某探測系統(tǒng)偏壓電源分析與設(shè)計(jì)

席鯤　孫艷華

摘 要：根據(jù)某激光探測系統(tǒng)的原理與工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于LM5002的非隔離式直流升壓及輸出電壓值可控的混合型偏壓電源，為了增加探測系統(tǒng)工作動(dòng)態(tài)范圍給出了探測器偏壓電源的控制方案；同時(shí)用對(duì)應(yīng)濾波電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析計(jì)算。經(jīng)過對(duì)探測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)地分析，該偏壓電源設(shè)計(jì)滿足探測系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞：探測系統(tǒng)；偏壓電源；電路濾波；LM5002

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

激光探測系統(tǒng)是激光制導(dǎo)部件中的重要組成部分，被稱為激光制導(dǎo)炸彈的眼睛，其靈敏響應(yīng)度直接影響命中目標(biāo)的概率。為保證系統(tǒng)能夠有效截獲目標(biāo)，必須保證其探測靈敏度，一般需增加光電二極管（又稱探測器）的偏置電壓以提高其響應(yīng)度[1]。通常光電探測器工作需要專用的偏置電壓源為其提供直流偏置電壓。

四象限激光探測器主要由PN結(jié)發(fā)光二級(jí)管組成，PN結(jié)在外加電壓作用下，空間電荷量及載流子電荷量均發(fā)生變化，因而產(chǎn)生電容效應(yīng)。因此，光電二極管的響應(yīng)速度主要受RC常數(shù)和流入P區(qū)電流IF決定。這里，RC常數(shù)中的R為光電二極管反向偏置時(shí)的負(fù)載電阻，當(dāng)負(fù)載電阻一定時(shí)，影響因素主要是結(jié)電容C，結(jié)電容C為光電二極管反向偏置時(shí)的等效電容。

半導(dǎo)體本身的體電阻和PN結(jié)上的電阻相比是很小的，所以外加正向電壓后，這個(gè)電壓將集中落在PN結(jié)上。由于內(nèi)電場與外電場方向相反，所以PN結(jié)的電場由δ0減小到δ0-δF，在外電路上形成一個(gè)流入P區(qū)的電流IF。外部偏置電壓越大，PN結(jié)電場便進(jìn)一步減弱，擴(kuò)散電流隨之增加，電流IF隨外加電壓急速上升。所以每一種探測器在應(yīng)用中都要提供合適的偏置電壓值。傳統(tǒng)的探測系統(tǒng)偏壓電源一般采用專用的集成電路，其優(yōu)點(diǎn)是使用方便。但并不適應(yīng)小型化、低成本、輸出可控的要求。

1 偏壓電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)特性分析，偏壓電壓主要由輸入濾波電路、電源IC芯片控制電路、功率變換電路、偏壓電源輸出濾波電路及偏壓切換控制電路等組成。其中，IC芯片控制電路是智能開關(guān)電源很重要的部分，是電源系統(tǒng)可靠工作的保證。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的電壓反饋控制閉環(huán)控制電路，通過反饋電路的控制保證輸出電壓的穩(wěn)定性[2]。電路總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 電源IC芯片工作原理介紹

電源IC芯片選用的是TI（Tesas Instruments）的一款高性能頻率、內(nèi)置N-Channel MOSFET控制器的LM5002。該控制器具有寬輸入、輸出可調(diào)等特點(diǎn)，它可以使設(shè)計(jì)者使用最少的外部元件獲得高成本效益的解決方案。LM5002具有8-Lead SO-8及8-Lead LLP[2]表面貼封裝兩種形式，是模擬數(shù)字混合電路，包括精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓器、振蕩器、鎖存器及內(nèi)置N-Channel MOSFET電路等，如圖2所示。

