銫原子鐘電子倍增器可調高壓電源設計

趙玉龍,陳 江,馬 沛,劉志棟,汪東軍,董鵬玲,王 驥,薛曉慧

(蘭州空間技術物理研究所,蘭州 730000)

0 引言

電子倍增器一種具有電子放大功能的真空器件,在真空環境下,電子倍增器可以對光子、電子、離子等粒子進行探測[1]。銫原子鐘以電子倍增器作為核心檢測部件,將銫離子流信號放大105倍[2],實現銫原子躍遷信號的放大輸出。

電子倍增器工作時,由于帶電粒子長期打在其表面,使其表面結構發生變化、增益衰減,引起銫原子的躍遷信號下降[3],導致銫原子鐘的指標下降。為了解決倍增器增益衰減,需要增加電子倍增器的工作電壓來維持倍增器增益始終不變,從而輸出一個穩定的躍遷信號。因此,電子倍增器需要一個電壓可調的高壓電源供電[4],使銫原子鐘能長期穩定工作。銫原子鐘電子倍增器的工作電壓范圍一般為-1 100～-2 600 V,電流小于0.1 mA。同時,倍增器電源的紋波影響銫原子鐘的穩定度指標。

為了解決空間銫原子鐘電子倍增器的供電需求,提出一種電壓可調的高壓電源設計方案。分流調整電路實現電源電壓的閉環控制。變壓器結合倍壓整流電路實現高壓輸出。遙測電路實現電源的輸出電壓遙測。該方案解決了空間銫鐘電子倍增器的電源需求,也可用于星上其他小電流型高壓可調電源的設計。

1 高壓電源指標分析

銫原子鐘電子倍增器的放大倍數與其工作電壓之間的關系[5]如式(1)所示

式中:M——倍增器的放大倍數;A——倍增器電子收集率常數;V——倍增器的工作電壓;k——增益指數,與倍增器的材料有關,k=0.8;n——倍增器的級數。

從式(1)可知,電子倍增器的放大倍數和工作電壓的kn次方指數變化。因此,為了使電子倍增器輸出穩定,其工作電壓應保持穩定。工作電壓變化引起的放大倍數變化如式(2)所示

式中:n——倍增器的級數,9。

為了保證銫鐘的穩定度指標,得出電子倍增器工作電壓的穩定度應比測量精度低一個數量級。信號處理電路先將倍增器輸出信號放大2 155 倍,再用16 位模數轉換器測量,電子倍增器高壓電源的紋波應遠小于測量精度。

銫原子鐘電子倍增器的電壓工作范圍為-1 100～-2 600 V,需要設計一種大于該范圍的受控高壓電源,因此在設計時將倍增器電源的輸出電壓范圍設置在-316～-3 080 V。電源的控制信號來自銫鐘伺服電路0～5 V 的模擬信號;輸入電壓來自星上直流+42 V 電源;倍增器的負載大于60 MΩ,所以電流小于0.1 mA;高壓電源應能夠輸出電子倍增器電壓的遙測信息。電源輸出電壓為-3 080 V 時,輸出紋波應小于10 V;綜上電子倍增器高壓電源的需求如表1 所示。

表1 電子倍增器的高壓電源主要性能指標Tab.1 Main performance index of electron multiplier high voltage power supply

2 高壓電源電路設計

常用的可調高壓電源方案是用脈寬調制(Pulse-Width Modulation,PWM)閉環控制輸出一個直流中間電壓,再用開關變換放大中間直流電壓輸出高壓[6]。該方法會導致電源調整線性度低,并且PWM 環路控制易受干擾而引入噪聲[7]。在空間應用中,常采用高升壓比變壓器或變壓器副邊多繞組串聯的方式實現高電壓變換,高升壓比變壓器繞制時對制造工藝要求較高[8]。

為了提高電子倍增器高壓電源的可靠性,采用高壓艙和低壓艙兩艙設計,將低壓電路組件與高壓電路組件物理隔離。高壓電源框圖如圖1 所示。低壓部分由分流調整電路和遙測電路構成,低壓部分電路放置于低壓艙。分流調整電路完成對變壓器的輸入端電壓調整,實現了輸出電壓的閉環控制。遙測電路輸出倍增器電源的遙測值。高壓部分由變壓器和倍壓整流電路構成,高壓部分電路放置于高壓艙。利用變壓器進行電壓放大,運用多級倍壓整流電路串聯完成高壓輸出[9]。

