射線探測儀器的高壓電源研制及性能改進

陳佳星，龍顯彪

（東華理工大學，江西 撫州 344000）

1 總體設計思路

(1)研發具有穩定性好、噪聲低且體積小，使用方便等特點的射線探測儀器高壓電源是本項目的主要目的。其主要設計思路為：電源由蓄電池或干電池供電，經DC穩壓電路得到儀器正常使用時的電壓，當需要較高電壓進行測量時，利用DC/AC轉換得到交變信號，再通過升壓電路升壓，得到高壓信號。這時的高壓信號還需要經過倍壓和整流電路的處理，得到穩定高壓。

(2)電路組成：

2 各部分電路功能設計

(1)輸入切換電路：正常情況下的供電是由蓄電池完成，當儀器不方便充電時才由切換電路使用干電池維持儀器的正常工作，此部分只需要一個切換開關即可完成所需功能。

(2)DC穩壓電路：目前市場上的穩壓芯片種類繁多，此處我們選用凌特的LT1111芯片作為升壓IC。該芯片是高效的DC/DC轉換器，該芯片能在較寬的負載電流范圍內穩定和高效的工作，并且不需要任何外部補償電路，可滿足單節干電池的應用。經過DC穩壓電路，得到儀器正常使用時的工作電壓5V。

(3)DC/AC振蕩器和升壓電路：在此設計中DC/AC振蕩器和升壓電路時結合在一起的（圖1），LT1111是一種門控振蕩器型的開關電源調整芯片。這種結構消耗的電源電流非常小，因為只有當反饋腳的電壓低于參考電壓時LT1111中的開關才會啟動調整工作。芯片具體的工作原理見圖1。其中，比較器A1是調整器的核心，它的兩個輸入端分別連到反饋腳 (FB)和芯片內置的1.25V基準參考電壓上，A1將反饋腳(FB)上的電壓(由輸出端反饋回來)與1.25V參考電壓相比較。當FB腳上的電壓低于1.25V時，A1就會啟動芯片內部72kHz的振蕩器；驅動放大器將振蕩器的輸出信號放大，以驅動輸出級的NPN型功率開關。功率開關輸出的結果是輸出電壓和FB腳上的電壓都得到了提高。當FB腳上的電壓大到可以觸發比較器A1翻轉的時候，振蕩器就會被A1關閉。不過比較器A1會延遲一點時間后才翻轉，這樣可以令整個環路保持穩定。這個延遲設計是在芯片內部完成的，不需要在芯片外部再作額外的頻率補償。一般情況下，LT1111內的振蕩器的啟動時間和關閉時間均為7s。另外，當比較器輸出為低的時候，振蕩器及其它各功耗較高的電路都會被關閉，使得LT1111的靜態電流降到300A。

圖1 LT1111工作原理圖

圖1中的增益模塊 A2實質上是一個比較簡單的PNP輸入的運算放大器，它的正輸入管腳連在SET管腳上，而其負輸入管腳連接到芯片內部集成的1.25V基準參考源上。A2的輸出結構為漏極開路輸出，A2可以懸空不用。

圖2 升壓變換器工作原理

LT1111配置成升壓變換器的常用設計見圖 2。LT1111內功率開關的發射極(SW2)與地相連，而開關的集電極(SW1)與電感相連。當LT1111片內的比較器A1觸發振蕩器輸出開始調整時，功率開關的集電極即SW1管腳為低。這樣，電壓(VIN-VCESAT)將降落在L1上。顯然，L1中將出現一個電流。到開關即將關閉前，流經L1的電流值為：

隨后開關立即關閉，SW1腳上的電壓開始上升，這是因為流經 L1的電流不可能立即消失。當該管腳電壓上升到(VOUT＋VD)時，電感中的電流將經由二極管D1流入電容C1，使輸出電壓VOUT上升。這個過程將在LT1111的控制下反復進行，而控制的條件就是保持VFB與LT1111內部的基準參考源的電壓1.25V相等。那么，修改R1或R2的值都可以改變輸出電壓值，如下式所示：

