成都理工大學(xué)地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張 橋

高壓直流電源是核輻射測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵部件，針對(duì)于應(yīng)用光電倍增管的核輻射探測(cè)器，本文設(shè)計(jì)了一種高壓直流電源，具有體積小、效率高、噪聲低的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)外部輸入基準(zhǔn)電壓可實(shí)現(xiàn)輸出高壓0～1000V可調(diào)。為達(dá)到高效率、低紋波的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了采用PWM控制方式的開(kāi)關(guān)電源。核心逆變電路采用自激推挽式結(jié)構(gòu)的羅耶諧振電路，該結(jié)構(gòu)電源利用率高，開(kāi)關(guān)噪聲低。通過(guò)NE555產(chǎn)生脈沖信號(hào)和N溝道的MOSFET作為逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路，二次升壓通過(guò)倍壓整流電路實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)二階RC濾波電路濾除紋波輸出直流高壓。最終測(cè)試結(jié)果，通過(guò)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓可實(shí)現(xiàn)輸出高壓實(shí)現(xiàn)0～1000V可調(diào)，靜態(tài)功耗不超過(guò)0.14W，滿功率的工作狀態(tài)下，輸出高壓紋波低于7.8mV，效率達(dá)到60%以上。

光電倍增管入射光子與輸出電流成正比，響應(yīng)時(shí)間短且增益高，由于這些優(yōu)異的特性，光電倍增管廣泛的應(yīng)用于核輻射探測(cè)領(lǐng)域。光電倍增管在使用中需要高壓偏置電場(chǎng)，高壓電源的穩(wěn)定性與噪聲大小都將影響信號(hào)的質(zhì)量。高壓電源紋波噪聲不能完全去除，設(shè)計(jì)高壓電源時(shí)要盡可能的降低紋波。應(yīng)用于光電倍增管的高壓電源紋波一般要小于0.1%，針對(duì)光電倍增管對(duì)高壓直流電源的性能要求，設(shè)計(jì)了一種低紋波、高效率、小體積、高穩(wěn)定性的高壓直流電源，可適用于核儀器探測(cè)器中光電倍增管的偏壓電源需求。

1 電源系統(tǒng)工作原理

該電源設(shè)計(jì)主要由驅(qū)動(dòng)電路、倍壓整流電路、二階RC濾波電路、電阻分壓反饋和控制電路構(gòu)成。采用9V供電，通過(guò)對(duì)Adj引腳輸入控制電壓，可對(duì)應(yīng)得到0V至1kV電壓輸出。本設(shè)計(jì)采用PWM控制方式，通過(guò)NE555產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)N溝道的MOSFET為羅耶諧振電路提供諧振電流。羅耶諧振電路作為核心的逆變電路，通過(guò)自激振蕩實(shí)現(xiàn)第一次升壓，倍壓整流電路對(duì)諧振產(chǎn)生的交流電壓進(jìn)行二次升壓，最后通過(guò)濾波電路得到所需直流高壓。將輸出電壓用高壓電阻分壓采樣反饋至LM358控制芯片，通過(guò)與給定Adj電壓比較，將控制芯片輸出電壓反饋到NE555控制引腳，構(gòu)成閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)，控制輸出的PWM占空比，從而控制羅耶諧振電流，達(dá)到輸出穩(wěn)定電壓的目的。電路整體示意圖如圖1所示。

2 電源主電路設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路

圖1 電路整體示意圖

圖2 驅(qū)動(dòng)電路

圖3 羅耶諧振電路

羅耶諧振電路是一種自激振蕩電路，三極管可工作在線性狀態(tài)下，工作在線性狀態(tài)下可有效地降低電路的諧波分量，但是電源效率不高，為了提高電源的整體效率采用PWM控制方式。本設(shè)計(jì)采用NE555和N溝道MOSFET作為驅(qū)動(dòng)電路，為了降低引入的開(kāi)關(guān)噪聲，在MOSFET柵極接一個(gè)小電容到地，這樣可以延緩PWM的跳變時(shí)間，在一定程度上抑制了開(kāi)關(guān)噪聲，采用這樣的結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)低紋波、高效率的設(shè)計(jì)。NE555通過(guò)外圍電阻、電容來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖頻率調(diào)節(jié)，通過(guò)反饋到控制引腳的電壓來(lái)調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比。如圖2所示。

2.2 羅耶諧振電路

羅耶諧振電路為自激推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電源利用率高、響應(yīng)速度快，適合設(shè)計(jì)的要求。核心逆變電路由一個(gè)基極電阻，兩個(gè)三極管，一個(gè)諧振電容和高頻變壓器組成。由于不可能存在兩個(gè)性能參數(shù)完全相同的三極管，電路啟動(dòng)的時(shí)候，兩個(gè)三極管基極流入的電流將會(huì)存在差異，兩個(gè)三極管集電極的電流也絕對(duì)不會(huì)相等。若流過(guò)Q1的電流較大，Q1集電極電流的變化就決定了變壓器磁通量的方向和大小。輔助繞組上因?yàn)榇磐ǖ淖兓瘯?huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)集電極電流大的三極管形成正反饋，直到該三極管完全導(dǎo)通。此時(shí)輔助繞組的磁通量達(dá)最大值，磁通的變化率反向，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也隨之反向，驅(qū)動(dòng)另一只三極管導(dǎo)通，兩只三極管輪流導(dǎo)通、截止在變壓器初級(jí)繞組上形成振蕩，振蕩頻率f由諧振電容C1變壓器初級(jí)線圈電感L決定。如圖3所示。

