空间粒子辐射探测器高压电源设计[J].doc

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12V直流供电变换为-90V直流输出。其电路原理图如图1所示。收稿日期:2007206206基金项目:国家自然科学基金面上项目40674097资助,北京市教委共建项目XK100010404资助。作者简介:于向前(1983-),男,河南南阳人,目前为在校研究生,从事研究方向:空间探测图1HVU电路原理图其中,芯片SG1525是美国硅通公司(Sili2conGeneral)生产的双端输出式定频调宽型脉529宽调制器,其作用是根据采样电路所得反馈电压的大小来控制输出脉冲的宽度。芯片SG1525产生两个频率固定、相位互补、宽度可和同相输入端分别为芯片的1和2脚。E/A的输出送PWM模块,产生同步的脉宽调制信号,然后送到两个或非门电路。两个或非门电路驱动11和14脚输出脉冲信号。13脚为输出电路供电引脚。每个或非门电路有3个输入端,分别接PWM模块、振荡器和触发器,只要有一端呈高电平,输出11和l4脚即为低电平。触发器的两个输出端电平正好相反,使得两个或非门电路交替工作,从而使芯片两个输出端相位互补,即:交替输出脉冲。另外,3脚为芯片同步端,可使振荡器同步;8脚为芯片慢启动F电容器或其它控制电端,一般连接一个5路,使电源加电时缓慢启动;9脚为芯片补偿端,供E/A反馈连接使用;10脚为芯片关闭端,;12脚为()A的反相输入端。当采,与同相端的基准电压进行比较将获得较低的误差电压,由此可降低PWM输出的脉冲宽度。反之,当采样电压变低时,与同相端的基准电压进行比较将获得较高的误差电压,由此可增大PWM输出的脉冲宽度。112开关换能器设计开关换能器是HVU设计的关键。影响开关换能器性能的主要参数是系统工作频率、脉冲占空比和变压器初级线圈的电感量等。我们以电路建模为依据,在试验的基础上,通过数值模拟确定这些参数。开关换能器为两个MOSFET驱动的变压器系统,如图1虚框内所示。它的功能是使低压脉冲/doc/5ddfeff1941ea76e58fa042a.html信号变换为高压的脉冲输出。其中,变压器由两组初级线圈和一组次级线圈组成。两个MOSFET驱动为推挽工作方式,其输入为SG1525的两个独立的相位互补的脉冲信号。1.2.1电路建模分析调的脉冲信号。开关换能器在此脉冲的控制下,产生高压脉冲,经倍压整流器和LC滤波电路后分为两路:一路经过滤波网络后作为HVU的高压直流输出;另一路经采样电路送至SG1525。SG1525根据采样电压的大小,改变送入开关换能器的脉冲宽度。根据输入脉冲宽度不同,开关换能器的输出能量不同,导致输出电压的调整。当HVU的输出由于供电或负载变化等因素而变高时,取样电路获得较高的取样电压,反馈给SG1525的反向输入端(1脚),SG1525就会减小输出的脉冲宽度,从而减小开关换能器的输出能量,导致输出电压下调。反之,当HVU的输出变低时,样电压,反馈给SG1525,出的脉冲宽度量,。、LC滤波、滤波网络和采样电路都是典型电路,本文将重点介绍SG1525,讨论HVU的原理设计和关键参数选取方法。111主芯片SG1525介绍SG1525具有外围电路简单、驱动电流大、温度性能好、工作稳定等优点。HVU充分利用这些优良性能,使电路的设计得到简化,可靠性得到提高。SG1525的内部电路框图如图1的SG1525框所示,包括:稳压电源、振荡器、比较放大器(E/A)、脉冲宽度调制器(PWM)、或非门电路、触发器等部分。稳压电源部分由供电端(15脚)供电,输出 5.1V参考电压(16脚),稳压精度为1%。振荡器先产生0.6V3.5V的锯齿波电压,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由4脚输出;振荡器充放电回路分开,利用5脚和7脚间跨接的电阻RD调节死区时间;振荡频率由SG1525的5脚、6脚外接电容器CT和外接电阻器RT,以及RD决定,其值为:fs=CT(017RT 3RD)由于两组推挽换能过程完全对称,我们只需讨论其中一组,然后把频/doc/5ddfeff1941ea76e58fa042a.html率和占空比乘以2即可得到等效的分析结果。