經過升壓后，我們可以得到較高的電壓值，此處我們選擇R1和R2的阻值比為23，則Vout就為30V。還需要倍壓整流電路才能得到我們想要的電壓。

(4)倍壓整流電路:在升壓的基礎上，我們經過一個經典的倍壓電路就可以把電壓升到理想值了。下面是倍壓電路的結構：

此圖中，升壓后的信號由a、b點輸入，在節點b、e接輸出，可以3倍的電壓。最后的電壓90V。

(5)取樣反饋電路：電壓經過放大后，需要引入負反饋使整個電源輸出處于穩定狀態。比較器 A1是調整器的核心，見圖1，它的兩個輸入端分別連到反饋腳(FB)和芯片內置的1.25V基準參考電壓上，A1將反饋腳(FB)上的電壓(由輸出端反饋回來)與1.25V參考電壓相比較。當FB腳上的電壓低于1.25V時，A1就會啟動芯片內部72kHz的振蕩器；驅動放大器將振蕩器的輸出信號放大，以驅動輸出級的NPN型功率開關。功率開關輸出的結果是輸出電壓和 FB腳上的電壓都得到了提高。當FB腳上的電壓大到可以觸發比較器A1翻轉的時候，振蕩器就會被A1關閉。不過比較器A1會延遲一點時間后才翻轉，這樣可以令整個環路保持穩定。這個延遲設計是在芯片內部完成的，不需要在芯片外部再作額外的頻率補償。

這樣，電源在經過DC穩壓，振蕩和升壓電路的作用,倍壓整流以及取樣反饋的穩定后，得到設計所需的電壓值90V,這就是測氡儀所需的高壓。

3 結語

本課題最后的完成情況并不很好，只是在理論上有了整體的思路，在實物制作能力方面還是欠缺很多，實驗過程中毀壞了很多器件，焊接完畢卻得不到理想的結果。最后保存下來的實物性能也并不穩定。但是，通過這幾個月的設計，筆者覺得真的學到了好多以前自己不知道的東西。以前的學習過程中由于做的都是一些工程比較小的任務，并且也都是做某一個部分，所以在這次實習過程中要學的東西真的不少，現在強烈感覺到，以前學的東西真的很重要，因為一個整體系統的設計牽涉到的知識是方方面面的，如果有哪一塊的知識掌握的不夠牢固或者說不夠透徹，可能在設計的過程中就會被絆住腳步，亂了手腳，以前學的知識只是一些基礎，也就是說只是讓思想和思維熟悉這方面的東西，到了真正動手做東西的時候，才能更好地展開和結合新的知識，不僅是對知識的掌握，更多的是對知識的運用。想想原來所學的模擬電子技術和數字電子技術，當時學的時候并沒有想過學這個是怎么用，在哪些方面用，在哪些方面適合用，只知道跟著學，學書上的東西，在實習過程中，才慢慢了解到，每一個自己學過的東西，都有一定的適用范圍，每一個東西，都有自己的優點和缺點，就像這次的課題設計所用設計方法，這些都是經過比較才確定的，并不是說想到用這個做就用這個做，應該結合當前發展情況和資源的利用性以及揚長避短來考慮問題，來選擇合適的方法方案。以后工作后也同樣是得這樣考慮的。因為本次課題設計的主要任務是完成射線探測儀器的高壓電源的設計，其中筆者的主要任務是用設計出整體電路，然后各個模塊進行細化設計，最后再整合各部分完成最終的設計任務。這在平時只是弄懂原理就可以，可這一次不同了，要自己去選擇芯片，制作出合理的硬件電路。雖然結果并不滿意，但是筆者還是得到了很多經驗教訓。

[1]陳偉，方方.便攜式核儀器電源的設計.

[2]華成英，童詩白.模擬電子技術基礎(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.