輸出脈沖的寬度是通過振蕩器輸出的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)，IC芯片通過FB、COMP端來調(diào)整SW端輸出值，當(dāng)需要增加PWM脈沖信號(hào)輸出寬度時(shí)只需對(duì)反饋端FB信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，來改變輸出脈沖的寬度，進(jìn)而控制輸出電壓值的大小。COMP端參數(shù)的合理設(shè)計(jì)不僅有助于輸出值的調(diào)整而且還能控制PWM信號(hào)的穩(wěn)定度并且該芯片還具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便及價(jià)格便宜等特點(diǎn)。

3 濾波電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)帶寬20 MHz，振蕩頻率在400 kHz左右，系統(tǒng)工作產(chǎn)生的紋波和噪音及其高次諧波分量將會(huì)對(duì)探測系統(tǒng)工作造成嚴(yán)重的噪聲干擾，影響正常工作[3]。為抑制噪聲影響，在電路上主要采取濾波設(shè)計(jì)使最終輸出紋波峰峰值≤10 mV。

根據(jù)阻抗及負(fù)載阻抗的特點(diǎn)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，比較幾種濾波電路的特點(diǎn)以及根據(jù)探測系統(tǒng)的工作要求，所以電源輸入和輸出采用如下方式：

在偏壓電源的入口處加由電感、電容、共模圈組成的線濾波器，抑制共模雜波干擾，如圖3所示。

4 切換控制電路

偏壓切換電路一般采用繼電器切換方式，這種電路控制方式的最大缺點(diǎn)是輸出信號(hào)的電壓值只有兩種狀態(tài)有或者無，同時(shí)設(shè)計(jì)成本較高，為了降低成本減少元器件及根據(jù)探測系統(tǒng)工作要求，切換后將輸出電壓值保持在2 V，所以選用三極管工作在開關(guān)狀態(tài)下進(jìn)行探測器偏壓的切換。當(dāng)控制端為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通則偏壓電源的輸出由發(fā)射極電阻取樣獲得。

根據(jù)負(fù)載電流的指標(biāo)：1 mA，所以晶體管的集電極電流的最大額定值必須大于1 mA，當(dāng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)電源電壓是加在集電極-發(fā)射極之間，所以選擇晶體管的集電極-發(fā)射極和集電極-基極之間的最大額定值必須大于電源電壓。

5 偏壓電源參數(shù)測試

根據(jù)以上分析及計(jì)算方法設(shè)計(jì)的基于LM5002探測系統(tǒng)偏壓電源，將其與探測系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，給探測器供偏壓及點(diǎn)光源進(jìn)行照射，測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1中可以看出電源輸出電壓調(diào)整率（輸出負(fù)載0.2 mA時(shí)）SV=±0.1%，輸出電壓紋波電壓小于10 mV，用此偏壓電源給探測器供電，探測器輸出值滿足指標(biāo)要求。

當(dāng)給偏壓電源控制端加TTL信號(hào)高電平時(shí)，偏壓電源切換控制部分工作，輸出測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可以可以看出，偏壓電源在TTL控制信號(hào)作用下探測器輸出值發(fā)生了明顯的變化，結(jié)合表1、表2兩組測試數(shù)據(jù)可以計(jì)算出，該探測系統(tǒng)在偏壓電源的控制下動(dòng)態(tài)范圍能夠增加近25 dB，有效調(diào)高了探測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，并且電源噪聲值小于10 mV。偏壓電源設(shè)計(jì)滿足探測系統(tǒng)使用要求。

6 結(jié) 語

本文介紹了基于TI公司電源IC芯片LM5002的非隔離反激式探測系統(tǒng)偏壓電源的分析及設(shè)計(jì)。該探測系統(tǒng)偏壓電源具有使用輸出方便，并且根據(jù)系統(tǒng)的使用功能要求進(jìn)行控制不僅能夠增加探測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，而且經(jīng)過測試，該偏壓電源的輸出值還具有很大的上升空間，通過調(diào)整反饋參數(shù)可以使輸出達(dá)到100 V左右。稍做調(diào)整，還可應(yīng)用于其他探測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%，輸出紋波電壓小于10 mV。并且該種混合電源硬件電路簡單、成本低、體積小以及對(duì)探測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍的控制方法具有一定的參考價(jià)值。

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