圖1 可調高壓電源框圖Fig.1 Block diagram of adjustable high voltage power supply

2.1 分流調整電路

分流調整電路通過調整變壓器的輸入端電壓來實現輸出高壓調整,分流調整電路原理如圖2 所示。

圖2 分流調整電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of shunt regulation circuit

分流電阻R1與分流調整管Q1 以并聯的形式接入到電源輸入電壓Vi與輸入地之間,形成并聯分流電路,故稱為分流調整電路。工作原理為,分流調整電路根據控制電壓Vc將輸入電壓Vi調整至輸出電壓V1。

OA1 為運算放大器,R2和R3將電壓V1調整至反饋電壓Vf,形成求差電路。Vc為控制電壓。流經電阻R1的電流Ii分成兩路Ic和Ir,根據節點電流可得Ii=Ic+Ir,其中Ii=(Vi-V1)/R1,Ir=(R2+R3+RT)V1/(R2+R3)RT,RT為變壓器的等效輸入電阻。由于等效負載電阻RT遠小于R2與R3的串聯值,故Ir≈V1/RT。分流調整管Q1 以驅動電流Ib作為驅動信號,Ib=(Vb-0.7)/R4,Q1 集電極電流Ic與基極電流Ib的關系為Ic=βIb,β為三極管的放大倍數,即Ic=β(Vb-0.7)/R4,可得到輸出電流與輸入電流的關系如式(3)所示

式中:Vi——輸入電壓,42 V;R1——分流電阻,100 Ω;RT——變壓器輸入端等效負載電阻,360 Ω;β——調整管電流放大倍數,100;R4——驅動電阻,3.3 kΩ。

運放OA1 的輸出Vb與輸入的關系如式(4)所示

式中:Rf——反饋電阻,51 kΩ;Ri——輸入電阻,2 kΩ;R3——分壓電阻,3 kΩ;R2——分壓電阻,16 kΩ。

將式(4)代入式(3)中得出輸出電壓V1與輸入電壓Vi及控制電壓Vc的關系如式(5)所示

式中:Vc——控制電壓,0～5 V。

由式(5)得控制電壓在0～5 V 時,分流調整電路輸出的電壓V1在3.16～30.8 V 之間,分流調整電路實現了變壓器輸入端電壓的閉環控制。

2.2 電壓變換電路

高壓輸出電路由電壓變換電路和倍壓整流電路組成,原理如圖3 所示。考慮到電源的輸出為可調高壓,若用增加次級繞組匝數比的方法獲取高壓輸出,會使得變壓器的次級繞組過多,由于變壓器寄生電容的影響,將導致變壓器的損耗和輸出噪聲過大[10,11]。采用Buck 推挽拓撲結構實現了電壓變換,再將電壓放大到一定的交流電壓后再采用倍壓整流的方式實現負高壓輸出。該方案變壓器升壓比低,變壓器制造難度較低[12]。

圖3 電壓變換及倍壓整流電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of voltage conversion and doubling rectifier circuit

電壓變換電路由PWM 發生器UC1825 和變壓器組成,UC1825 輸出兩路互補的PWM 波形驅動變壓器。變壓器的磁芯選用Philips 公司TN29/19/7.5。變換電路采用50%固定占空比的Buck 推挽變換拓撲,變壓器的輸出電壓為初級線圈輸入電壓與匝數比的乘積[10]。變壓器輸出電壓均值如式(6)所示

式中:V1——變壓器輸入端電壓,范圍為3.16～30.8 V;D——Buck調節器的占空比,D=50%;T2——變壓器副邊匝數;T1——變壓器原邊繞組匝數,T2與T1的比值為25。

