基于Max1847的核儀器高壓電源設(shè)計(jì)

楊 建，鄭永明，黃 平

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

電離室、正比計(jì)數(shù)管和蓋革管等核探測(cè)器是核儀器常用的核輻射探測(cè)器，核輻射探測(cè)器在應(yīng)用過(guò)程中必須設(shè)計(jì)高壓電源系統(tǒng)。核儀器中的高壓電源一般都是由系統(tǒng)中的低壓直流電壓經(jīng)過(guò)高頻振蕩變換成交流電壓，再經(jīng)過(guò)整流濾波成直流高壓，高壓一般為±100～±1 000 V[1]。不同的核輻射探測(cè)器應(yīng)用要求不同的高壓及極性，高壓電源要求電壓穩(wěn)定，低紋波，例如在診斷X射線劑量檢測(cè)中一般采用是0.6 cm3電離室，所采用的電離室高壓要求是-300V。Max1847是一種高效反相電流型PWM開關(guān)控制器，工作電壓為+3.0～+16.5 V，振蕩頻率可以通過(guò)電阻設(shè)置為100～500kHz，具有關(guān)斷功能。它可以應(yīng)用在緊湊和低噪音的反相DC-DC轉(zhuǎn)換器中，適合于便攜帶型核儀器的高壓電源的設(shè)計(jì)，應(yīng)用Max1847可以設(shè)計(jì)出小型、可靠和高精度的劑量檢測(cè)系統(tǒng)高壓電源。根據(jù)核儀器的開發(fā)要求，可以設(shè)計(jì)一種核儀器通用型高壓電源系統(tǒng)：輸入電壓的最小值Vdcmin=4V，最大值Vdcmax=6V，開關(guān)頻率為f=100kHz，輸出電壓Vout=-300V，最大負(fù)載電流Imax=1.25mA，輸出電壓紋波Vp-p≤200mV。

1 開關(guān)電源拓?fù)?/h2>

開關(guān)電源拓?fù)涑Ｓ玫幕就負(fù)浼s有14種，每種拓?fù)涠加衅渥陨淼奶攸c(diǎn)和適用場(chǎng)合[2-3]。在最大輸出功率為5～150 W的低成本電源應(yīng)用中，反激拓?fù)鋺?yīng)用廣泛。反激拓?fù)湮词褂幂敵鲭姼校@樣節(jié)省了成本，減小了體積和反激變壓器中的損耗。它非常適合于輸出電壓高達(dá)400V而輸出功率為較低的15～20W的應(yīng)用場(chǎng)合，因此反激變壓器拓?fù)浞浅＿m用于核儀器高壓電源的設(shè)計(jì)。

圖1為反激式開關(guān)電源電路簡(jiǎn)圖及電壓電流分析圖。下面分析PWM開關(guān)電路的工作原理。功率開關(guān)管Q與變壓器T原邊繞組串聯(lián)。變壓器T用來(lái)存儲(chǔ)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的能量并提供輸入電壓源和輸出電壓之間的隔離。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為Ton，繞組同名端相對(duì)于非同名端的電壓極性為正。在Ton期間，二極管D變?yōu)榉聪蚱枚儔浩骺煽醋饕粋€(gè)電感。電感值等于變壓器原邊勵(lì)磁電感Lp，儲(chǔ)存來(lái)自輸入電壓源Vin的磁能。因此，變壓器原邊電流從0線性上升到Ipk，當(dāng)二極管D1變?yōu)榉聪蚱脮r(shí)，負(fù)載電流Iout由輸出電容Cout提供。輸出電容值應(yīng)足夠大，這樣才可保證在Ton時(shí)間內(nèi)提供相應(yīng)的負(fù)載電流，同時(shí)使輸出電壓跌落的程度為所規(guī)定的最大值。通過(guò)輸出電壓的反饋，開關(guān)控制器調(diào)整脈寬的大小從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定[4-5]。

圖1 反激式開關(guān)電源電路簡(jiǎn)圖及電壓電流分析圖

2 主電路設(shè)計(jì)

Max1847采用了電流型PWM控制架構(gòu)，內(nèi)部集成了誤差放大器、電流傳感放大器、斜率補(bǔ)償、誤差比較、振蕩器、關(guān)斷電路、欠壓鎖定及場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)等電路。

如圖2所示，R4為電流采樣電阻，C5、R5和R6為輸出電壓反饋電路，R1為頻率設(shè)置電阻，R2和C3為環(huán)路補(bǔ)償電路，U2為低電壓NMOS管。D1為整流管，選用耐高壓的快速肖特基二極管UF1M，C6為輸出濾波電容。SW為高壓電源控制端，當(dāng)輸入為低電平時(shí)關(guān)閉電源系統(tǒng)的運(yùn)行。

