磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)高壓掃描電源的設(shè)計(jì)

劉克承，王衛(wèi)國，郭顯鑫，李 斌

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州730000）

1 高壓掃描電源概述

小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)是一種可實(shí)現(xiàn)氣體成分定量分析的質(zhì)譜分析儀器，對(duì)衛(wèi)星飛行軌道上的氣體進(jìn)行采集，氣體進(jìn)入離子源之后，離子源燈絲發(fā)射的電子使氣體分子電離，產(chǎn)生帶正電的離子，帶電離子經(jīng)加速聚焦后引入磁分析器，不同質(zhì)荷比的帶電離子在磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)半徑不同，在某一加速電壓下只有一種離子到達(dá)檢測(cè)器，離子檢測(cè)器檢測(cè)出不同加速電壓下離子流的強(qiáng)度，從而就可得出待測(cè)氣體的成分［1］。

其中高壓掃描電源的主要功能是在質(zhì)譜計(jì)電控單元的控制下完成高壓掃描，為帶電離子在磁場(chǎng)中提供加速電壓。掃描范圍從250～2 500V，默認(rèn)的掃描段數(shù)分為三段，第一段在0V下停留100步，用來測(cè)量背景噪聲；第二段以1V步長從250V掃描到1 000V，共750步；第三段以2V步長從1 000V掃描到2 500V，共750步；所以總步長為1 600步。三段每步的停留時(shí)間默認(rèn)為100ms，所以一次完整的掃描共需要160s，每次開機(jī)完成兩次掃描，共計(jì)3 200步。高壓掃描電源的工作控制曲線見圖1。

圖1 高壓掃描電源的工作控制曲線

2 總體電路設(shè)計(jì)與分析

總的來說質(zhì)譜計(jì)高壓掃描電源有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）輸入電壓范圍比較寬：21.5～32.5V；

（2）輸出電壓比較高：掃描范圍從250～2 500V；

（3）輸出功率較小：輸出電流≤0.1mA；

（4）輸入輸出隔離：輸入地、指令地與輸出地之間的隔離電阻≥10MΩ。

從上述特點(diǎn)分析，總體電路設(shè)計(jì)要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）要適應(yīng)寬輸入電壓應(yīng)用，因此考慮先將變化范圍較寬的輸入母線通過DC－DC變換成穩(wěn)定度為1%的二次母線。這樣做一則給后級(jí)提供穩(wěn)定的輸入母線、二則實(shí)現(xiàn)輸入地與指令地的隔離；

（2）功率變換級(jí)采用固定占空比的變換方式，利用指令調(diào)節(jié)線性可控的二次母線，通過變壓器實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的掃描電壓輸出。變壓器的作用一則是通過變?cè)驯鹊恼{(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)次級(jí)較高壓輸出，二則實(shí)現(xiàn)指令地與輸出地的隔離；

（3）考慮到元器件應(yīng)力水平和可獲得性，輸出級(jí)采用多組2倍壓整流電路串聯(lián)后實(shí)現(xiàn)高壓輸出。即采用多個(gè)變壓器次級(jí)分別進(jìn)行2倍壓整流后再串聯(lián)輸出。

整個(gè)電路的系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 高壓掃描電源的系統(tǒng)框圖

3 串聯(lián)調(diào)節(jié)母線設(shè)計(jì)

串聯(lián)調(diào)節(jié)母線的原理圖見圖3，其工作原理為：V2為串聯(lián)調(diào)整管，接成源極跟隨器形式［2］。N1為運(yùn)算放大器，0～5V的指令信號(hào)和輸出反饋信號(hào)比較后形成差模輸入信號(hào)經(jīng)過N1放大后來調(diào)節(jié)V1的工作點(diǎn)（V1工作在放大區(qū)），R3、R4和V1將母線輸入分壓后來調(diào)節(jié)V2的工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)線性母線輸出，接到變壓器的輸入端。

圖3 串聯(lián)調(diào)節(jié)母線原理圖

功率變換部分采用固定占空比的推挽變換拓?fù)洌捎诓捎霉潭ㄕ伎毡龋雎则?qū)動(dòng)死區(qū)的影響，變壓器每組次級(jí)的輸出電壓（整流前）就是初級(jí)電壓與匝比的乘積關(guān)系［3］。

4 倍壓整流電路設(shè)計(jì)

