摘 要:介绍了一种基于脉宽调制( PWM) 技术的高电压、低电流稳压电源,主要用于光电倍增管等光电探测器的高压偏置源。采用集成电路控制方案,由PWM集成控制器SG3524产生脉宽可调制的矩形波控制信号,选用自制的高频变压器实现脉冲升压,通过倍压整流方式实现直流高压输出。经过实验测试,当输出高压为1 200 V时,输出电压稳定度高,纹波系数小于1%。该电源的性能稳定可靠,可用作多种便携式探测设备中的高压偏置源。
关键词:开关电源;脉宽调制;倍压整流;变压器;光电倍增管
中图分类号:TN86文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)02-201-04
Design of High_voltage Power Supply in Photomultiplier
XIA Jiangtao,FANG Runchen,YUAN Changbin
(College of Electronic & Information Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing,210044,China)
Abstract:A high_voltage under_current stable power based on PWM technology is introduced,which is principally used as the photoelectric detector′s high_voltage power such as photomultiplier.The switching mode power adopts integrated circuit ,which is integrated controller SG3524,producing pulse_width modulating squarewave control signal.The power supply adopts homemade high_frequency transformer to realize step_up pulse and get the high_voltage output by voltage doubling rectifying circuit.In the experiment,the output is high stable and the ripple factor is less than 1%.The power is stable and reliable,it can be used as the portable detection equipment′s high_voltage power.
Keywords:switching mode power supply;pulse width modulation;voltage doubling rectifying circuit;transformer;photomultiplier
0 引 言
便携式设备应具备体积小,轻便、移动性好等优点。在便携式光电探测系统中,广泛使用高电压、低电流的小功率电源作为光电探测器的高压偏置源,但高压供电电源往往体积较大,质量较重,且需要工频交流电源来供电。这大大限制了设备工作的灵活性、实时性、环境适应性。为了满足便携式设备的上述要求,设计制作了一种基于PWM技术的高压开关电源。该小型高压电源模块具有稳定性好,响应速度快等优点,能广泛应用于多种精密光电探测系统中,为便携式检测设备的广泛应用提供可靠的技术保障。
1 电路工作原理
针对便携式设备电源的设计要求,采用DC_DC变换器的设计方案,输入直流电压为+12 V,输出电压可调,典型输出为+1 200 V。电路工作原理框图如图1所示。主要由低压直流供电电源;PWM控制电路、功率开关管、高频变压器、倍压整流电路、滤波电路和取样反馈电路组成。+12 V直流输入电压为控制电路和变压器提供工作电源;PWM控制电路的输出信号驱动功率晶体管,为高频变压器提供低压高频方波;高频变压器的交流输出信号通过倍压整流电路得到进一步的升压和整流,输出直流高压信号;高压输出信号经过滤波电路后得到进一步的滤波,有效地减小输出纹波系数;输出电压反馈电路为PWM控制电路提供电压反馈信号,通过与脉冲调制器中误差放大器的基准电压比较,以控制脉冲调制器的输出脉冲占空比,从而达到调节输出电压的目的。