Max1847可以驅(qū)動(dòng)多種類型的P型場(chǎng)效應(yīng)管及N型場(chǎng)效應(yīng)管，由于采用了Flyback電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)該選擇N型場(chǎng)效應(yīng)管。輸入電壓在4～6 V之間，要達(dá)到較好的性能，就必須選擇低柵源電壓及低導(dǎo)通電阻的N型場(chǎng)效應(yīng)管。最大漏源電壓必須要考慮輸入電壓、反激電壓及變壓器漏感引起的電壓尖峰，不能超過(guò)它們的總和，要適當(dāng)?shù)亓粜┯嗔俊?/p>

輸出電壓是通過(guò)電阻分壓實(shí)現(xiàn)的，Vref一般為1.25 V，輸入FB腳的整流電壓為0 V，參考電壓的負(fù)載反饋電阻的電流必須小于500 μA，R5的典型阻值為12 kΩ，由R6=Vout/（Vref/R5）可以得出R6為2.88MΩ。

Max1847為高頻開關(guān)控制器，因此需要采用高速整流管，UF1M為超快速反向整流管，反向耐壓為1000V，最大反向恢復(fù)時(shí)間為75ns。

Max1847為外部環(huán)路補(bǔ)償PWM開關(guān)控制器，這種特性可以使得控制器適用各種開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。正確的環(huán)路補(bǔ)償可以避免不穩(wěn)定引起的較大的輸出電壓紋波及電源的低效率。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的目的是要消除傳輸函數(shù)中不需要的零點(diǎn)及極點(diǎn)，在環(huán)路增益為1的頻率，確保系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的總開環(huán)相位延時(shí)小于360°。為了使系統(tǒng)各個(gè)器件工作在最惡劣的情況下仍能保持穩(wěn)定，通常的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是使系統(tǒng)至少有 35°～45°的相位裕量。

3 反激變壓器設(shè)計(jì)

在反激變換器中，副邊反射電壓即反激電壓Vf與輸入電壓之和不能高過(guò)主開關(guān)管的耐壓，同時(shí)還要留有一定的裕量[6]。反激電壓為

圖2 基于Max1847的核儀器高壓電源電路圖

設(shè)計(jì)所選用的場(chǎng)效應(yīng)管Vdds為30V，因此確定反射電壓Vf=20V。原、副邊的匝比由反激電壓和輸出電壓的關(guān)系確定，所以確定了反激電壓之后，就可以確定原、副邊的匝比。根據(jù)

可求得匝比為1∶15。

反激電源的最大占空比出現(xiàn)在最低輸入電壓、最大輸出功率的狀態(tài)下，根據(jù)在穩(wěn)態(tài)下變壓器的磁平衡，可以有

根據(jù)公式可得出Dmax=83.33%。

設(shè)變換器效率為80%，則有

求得變壓器初級(jí)電感為118.7μH。

4 性能測(cè)試分析

負(fù)載調(diào)整率也稱為負(fù)載效應(yīng)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，往往引起輸出電壓的變化，這種變化按百分比計(jì)算，就是負(fù)載調(diào)整率[7]。表1為電源負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果顯示高壓電源負(fù)載調(diào)整率＜1%，有著很好的負(fù)載調(diào)整率。

表1 電源負(fù)載調(diào)整率（輸入電壓為5V）

電壓調(diào)整率也稱為線路調(diào)整率或源效應(yīng)。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，往往引起輸出電壓的微小變化，把輸出電壓隨輸入電壓變化的百分比稱為線路調(diào)整率[8]。表2為電壓調(diào)整率的測(cè)試結(jié)果，電壓調(diào)整率＜0.1%。

表2 電源電壓調(diào)整率（輸出電流為1.25mA）

表3 電源效率（負(fù)載電阻為240kΩ）

電源效率是指輸出功率與輸入功率之比[9-10]。表3為電源效率的測(cè)試結(jié)果，高壓電源效率高于60%。

紋波是疊加在直流輸出電壓上的交流成份，這個(gè)測(cè)量在額定負(fù)載和常溫下進(jìn)行，常用毫伏有效值和毫伏峰-峰值表示[11]。在輸入電壓5V，高壓電源滿載的情況下紋波峰-峰值為100mV，低紋波的高壓電源適合高精度的劑量檢測(cè)儀器應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

從性能測(cè)試分析及實(shí)際應(yīng)用中可以得出，基于Max1847的核儀器高壓電源有以下特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元器件少，易于小型化，適合于便攜式核儀器的應(yīng)用；（2）采用了閉環(huán)反饋控制，具有很高的穩(wěn)壓精度，穩(wěn)壓精度可以控制在±1%內(nèi)；（3）有著很好的負(fù)載調(diào)整率及電壓調(diào)整率，輸入電壓較寬，適合低電壓核儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（4）有較快的響應(yīng)速度，輸出電壓可控，適合智能核儀器設(shè)計(jì)；（5）輸出紋波小，可以讓核儀器運(yùn)行得更加穩(wěn)定可靠。

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