陳良洲，魯猛，陳有林

（華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，湖北武漢 430070）

雪崩光電二極管（APD）是一種基于強(qiáng)電場(chǎng)作用下的雪崩倍增效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)增益的新型光敏元件，具有量子效率高、靈敏度高、線性工作范圍大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于微弱光信號(hào)檢測(cè)、單光子探測(cè)、微光成像等領(lǐng)域[1-4]。APD 的倍增效應(yīng)與其擊穿電壓和所施加的反向偏壓有關(guān)，并且不同的偏壓大小還決定著APD 的工作模式，包括普通二極管模式、線性模式和蓋革模式[5-6]，分別適用于不同的工作場(chǎng)合。以激光測(cè)距系統(tǒng)為例，為完成對(duì)激光回波信號(hào)的檢測(cè)，APD 所需反向偏壓通常在幾十伏到幾百伏之間，對(duì)于許多輸入電壓在12 V 以下并且要求輸出紋波小于10 mVpp 的光模塊中，該偏壓電源的設(shè)計(jì)成為一大難點(diǎn)。并且，APD 的擊穿電壓會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化[7-8]，因此要想使APD 保持穩(wěn)定的增益，該偏壓電源還需具備動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能。為解決上述問題，該文基于低壓芯片TPS61175 對(duì)該APD 偏壓電源進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 基于TPS61175的BOOST電路拓?fù)?/h3>

TPS61175是一款具有集成式3 A、40 V 電源開關(guān)的單片異步DC-DC 穩(wěn)壓器，采用電流模式PWM 控制調(diào)節(jié)輸出電壓，可配置成BOOST、SEPIC 和隔離反激式等多種標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)洌哂袑捿斎腚妷骸⒏唠娫崔D(zhuǎn)換率、過流限制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換、工業(yè)電源系統(tǒng)等場(chǎng)合。

圖1 所示為TPS61175 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及BOOST 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，其工作原理為：PWM 控制器通過比較誤差放大器EA 輸出的誤差電流信號(hào)和電感電流采樣信號(hào)，以確定輸出PWM 信號(hào)的占空比，進(jìn)而控制NMOS 開關(guān)管的通斷狀態(tài)。當(dāng)N-MOS 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，SW 引腳內(nèi)部接地，電源電壓施加在電感L1兩端，隨著電感電流的增大而存儲(chǔ)能量。在此期間，負(fù)載電流由輸出電容C2提供。當(dāng)電感電流增大到誤差放大器所設(shè)置的閾值水平時(shí)，PWM 控制器控制N-MOS管關(guān)閉，此時(shí)外部肖特基二極管D1 正向?qū)ǎ娫茨芰恳约半姼兴鎯?chǔ)能量將被用來補(bǔ)充輸出電容C2并同時(shí)提供負(fù)載電流。上述過程隨著PWM 的信號(hào)周期不斷重復(fù)進(jìn)行。

圖1 TPS61175內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及BOOST轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

電阻R1、電容C4構(gòu)成LC 濾波器，用以降低輸出電壓紋波，需注意的是，LC 濾波器應(yīng)該放在分壓反饋電阻之后，否則可能會(huì)導(dǎo)致升壓環(huán)路反應(yīng)過慢，進(jìn)而導(dǎo)致較大的紋波或者損壞倍壓二極管。此外，在占空比大于50%的峰值電流模式控制中，為了避免固有的次諧波振蕩，需要進(jìn)行斜坡補(bǔ)償[9-11]。因此，由TPS61175 內(nèi)置振蕩器產(chǎn)生的斜坡補(bǔ)償信號(hào)與電感電流采樣信號(hào)疊加后，可用來提供斜坡補(bǔ)償。

1.2 電路設(shè)計(jì)與原理分析

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，TPS61175 的推薦限制輸出電壓為38 V，為實(shí)現(xiàn)更高的升壓效果，這里引入電荷泵倍壓整流電路[12-13]，其工作原理是利用二極管的單向?qū)ㄌ匦裕瑢㈦娫措妷嘿A存在各個(gè)跨接的電容上，每個(gè)電容根據(jù)極性相加原理進(jìn)行串接，可實(shí)現(xiàn)二倍壓、三倍壓甚至多倍壓的效果。這種電容型倍壓電路的優(yōu)勢(shì)在于，無論升壓倍數(shù)有多大，在輸入電源上都不會(huì)出現(xiàn)過高的沖擊電壓，這樣就能采用低壓芯片設(shè)計(jì)出更高輸出電壓的電源。表1 給出了升壓電路的設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)，基于TPS61175 的BOOST 升壓及電荷泵倍壓電路如圖2 所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)

在圖2 中，二極管D2～D7 構(gòu)成四倍壓電路；電感L2、電容C9構(gòu)成一級(jí)LC 濾波電路；電阻Rfreq用于設(shè)置開關(guān)頻率；電阻Rcomp和電容Ccomp、Ccomp1構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，用以保證反饋回路的穩(wěn)定性和最佳瞬態(tài)響應(yīng)；輸出電壓經(jīng)外部電阻Rfbt、Radj和Rfbb分壓后反饋到FB 引腳，并與內(nèi)部1.229 V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，用以調(diào)節(jié)輸出電壓，其調(diào)節(jié)關(guān)系為：

