低噪聲光電倍增管的高壓電源研制

成都理工大學(xué)地學(xué)核技術(shù)四川省重點實驗室 張 橋

高壓直流電源是核輻射測量儀器的關(guān)鍵部件，針對于應(yīng)用光電倍增管的核輻射探測器，本文設(shè)計了一種高壓直流電源，具有體積小、效率高、噪聲低的特點，通過調(diào)節(jié)外部輸入基準(zhǔn)電壓可實現(xiàn)輸出高壓0～1000V可調(diào)。為達(dá)到高效率、低紋波的設(shè)計要求，設(shè)計了采用PWM控制方式的開關(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，開關(guān)噪聲低。通過NE555產(chǎn)生脈沖信號和N溝道的MOSFET作為逆變電路的驅(qū)動電路，二次升壓通過倍壓整流電路實現(xiàn)，最后通過二階RC濾波電路濾除紋波輸出直流高壓。最終測試結(jié)果，通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓可實現(xiàn)輸出高壓實現(xiàn)0～1000V可調(diào)，靜態(tài)功耗不超過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)用于核輻射探測領(lǐng)域。光電倍增管在使用中需要高壓偏置電場，高壓電源的穩(wěn)定性與噪聲大小都將影響信號的質(zhì)量。高壓電源紋波噪聲不能完全去除，設(shè)計高壓電源時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%，針對光電倍增管對高壓直流電源的性能要求，設(shè)計了一種低紋波、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)計主要由驅(qū)動電路、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，通過對Adj引腳輸入控制電壓，可對應(yīng)得到0V至1kV電壓輸出。本設(shè)計采用PWM控制方式，通過NE555產(chǎn)生的脈沖信號，驅(qū)動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，通過自激振蕩實現(xiàn)第一次升壓，倍壓整流電路對諧振產(chǎn)生的交流電壓進(jìn)行二次升壓，最后通過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

2.1 驅(qū)動電路

圖1 電路整體示意圖

圖2 驅(qū)動電路

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)計采用NE555和N溝道MOSFET作為驅(qū)動電路，為了降低引入的開關(guān)噪聲，在MOSFET柵極接一個小電容到地，這樣可以延緩PWM的跳變時間，在一定程度上抑制了開關(guān)噪聲，采用這樣的結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)低紋波、高效率的設(shè)計。NE555通過外圍電阻、電容來實現(xiàn)脈沖頻率調(diào)節(jié)，通過反饋到控制引腳的電壓來調(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)計的要求。核心逆變電路由一個基極電阻，兩個三極管，一個諧振電容和高頻變壓器組成。由于不可能存在兩個性能參數(shù)完全相同的三極管，電路啟動的時候，兩個三極管基極流入的電流將會存在差異，兩個三極管集電極的電流也絕對不會相等。若流過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。輔助繞組上因為磁通的變化會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢會對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)電動勢也隨之反向，驅(qū)動另一只三極管導(dǎo)通，兩只三極管輪流導(dǎo)通、截止在變壓器初級繞組上形成振蕩，振蕩頻率f由諧振電容C1變壓器初級線圈電感L決定。如圖3所示。

提高諧振頻率時可以提高電源效率，但是頻率提高是有限度的。因為提高頻率可通過降低電感和減小電容來實現(xiàn)，當(dāng)諧振電容取值過小，會導(dǎo)致整個電源的負(fù)載能力變得很差，使得電源整體性能下降。電容取值過大會導(dǎo)致初級銅損變大，使得整體效率變低。所以通常采用減小電感的方式來提高頻率，當(dāng)電感量過小的時候，漏感的影響就會變大。所以將振蕩頻率選擇在220kHz左右，這樣的設(shè)計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，無法通過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)計采用倍壓整流電路，該電路對于倍壓電容的耐壓要求不會超過兩倍的次級峰值電壓降低了設(shè)計難度。倍壓電路倍增級數(shù)過大，會增大跌落電壓，降低負(fù)載能力，四倍壓電路是本設(shè)計的一個合理選擇。實際電路選用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

將輸出高壓通過高壓電阻采樣，將采樣電壓反饋到LM358的負(fù)相端，通過與正相端給定的Adj控制電壓相比較，產(chǎn)生控制電壓輸出到NE555的控制端，實現(xiàn)對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，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 性能測試

3.1 穩(wěn)定性測試

通過Adj端口調(diào)壓，將高壓電源升壓到1000V，用數(shù)字高壓表對輸出電壓進(jìn)行測量。對電路做穩(wěn)定性測試，每隔半小時記錄一次高壓表數(shù)值，連續(xù)監(jiān)測8h，測量結(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)計將沒有意義。帶負(fù)載能力實際指的就是電流輸出能力，本電源設(shè)計主要應(yīng)用于光電倍增管，通常使用時輸出電壓較高，所以測試了最大輸出電壓下的帶負(fù)載能力，測試結(jié)果如表1所示。

表1 帶負(fù)載能力測試

3.3 效率測試

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。本文通過精密電流表和數(shù)字高壓表直接測量輸入、輸出的電流和電壓來計算電源效率。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量紋波噪聲。本文測試了不同輸出電壓下的紋波噪聲，測試結(jié)果如表2所示，紋波噪聲小于0.00077%。

表2 紋波電壓測試結(jié)果

結(jié)論：本文采用NE555和N溝道的MOSFET作為驅(qū)動電路，利用結(jié)構(gòu)簡單、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)計出的高壓直流電源具有效率高、低噪聲、小體積等優(yōu)點。通過測試結(jié)果可以看出設(shè)計的高壓直流電源各項指標(biāo)滿足與應(yīng)用于光電倍增管的要求。