图2所示为单组换能过程中的变压器电路简化模型。其中,L1为初级线圈电感量,L2为次级线圈电感量,R是限流保护电阻。Vi是直流供电电压( 12V)经开关管斩波后的准方波电压信号,其波形如图3所示。Vo为变压器输出。图3中横坐标为时间(t),纵坐标为输入信号电压,T为信号周期,th。一般RT的取值F0.范围为1.8k100k,CT为0.001F,其最高振荡频率为400kHz。E/A的反相1530为脉冲宽度。1.2.2变压器性能试验为了得到变压器的最佳工作频率和最佳初级线圈电感量L1等参数,我们设计进行电路试验,如图4所示。图2换能变压器模型图4变压器性能试验电路图其中:V为正弦信号源,由信号发生器产生;ni为初级线圈圈数;no为次级线圈圈数;Vi为输入电压;Vo为输出电压;R为负载电阻。TX1为变压器,尺寸为8mm4.Vi和输出电压Vo有如下关系:图3级,即:输入输出。对Vi进行傅立叶展开,并且只考虑交流成分。再乘以一个线性转换因子k,即可得到变压器输出电压:=noni(4)Vo=k12m=0jmmL1 R)cos(mt)sin(m(1)其中:=th/T为脉冲占空比;T为周期,=2/T。输出电压的有效值为:T=1,在实其中为变压器效率。理想状态下,与工作频率和铁芯的饱和际中,一般程度有关。铁芯的饱和程度与输入电流和初级线圈的匝数有关。在试验中,我们选取ni分别等于10、15、20、25和30圈,调节Vi但保持V/doc/5ddfeff1941ea76e58fa042a.htmli/ni和no为常数,测量并记录输出电压Vo。根据公式(4)即可计算出变压器的效率。再改变信号频率,就得到了不同初级线圈圈数下,变压器效率与频率f之间的关系,如图5所示。=Va T2Vo(,L1,t)dtm=0=k( mjmL1 R(2)cosmt)2dtsinm由于两组推挽换能过程完全对称,故输出电压有效值应把脉冲频率和占空比变为原来的2倍。即:T=kVa( m=0m2mL1图5变压器效率与频率f的关系曲线j R(3)cos2mt)2dtsin2m设计的关键参数。的函数。这三个参数就是HVUVav是、L1、结果表明:当频率一定时,变压器的效率随圈数增加而升高。圈数少时为线性关系。但是随着圈数增多,将导致磁芯趋向饱和而使效率531与圈数的关系呈非线性。从图5看出,初级线圈取为25圈较为合适,此时初级线圈的电感量为10mH。通常换能器工作于超声波频率。当圈数固定后,在大于20kHz的超音频工作区,频率越高,换能器效率越低。但是,考虑到频率高一些,可以提高后续滤波电路的性能,降低纹波系数。我们选取工作频率70kHz左右,此时变压器的效率为=86%。由于SG1525为两路相差输出,换能器工作在推挽方式,即两组初级线圈交替开断,所以实际上系统的工作频率取35kHz。每组初级线圈圈/doc/5ddfeff1941ea76e58fa042a.html数为13圈,其电感量为5mH。1.2.3数值模拟根据试验选定系统工作频率和变压器初级线圈电感量,但由公式(3)可知,脉冲信号的占空比参数也非常重要。我们采用数值模拟估算最佳的占空比参数。将R=150,=2f,fHz,L=5mH代入式(),项,得到图6Vav与占空比。由图6可知,可调节范围为占空比小于参数名参数值供电电压12V25%的单调增加区域。由经验可知,合适的占空比应取可调节范围最大值的70%左右,即:占空比取5%10%。6Vav与实验验证及讨论根据前面的试验参数和占空比推算结果,我们设计了一个负高压电源,并对其进行性能测试。结果如表1所示。表1实验电源的参数和性能测试结果输出电压-90V占空比6.2%负载调整率5.5电压调整率1.3纹波系数功耗426mWA。注1:负载调整率定义为供电电压不变而负载由空载变为5M时,输出电压的相对变化率,即:输出电流018注2:电压调整率定义为负载不变,供电电压变化25%时输出电压的相对变化率。注3:纹波系数为输出直流电压的交流成分峰峰值与直流电压的比值。由表1可知,根据我们的设计参数制作的高压电源工作稳定,具有较高的负载调整率和电压调整率。纹波系数满足辐射测量要求。由于实验电路没有进行专门的隔离屏蔽措施,所以实际上纹波系数还可以再小些。