由式(6)得變壓器輸出V2的電壓范圍為39.5～385 V。變壓器繞組的引出線需要保持一定的距離,防止引出線間被電壓擊穿[13]。

2.3 倍壓整流電路

倍壓電路采用了4 級Cockcroft-Walton 倍壓整流電路。倍壓整流電路輸出電壓值如式(7)所示

式中:m——倍壓整流級數,4;V2——變壓器輸出電壓,為39.5～385 V。

由式(7)可得高壓電源Vo的輸出范圍為-316～-3 080 V。

為了滿足銫鐘穩定度指標需求,倍增器高壓電源輸出的紋波應小于10 V。倍壓整流電路輸出紋波電壓與濾波電容的關系如式(8)所示

式中:Vr——輸出紋波電壓;Id——電源最大輸出電流,0.1 mA;f——整流二極管的工作頻率,75 kHz。

通過式(8)得到電容的計算如式(9)

式中:Vr——紋波電壓,Vr＜10 V。

由式(9)得C＞1.0 ×10-9F,設計中高壓倍壓整流電路中電容取值為2.2 nF。高壓電源輸出回線(電源地)由瞬態抑制二極管和電容接到機殼(機殼地),該電路降低了共模輸出噪聲。通過倍壓整流電路,高壓輸出電路實際輸出紋波電壓低于5 V。

倍壓電路中整流二極管的反向電壓為Vrrm=1 000/0.6=1 667 V,正向電流按照IF=10 mA 計,選用快恢復整流二極管,其參數:Vrrm=2 500 V,IF=100 mA,trr≤150 ns,滿足使用要求。

2.4 遙測電路

高壓電源的負載RL是星載銫鐘的電子倍增器。遙測電路輸出的遙測量Vt,可以指示出當前倍增器的電壓,從而判斷銫原子鐘當前的工作狀態,也可用來評估銫原子鐘壽命。遙測電路原理圖如圖4 所示。

圖4 遙測電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of telemetry circuit

遙測電路由一個運放和電阻組成的小信號放大電路。其中Rc為采樣電阻。通過調整外圍電阻,使運算放大器的輸出Vt為0～5 V,對應的倍增器電源電壓為-316～-3 080 V,得到輸出遙測值與倍增器電源電壓的關系如式(10)所示

式中:Vo——電子倍增器電源實際輸出電壓;Vt——遙測電壓。

3 試驗數據及結果分析

倍增器高壓電源的主要性能指標測試數據如表2 所示。銫鐘倍增器可調高壓電源的電壓輸出受控,當控制電壓為0～5 V 時,高壓電源的實際輸出電壓范圍為-306～-3 150 V。倍增器電源輸出電壓為3 150 V 時,噪聲為3.23 V,遙測電壓范圍為0～4.95 V。達到設計指標要求。

表2 主要性能指標測試數據Tab.2 Main performance indicators test data of power supply

銫鐘電子倍增器遙測電壓值如圖5 所示,倍增器電源的遙測電壓由2.55 V 變化到3.12 V。按照遙測電壓與倍增器電源電壓的關系,用式(10)計算得到倍增器電源輸出電壓由-1 726 V 變化到-2 041 V。倍增器電壓增幅符合倍增器增益衰減的規律,銫原子鐘工作正常,頻率穩定度為:1.90E-12@1 s;2.49E-12@10 s;1.02E-12@100 s;2.96E-13@1 000 s。

圖5 星載銫鐘電子倍增器遙測電壓值結果圖Fig.5 Telemetry voltage values result of the spaceborne cesium clock electron multiplier

4 結束語

針對星載銫鐘電子倍增器需要可調高壓電源,設計了一種輸出電壓為-306～-3 150 V 的可調的高壓電源,首先提出了一種基于分流調整的電路,完成了高壓電源的電壓調整,實現了高壓電源輸出的閉環控制。其次給出了變壓器的設計方法和驅動方案。此外倍壓整流電路完成高壓電源的放大及輸出,輸出紋波低于3.23 V,保證了銫鐘的穩定度指標不受電源輸出紋波帶來的影響。最后給出了輸出高壓的遙測電路,實現了倍增器電源的電壓遙測。倍增器電源隨國產星載銫原子鐘于2019 年搭載北斗三號導航衛星進行了在軌驗證,銫原子鐘穩定度指標合格[14,15]。提出的設計方案不僅解決了星載銫鐘電子倍增器的電源需求,也可用于星上其他小電流型高壓可調電源的設計。