图1 电路工作原理框图
电路设计的核心部分为高频方波电路。由于稳压电源的输出稳定性是重要的设计指标,因此对输入的高频方波频率和功率有一定的要求。否则,即使高频方波的波形很理想,也不能通过变压器升压为理想的稳定电压,对后续的倍压整流电路也有一定的影响。在早期的高频方波电路设计中通常采用成本低,线路简单的Royer电路,但是Royer电路是由分立元件构成的两个对称的部分,要求两个晶体管和各个电阻相等,要做到这一点比较困难,并且Royer电路的效率较低,温升高。555定时器构成的谐振电路也可以很容易地产生频率可调、波形较理想的方波,但是它的输出功率以及频率难以达到驱动升压器的要求。因此,该设计方案中采用开关集成控制器SG3524产生所需的高频方波,并通过大功率晶体管进行功率放大,以满足升压器的输入要求[1-3]。
SG3524是Silicon General公司生产的双端输出式脉宽调制器芯片。它是由双极性工艺制成的模/数混合式集成电路,包含了双端输出开关电源所必须的各种基本电路,适宜构成中小功率推挽输出式开关电源,并且可利用高频变压器实现电气隔离,能省掉体积庞大的工频变压器。SG3524的内部结构框图如图2所示。它主要包括九个部分:+5 V基准电压源、内部振荡器、误差放大器、PWM比较器、限流比较器、触发器、或非门电路、驱动管、关断电路。
图2 SG3524内部结构框图
SG3524采用DIP16封装。其中,第1,2 脚分别为误差放大器的反向输入端和同向输入端,在设计中通过电阻R3和R4对基准电压+5 V实现串联分压,取1.5 V作为同向输入信号,反向输入信号来自于输出电压反馈;第6,7脚分别接定时电阻Rt和定时电容Ct;CA,CB,EA,EB分别为内部两只驱动管的集电极和发射极。由于触发器输出一对互补信号,通过或非门电路后,两只驱动管的控制信号互补,因此两只驱动管交替导通。在串联调节器应用中,两路驱动管可以并联使用,所以可以得到的输出占空比为0~90%,输出信号的频率等于振荡器频率;在推挽式电路应用中,两路驱动管交替工作,单路输出的占空比为0~45%,整体频率为振荡器频率的1/2。该设计中,采用推挽式工作方式,由两路驱动管交替驱动后续的功率晶体管电路。电路设计原理如图3所示[4-6]。
2 电路设计要点
2.1 PWM集成控制器的工作方式
电源对集成控制器的基本要求是功耗小,器件数目少,属电压型控制。该设计中选用的SG3524采用推挽式工作模式,两个输出端互补,交替输出高低电平。1.5 V参考基准采用内置的精密基准电压源串联分压得到。SG3524芯片的工作频率可调,最大内部振荡频率为300 KHz,由外接定时电阻Rt和定时电容Ct决定,其频率估算公式为:
f=1.18/(RtCt)(1)
式中:Rt的阻值范围是1.8～100 kΩ;Ct的取值范围为0.001～0.1 μF,f的单位为kHz。
如图3所示,在该设计中,取Ct=0.01 μF,Rt=2.4 kΩ,内部振荡器的振荡频率f49.2 kHz,单端的输出脉冲频率为24.6 kHz。
2.2 功率管驱动电路的设计
为提高控制电路的输出驱动能力,使得后续电路能够正常工作(如图3所示),设计中,采用BD137型中功率NPN晶体管构成两级驱动电路,实现功率放大,以有效驱动高频变压器的初级线圈,将低压信号升压为适当的高压,同时起到电气隔离的作用。
2.3 高频变压器的设计
高频变压器初级绕组的匝数可以用下式确定:
Npri=Vin4f0BmaxAc×1093(2)
式中:Npri为匝数;Vin为变压器初级输入电压;Bmax为变压器最大工作磁通密度;Ac为所用磁心的有效截面积。
根据初级绕组匝数可以确定变压器次级绕组匝数,公式如下:
Nsec=Vsec+0.7Vpri/Npri150(3)
式中:Nsec为次级绕组匝数;Vsec为次级绕组输出电压;Vpri为变压器的输入电压。
在该设计中,由于采用推挽式工作方式,变压器初级线圈采用中心抽头、同名端顺接的绕法,如图4所示。变压器初级线圈的中心抽头接12 V直流电源的正极,另外两端分别接入两路功率晶体管的集电极,通过两路晶体管的交替通断,在变压器的次级线圈会产生升压后的交流电压信号。变压器初级线圈的工作波形如图5所示。其中,图5(a)为PWM控制芯片输出最大占空比的情况,占空比约为45%;图5(b)为经过输出电压反馈后,PWM控制芯片对输出脉冲进行脉宽调制后的工作波形,占空比约为25%。单路工作频率约为25 kHz,周期约为40 μs[7-9]。