由于輸出電壓比較高，如果采用通常的增加變壓器變比（即增加次級(jí)繞組匝數(shù)）的辦法，直接（或采用常規(guī)電源中的半波、全波整流方法）獲得高壓輸出，必然使變壓器的次級(jí)繞組匝數(shù)過多，這樣由于變壓器繞組的層間寄生電容和線間寄生電容的影響，在變壓器工作中會(huì)出現(xiàn)很大的充放電電流和噪聲，使變壓器的初級(jí)開關(guān)產(chǎn)生很大損耗，甚至無法正常工作［4］。

依靠變壓器自身來提高輸出電壓的方法已不能滿足要求，在這種情況下為了獲得高壓輸出，需采用倍壓整流電路［2］，利用二極管的單向?qū)ê碗娙莸某浞烹娞匦詠韺?shí)現(xiàn)將變壓器次級(jí)較低電壓倍壓整流成高壓直流電壓輸出。

常用的倍壓整流電路有兩種：一種叫橋式整流，如圖4（a）所示；一種叫梯形整流，如圖4（b）所示。兩種倍壓整流輸出電壓均為 2US（變壓器次級(jí)電壓）［5］，但對(duì)整流電路中元器件的電應(yīng)力要求略有區(qū)別。橋式整流電路中，V1和V2承受的反向電壓基本為輸出電壓、C1和C2承受的電壓為輸出電壓的一半。圖4（a）中從下向上的波形依次為輸出電壓、V1反向電壓、V2反向電壓以及C1和C2的電壓；梯形整流電路中，V1和V2承受的反向電壓基本為輸出電壓、C1承受的電壓為輸出電壓的一半、C2承受的電壓為輸出電壓。圖4（b）中從下向上的波形依次為V1反向電壓、V2反向電壓、C1的電壓以及C2的電壓。經(jīng)過比較，選擇橋式整流，以使輸出電容的應(yīng)力較小。

圖4 常用的倍壓整流電路及其波形

5 變壓器設(shè)計(jì)

變壓器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于輸出級(jí)電壓較高，因此繞組之間的絕緣是需要重點(diǎn)考慮的。在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)主要采用了如下方法和措施：

（1）選用環(huán)形磁芯以減小變壓器漏感；

（2）繞制時(shí)繞組要緊密，盡量將骨架繞滿，減小匝間分布電容的影響［6］；

（3）采用具有高耐壓絕緣漆皮的漆包線，并且由于工作頻率不高，忽略趨膚效應(yīng)，則可以選用較粗線徑的漆包線，其絕緣層相對(duì)細(xì)線徑的漆包線較厚，可以耐更高電壓；

（4）繞組之間采用聚酰亞胺薄膜二次絕緣；

（5）繞制完成后對(duì)變壓器整個(gè)浸漆或用環(huán)氧灌封；

（6）不同繞組的輸出引線保持一定的出線距離，防止引出線間打火。

6 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果

基于變壓器次級(jí)為1組倍壓整流的仿真電路如圖5所示，圖6（a）為變壓器次級(jí)為1組倍壓整流的掃描輸出電壓仿真結(jié)果，圖6（b）為變壓器次級(jí)為5組倍壓整流的高壓掃描電源實(shí)測(cè)波形。圖中坐標(biāo)橫軸為0～5V的指令信號(hào)，縱軸為高壓掃描輸出電壓。

圖5 掃描電壓仿真原理圖

圖6 輸出電壓波形

7 結(jié) 論

本文針對(duì)磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)用高壓掃描電壓的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種線性度較好的數(shù)字可調(diào)式高壓掃描電源。圖2所示的系統(tǒng)，第一級(jí)采用DC－DC電路解決了寬輸入電壓的應(yīng)用；第二級(jí)采用串聯(lián)調(diào)整結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字可調(diào)；第三級(jí)采用多組倍壓整流后串聯(lián)輸出優(yōu)化了高壓電路的設(shè)計(jì)。從電路實(shí)測(cè)的結(jié)果看，掃描電壓的線性度較好，能滿足磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)的工作需要。

［1］The University of Texas at Dallsa Document No.151－070，Lunar Orbital Mass Spectrometer Experiment［J］NASA Contract No.NAS 9－10410.

［2］Paul Horowitz，Winfield Hill著，吳利民，余國文，歐陽華，梅進(jìn)杰 譯.電子學(xué)（第二版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］張占松，蔡宣三著.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)（修訂版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［4］戚 棟，王寧會(huì).實(shí)用電源技術(shù)手冊(cè)特種電源分冊(cè) ［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

［5］李蜀川，楊忠孝，成友才.倍壓整流電路的計(jì)算［J］.川北教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，1：22－23.

［6］袁柱六，郭 靖.一種小功率高壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］.電子元器件應(yīng)用，2008，7：12－14.