能。它可以應用在緊湊和低噪音的反相DC-DC轉換器中，適合于便攜帶型核儀器的高壓電源的設計，應用Max1847可以設計出小型、可靠和高精度的劑量檢測系統(tǒng)高壓電源。根據(jù)核儀器的開發(fā)要求，可以設計一種核儀器通用型高壓電源系統(tǒng)：輸入電壓的最小值Vdcmin=4V，最大值Vdcmax=6V，開關頻率為f=100kHz，輸出電壓Vout=-300V，最大負載電流Imax=1.25mA，輸出電壓紋波Vp-p≤200mV。

1 開關電源拓撲

開關電源拓撲常用的基本拓撲約有14種，每種拓撲都有其自身的特點和適用場合[2-3]。在最大輸出功率為5～150 W的低成本電源應用中，反激拓撲應用廣泛。反激拓撲未使用輸出電感，這樣節(jié)省了成本，減小了體積和反激變壓器中的損耗。它非常適合于輸出電壓高達400V而輸出功率為較低的15～20W的應用場合，因此反激變壓器拓撲非常適用于核儀器高壓電源的設計。

圖1為反激式開關電源電路簡圖及電壓電流分析圖。下面分析PWM開關電路的工作原理。功率開關管Q與變壓器T原邊繞組串聯(lián)。變壓器T用來存儲開關導通時的能量并提供輸入電壓源和輸出電壓之間的隔離。穩(wěn)態(tài)運行時，開關導通時間為Ton，繞組同名端相對于非同名端的電壓極性為正。在Ton期間，二極管D變?yōu)榉聪蚱枚儔浩骺煽醋饕粋€電感。電感值等于變壓器原邊勵磁電感Lp，儲存來自輸入電壓源Vin的磁能。因此，變壓器原邊電流從0線性上升到Ipk，當二極管D1變?yōu)榉聪蚱脮r，負載電流Iout由輸出電容Cout提供。輸出電容值應足夠大，這樣才可保證在Ton時間內提供相應的負載電流，同時使輸出電壓跌落的程度為所規(guī)定的最大值。通過輸出電壓的反饋，開關控制器調整脈寬的大小從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定[4-5]。

圖1 反激式開關電源電路簡圖及電壓電流分析圖

2 主電路設計

Max1847采用了電流型PWM控制架構，內部集成了誤差放大器、電流傳感放大器、斜率補償、誤差比較、振蕩器、關斷電路、欠壓鎖定及場效應管驅動等電路。

如圖2所示，R4為電流采樣電阻，C5、R5和R6為輸出電壓反饋電路，R1為頻率設置電阻，R2和C3為環(huán)路補償電路，U2為低電壓NMOS管。D1為整流管，選用耐高壓的快速肖特基二極管UF1M，C6為輸出濾波電容。SW為高壓電源控制端，當輸入為低電平時關閉電源系統(tǒng)的運行。

Max1847可以驅動多種類型的P型場效應管及N型場效應管，由于采用了Flyback電源拓撲結構，功率場效應管應該選擇N型場效應管。輸入電壓在4～6 V之間，要達到較好的性能，就必須選擇低柵源電壓及低導通電阻的N型場效應管。最大漏源電壓必須要考慮輸入電壓、反激電壓及變壓器漏感引起的電壓尖峰，不能超過它們的總和，要適當?shù)亓粜┯嗔俊?/p>

輸出電壓是通過電阻分壓實現(xiàn)的，Vref一般為1.25 V，輸入FB腳的整流電壓為0 V，參考電壓的負載反饋電阻的電流必須小于500 μA，R5的典型阻值為12 kΩ，由R6=Vout/（Vref/R5）可以得出R6為2.88MΩ。

Max1847為高頻開關控制器，因此需要采用高速整流管，UF1M為超快速反向整流管，反向耐壓為1000V，最大反向恢復時間為75ns。

Max1847為外部環(huán)路補償PWM開關控制器，這種特性可以使得控制器適用各種開關電源拓撲結構。正確的環(huán)路補償可以避免不穩(wěn)定引起的較大的輸出電壓紋波及電源的低效率。補償網(wǎng)絡的目的是要消除傳輸函數(shù)中不需要的零點及極點，在環(huán)路增益為1的頻率，確保系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的總開環(huán)相位延時小于360°。為了使系統(tǒng)各個器件工作在最惡劣的情況下仍能保持穩(wěn)定，通常的設計準則是使系統(tǒng)至少有 35°～45°的相位裕量。

3 反激變壓器設計

在反激變換器中，副邊反射電壓即反激電壓Vf與輸入電壓之和不能高過主開關管的耐壓，同時還要留有一定的裕量[6]。反激電壓為

圖2 基于Max1847的核儀器高壓電源電路圖

設計所選用的場效應管Vdds為30V，因此確定反射電壓Vf=20V。原、副邊的匝比由反激電壓和輸出電壓的關系確定，所以確定了反激電壓之后，就可以確定原、副邊的匝比。根據(jù)

可求得匝比為1∶15。

反激電源的最大占空比出現(xiàn)在最低輸入電壓、最大輸出功率的狀態(tài)下，根據(jù)在穩(wěn)態(tài)下變壓器的磁平衡，可以有

根據(jù)公式可得出Dmax=83.33%。

設變換器效率為80%，則有

求得變壓器初級電感為118.7μH。

4 性能測試分析

負載調整率也稱為負載效應，當負載變化時，往往引起輸出電壓的變化，這種變化按百分比計算，就是負載調整率[7]。表1為電源負載調整率的測試結果。測試結果顯示高壓電源負載調整率＜1%，有著很好的負載調整率。

表1 電源負載調整率（輸入電壓為5V）

電壓調整率也稱為線路調整率或源效應。當輸入電壓變化時，往往引起輸出電壓的微小變化，把輸出電壓隨輸入電壓變化的百分比稱為線路調整率[8]。表2為電壓調整率的測試結果，電壓調整率＜0.1%。

表2 電源電壓調整率（輸出電流為1.25mA）

表3 電源效率（負載電阻為240kΩ）

電源效率是指輸出功率與輸入功率之比[9-10]。表3為電源效率的測試結果，高壓電源效率高于60%。

紋波是疊加在直流輸出電壓上的交流成份，這個測量在額定負載和常溫下進行，常用毫伏有效值和毫伏峰-峰值表示[11]。在輸入電壓5V，高壓電源滿載的情況下紋波峰-峰值為100mV，低紋波的高壓電源適合高精度的劑量檢測儀器應用。

5 結束語

從性能測試分析及實際應用中可以得出，基于Max1847的核儀器高壓電源有以下特點：（1）結構簡單，所需元器件少，易于小型化，適合于便攜式核儀器的應用；（2）采用了閉環(huán)反饋控制，具有很高的穩(wěn)壓精度，穩(wěn)壓精度可以控制在±1%內；（3）有著很好的負載調整率及電壓調整率，輸入電壓較寬，適合低電壓核儀器系統(tǒng)設計；（4）有較快的響應速度，輸出電壓可控，適合智能核儀器設計；（5）輸出紋波小，可以讓核儀器運行得更加穩(wěn)定可靠。

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