此HVU设计功耗满足航天仪器设计要求,既节省能源又减少发热量,实际上功耗还与限流保护电阻有关。适当减少限流电阻值可以降低功耗,但牺牲了设备的安全性能。可以使用双端输出式通用电源变换控制芯片SG1525,设计针对空间粒子辐射探测器/doc/5ddfeff1941ea76e58fa042a.html特殊需要的HVU。HVU的关键技术在于换能器部分的设计,需要合理选取系统工作频率、脉冲占空比、变压器初级电感量等参数。本文针对北京首冶公司生产的型号为FUM、尺寸为5328mm12mm4.5mm的铁芯,通过试验得到变压器最佳工作频率为70kHz(或推挽方式35kHz),初级线圈的电感量为10mH(或推挽方式每组5mH);通过理论计算得出最佳脉冲占空比5%10%左右。经过实验表明,根据这些参数设计出较为理想的高压电源(如表1所示)。本文可为将来同类设计工作提供借鉴。参考文献:1CHANGGuo2Ping,CHENHong2Fei,ZOUJi2Qing.SimulationofHighVoltageUnit(HVU)inParticleRadiationDetector(PRD)J.北京大学学报(自然科学版),2006,42(1):1212126.(下转第537页,Continuedonpage537)Abstract:Inthisstudy,weuseMCNPMonteCarlomethodtooptimizethedesignofMarinelliBeaker(MB)ofBGO(Bi4Ge3O12)crystaldetectorwhichoccurs decayfromthegassourceandfurtherproducepositronandthenpositron2electronannihilationtoproduceray.WefirstcalculatethenumberofraytodeterminetherelationbetweenthethicknessofmetallayerofBGOcrystalsdetectorandthepeakvalueefficiencies.Ourresultsshowthatthepeakvalueefficiencyarrivethemaximumvaluepointwhenthemetall/doc/5ddfeff1941ea76e58fa042a.htmlayerwiththicknessof0.7mmto1.0mm.ThenweusethisdimensiontofurtherdesigntheoptimalvolumeofMBwhohashighefficiencyandlowcost.Andthiswillmeettheneedofproductionforthisdetector.Keywords:MonteCarlomethod;detectionefficiency;decay;MarinelliBreaker (上接第532页,Continuedfrompage532)2邱关源.电路M.北京:高等教育出版社,1999年6月第4版.3李超.SG1525A在高压电源中的应用J.火控雷2001年12月.6董运红,赵忠民.J.7,.设计高压稳定电源达技术,2001年9月.4苏开才,毛宗潭.PWMSG1525统中的应用J.船电技术期.5马世俊.,2005年.DesignofHighVoltageUnitinParticleDetectorinSpaceYUXiang2qian,CHENHong2fei,ZOUJi2qing,SHIWei2hong(InstituteofSpacePhysicsandAppliedTechnology,PekingUniversity,Beijing,100871)Abstract:AkindofHighVoltageUnit(HVU)isdesignedbyusingSG1525,whichisusedtoprovidethebiasvoltagetothesoliddetectorsinparticlemeasurementinspace.Theparamete/doc/5ddfeff1941ea76e58fa042a.htmlrsofthetransformerareobtain