图3 电路设计原理图
图4 高频变压器的设计原理图
图5 高频变压器初级线圈的工作波形图
2.4 倍压整流和滤波电路的设计
经过高频变压器,低压脉冲信号被升压至较高的交流电压。变压器次级线圈接倍压整流电路,实现AC_DC转换,将变压器次级交流电压转换成低纹波的直流高压,并通过倍压方式进一步提高输出电压。倍压整流电路由二极管和电容器组成,可通过增加二极管和相同数量的电容器获得更高的输出电压。由于倍压整流电路中的电流相对比较大,电压高,工作频率高,因此设计中采用耐压值较高的陶瓷电容器和快恢复型二极管。在倍压整流电路中,电容器的耐压值要比变压器次级电压值高两倍,该设计中采用额定值大于600 V的陶瓷电容器。
电容器的容量与电源的输出直流电流有关,可按照每微安电流1 000 pF电容量配置。如图3所示,在C2,C5电容两端将分别获得变压器输出电压的二倍直流电压,设计中采用4倍压工作方式,即取C2和C5的电压之和作为高压输出。但必须说明,倍压整流电路只能在负载较轻(即Rfz较大,输出电流较小)的情况下工作,否则输出电压会降低,而且倍压越高的整流电路,因负载电流增大导致输出电压下降的情况越明显。为了进一步减小输出电压的纹波,滤除输出高压信号中的高频干扰成分,设计中采用π型低通滤波器,由电容器C6,C7和电感器L1组成。
2.5 取样反馈电路的设计
如图3所示,该电路的取样反馈网络由10 MΩ电阻R11和20 kΩ可调电阻R12组成。高压输出经串联衰减之后,取样电压经电压跟随器隔离反馈后,从SG3524芯片的第1脚输入,采用电压负反馈方式,控制调制脉冲的占空比,进而调节输出电压,达到稳压的目的。SG3524芯片的1脚为内部误差放大器的反向输入端,第2脚为同向输入端,接电阻R4上的1.5 V电压作为基准。若输出电压偏高,则采样反馈的电压信号也偏高,与误差放大器的基准电压比较后的输出降低,导致脉冲占空比减小,引起输出电压下降,反之亦然。R12是可调电阻,可通过调节R12,调节输出电压的大小[10]。
3 电路性能测试
电路的高压输出通过取样电阻R12调节,改变可变电阻R12的值可以改变输出电压,所得实验波形如图6所示。
其中,图6(a)是取样电阻R12约为13 kΩ时的输出电压波形图。由图6(a)可知,输出电压具有较好的稳定性,同时,由图6(b)中的输出电压波形局部放大图可见,在输出电压约为1 200 V时,可变电阻电压为1.58 V,电压波动在±15 mV内。由此可知,其最大输出电压波动系数小于1%。
图6 可调电阻R12为13 kΩ时的输出电压波形
4 讨 论
在电路设计及调试中必须注意以下几点:
(1) 在推挽式PWM变换器中,当两个正激变换器不完全对称平衡时,易产生直流偏磁现象。经过几个开关周期,积累的偏磁会使磁心进入饱和状态,导致高频变压器励磁电流过大,甚至损坏开关器件。
因此,在推挽式电路的设计中,需要注意电路的对称性。可以采用串联电容的方法将初级中的直流分量滤除,也可以采用磁饱和检测电路,当两个支路电流失衡时,启动控制芯片的软启动功能,使DC_DC变换器重新启动复位。
(2) 在电路调试过程中,一定要使输出功率晶体管工作在饱和状态,以提高前级电路的驱动能力。
(3) 可通过调节电位器R12的阻值,小范围地调整输出电压。
(4) 也可以通过调节电位器R5,R8,R9,R10的阻值,调整输出电压,但要确保电路满足第(1)点的要求。
(5) 从理论角度,倍压整流电路可以采用多级,但是由于高阶倍压整流电路的带载能力很差,因此在实际电路中级数不要太高,应根据实际需求设置。
(6) 高频变压器有利于减小电路的体积,而变压器的初级和次级线圈匝数应根据实际需求情况计算确定。
(7) 可以考虑适当调节SG3524的输出方波频率,以适应与变压器性能的匹配,达到稳定升压的目的。
5 结 语
设计的光电倍增管高压开关电源采用集成电路控制方案,由PWM集成控制器SG3524产生可调制的矩形波控制信号,选用自制的高频变压器实现隔离升压,采用倍压整流的设计方案实现多级直流电压输出。经过实验测试,在输出典型值电压1 200 V时,输出电压的稳定度高,纹波系数小于1%,能够满足多种便携式光电探测设备中高压偏置源的需求,同时满足了便携式系统具有重量轻,响应速度快,稳定性好,可靠性高等特点的要求。
参 考 文 献
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