L1為升壓電感，其選擇將影響電路的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、暫態(tài)行為和回路穩(wěn)定性，是升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中最重要的組成部分之一。電感的選擇需考慮3 個(gè)重要參數(shù)：電感大小、直流電阻和飽和電流，可用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

圖2 基于TPS61175的BOOST升壓及電荷泵倍壓電路

在式（2）中，VD為二極管D1 正向壓降，fsw為開關(guān)頻率，ηest為轉(zhuǎn)換效率，POUT為輸出功率，RPL%為電感紋波電流相對(duì)電感最大輸入電流的比例。通常建議升壓電感應(yīng)高于4.7 μH，否則可能導(dǎo)致斜率補(bǔ)償不足和環(huán)路不穩(wěn)定。CIN、COUT分別表示輸入電容和輸出電容，建議使用容量4.7 μF 以上、材質(zhì)為X5R或X7R的高質(zhì)量陶瓷電容，以盡量減少電容隨溫度升降的變化，實(shí)際應(yīng)用可能還需添加額外的輸入電容來滿足紋波或瞬態(tài)要求。表2 為部分選型設(shè)計(jì)結(jié)果。

表2 部分選型設(shè)計(jì)結(jié)果

2 SPICE仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 輸出電壓及紋波的仿真分析

圖3 所示為基于SPICE 模型的輸入輸出電壓仿真結(jié)果，其中將可調(diào)電阻Radj調(diào)節(jié)為零，輸入電壓為12 V，測(cè)得TPS61175 直接輸出電壓為45.3 V，四倍壓電路后的輸出電壓為178.8 V，與理論計(jì)算一致。由于TPS61175 最大輸出電壓限制為38 V，為避免芯片損壞，可通過加大保護(hù)電阻Rfbt以限制最大輸出電壓。

圖3 輸入輸出電壓仿真

圖4 所示為輸出紋波電壓的瞬態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果，通過光標(biāo)可測(cè)量出相應(yīng)的紋波大小，測(cè)量結(jié)果如表3 所示。在最大輸出電壓下，TPS61175 的直接輸出電壓紋波約為6.4 mV，經(jīng)四倍壓電路后，輸出紋波增大到49.44 mV，但是經(jīng)一級(jí)LC 濾波電路濾波，紋波大小將從49.44 mV 降4.54 mV，滿足大部分型號(hào)的APD 對(duì)電壓紋波的要求。

圖4 輸出紋波瞬態(tài)仿真

表3 紋波測(cè)量結(jié)果

2.2 電路特性參數(shù)的仿真分析

本節(jié)對(duì)偏壓電源的工作模式、開關(guān)頻率及占空比與輸入輸出電壓的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析，將輸入電壓改為5 V，輸出端接電流源負(fù)載用以模擬APD輸出光電流，其余參數(shù)不變。仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 電感電流與PWM信號(hào)波形圖

其中IL1為電感電流，SW 表示TPS61175 內(nèi)置開關(guān)管的通斷狀態(tài)，當(dāng)SW 為高電平時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，表明此時(shí)PWM 處于低電平狀態(tài)，反之亦然。截取19.770～19.776 ms 時(shí)間段的穩(wěn)態(tài)工作波形進(jìn)行分析，由圖可知電感電流波形存在過零點(diǎn)，表明BOOST 電路工作于DCM 模式，通過光標(biāo)可測(cè)量出電感充電時(shí)間TON=591.24 ns，放電時(shí)間T′OFF=72.99 ns，PWM 信號(hào)的周期T=1.46 μs，計(jì)算其倒數(shù)可得PWM 開關(guān)頻率為685 kHz，與表2 計(jì)算結(jié)果一致。DCM 模式下BOOST 電路的輸出電壓VOUT和輸入電壓VIN的關(guān)系可用式（3）表示[14-16]：

其中，D表示PWM 控制信號(hào)的占空比，ΔD表示升壓電感L1的放電時(shí)間，分別用式（4）、式（5）表示：

根據(jù)式（3）、式（4）、式（5）可計(jì)算出輸入輸出電壓關(guān)系為：

圖6 所示為電源模塊的測(cè)試環(huán)境，使用雪崩光電二極管作為負(fù)載，使用衰減比為1∶1 的電壓探頭進(jìn)行測(cè)量，示波器帶寬限制設(shè)置為20 MHz。

圖6 電源模塊測(cè)試環(huán)境

測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8 所示，可見最大輸出電壓為178 V，最大紋波為17.6 mV。如果電壓探頭使用短地線測(cè)量，或使用二級(jí)LC 濾波，則可獲得更低的紋波值。

圖7 最大輸出電壓

圖8 輸出電壓紋波

3 結(jié)束語

該文基于BOOST 升壓及電荷泵倍壓電路原理，應(yīng)用低壓芯片TPS61175 設(shè)計(jì)出了具有寬輸入輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍、低電壓紋波的APD 偏壓電源模塊。該模塊工作于DCM 模式，輸入電壓范圍5～12 V，可調(diào)輸出電壓范圍達(dá)21.73～178.2 V，經(jīng)一級(jí)LC 濾波后的最大輸出紋波為17.6 mVpp，小于輸出電壓的0.1%，可滿足大部分型號(hào)APD 的使用要求，具有體積小、紋波低和成本低的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于各種光模塊的設(shè)計(jì)中。