提高諧振頻率時(shí)可以提高電源效率，但是頻率提高是有限度的。因?yàn)樘岣哳l率可通過(guò)降低電感和減小電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)諧振電容取值過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電源的負(fù)載能力變得很差，使得電源整體性能下降。電容取值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致初級(jí)銅損變大，使得整體效率變低。所以通常采用減小電感的方式來(lái)提高頻率，當(dāng)電感量過(guò)小的時(shí)候，漏感的影響就會(huì)變大。所以將振蕩頻率選擇在220kHz左右，這樣的設(shè)計(jì)也降低了高頻變壓器的制作難度。

2.3 倍壓整流與濾波電路

需要獲得的輸出電壓較高，無(wú)法通過(guò)羅耶諧振電路一次升壓達(dá)到所需高壓，所以采用倍壓整流電路來(lái)進(jìn)行二次升壓，這樣不僅可以降低高頻變壓器的制作難度，也可減小電源體積。本設(shè)計(jì)采用倍壓整流電路，該電路對(duì)于倍壓電容的耐壓要求不會(huì)超過(guò)兩倍的次級(jí)峰值電壓降低了設(shè)計(jì)難度。倍壓電路倍增級(jí)數(shù)過(guò)大，會(huì)增大跌落電壓，降低負(fù)載能力，四倍壓電路是本設(shè)計(jì)的一個(gè)合理選擇。實(shí)際電路選用2.2nF/400V的陶瓷電容，選用超快恢復(fù)二極管ES1JF。為有效降低輸出紋波，又不影響電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，濾波電路選擇傳統(tǒng)的二階RC濾波。如圖4所示。

圖4 倍壓整流與濾波電路

2.4 控制電路

將輸出高壓通過(guò)高壓電阻采樣，將采樣電壓反饋到LM358的負(fù)相端，通過(guò)與正相端給定的Adj控制電壓相比較，產(chǎn)生控制電壓輸出到NE555的控制端，實(shí)現(xiàn)對(duì)NE555脈沖占空比調(diào)節(jié)。當(dāng)反饋采樣電壓低于給定的Adj控制電壓時(shí)，LM358的輸出電壓升高，使得NE555控制引腳電壓升高，進(jìn)而增大輸出脈沖的占空比，使得電路諧振電流增加直到達(dá)到平衡狀態(tài)。如圖5所示。

3 性能測(cè)試

3.1 穩(wěn)定性測(cè)試

通過(guò)Adj端口調(diào)壓，將高壓電源升壓到1000V，用數(shù)字高壓表對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)量。對(duì)電路做穩(wěn)定性測(cè)試，每隔半小時(shí)記錄一次高壓表數(shù)值，連續(xù)監(jiān)測(cè)8h，測(cè)量結(jié)果如圖6所示，由圖可以看出電源穩(wěn)定性優(yōu)于0.09%/8h。

圖5 控制電路

圖6 電源輸出電壓穩(wěn)定度測(cè)量

圖7 2M負(fù)載下不同輸出電壓效率

3.2 帶負(fù)載能力

帶負(fù)載能力是高壓直流電源極為重要的指標(biāo)，若帶負(fù)載能力極弱，高壓直流電源的設(shè)計(jì)將沒(méi)有意義。帶負(fù)載能力實(shí)際指的就是電流輸出能力，本電源設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于光電倍增管，通常使用時(shí)輸出電壓較高，所以測(cè)試了最大輸出電壓下的帶負(fù)載能力，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 帶負(fù)載能力測(cè)試

3.3 效率測(cè)試

電源效率指的就是高壓直流電源輸出功率與輸入功率的比值，電源效率是高壓直流電源的重要指標(biāo)，高效率電源可降低電源發(fā)熱量，增加電源的穩(wěn)定性。本文通過(guò)精密電流表和數(shù)字高壓表直接測(cè)量輸入、輸出的電流和電壓來(lái)計(jì)算電源效率。在使用2M固定負(fù)載的情況下，調(diào)節(jié)輸出電壓，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，可以看出在輸出帶2M負(fù)載，輸出電壓為1000V，效率達(dá)到了63.3%。

3.4 紋波測(cè)試

高壓直流電源輸出紋波是高壓直流電源極為關(guān)鍵的指標(biāo)，本設(shè)計(jì)的高壓直流電源應(yīng)用于光電倍增管，要求輸出高壓擁有極低紋波噪聲。將高壓電容串聯(lián)在高壓輸出端，由于電容隔直通交，可利用示波器在電容的另一端直接測(cè)量紋波噪聲。本文測(cè)試了不同輸出電壓下的紋波噪聲，測(cè)試結(jié)果如表2所示，紋波噪聲小于0.00077%。

表2 紋波電壓測(cè)試結(jié)果

結(jié)論：本文采用NE555和N溝道的MOSFET作為驅(qū)動(dòng)電路，利用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電源利用率高的羅耶諧振電路作為核心逆變電路，LM358作為控制電路，設(shè)計(jì)出的高壓直流電源具有效率高、低噪聲、小體積等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出設(shè)計(jì)的高壓直流電源各項(xiàng)指標(biāo)滿足與應(yīng)用于光電倍增管的要求。