射線探測儀器的高壓電源研制及性能改進(jìn)

陳佳星，龍顯彪

（東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000）

1 總體設(shè)計思路

(1)研發(fā)具有穩(wěn)定性好、噪聲低且體積小，使用方便等特點的射線探測儀器高壓電源是本項目的主要目的。其主要設(shè)計思路為：電源由蓄電池或干電池供電，經(jīng)DC穩(wěn)壓電路得到儀器正常使用時的電壓，當(dāng)需要較高電壓進(jìn)行測量時，利用DC/AC轉(zhuǎn)換得到交變信號，再通過升壓電路升壓，得到高壓信號。這時的高壓信號還需要經(jīng)過倍壓和整流電路的處理，得到穩(wěn)定高壓。

(2)電路組成：

2 各部分電路功能設(shè)計

(1)輸入切換電路：正常情況下的供電是由蓄電池完成，當(dāng)儀器不方便充電時才由切換電路使用干電池維持儀器的正常工作，此部分只需要一個切換開關(guān)即可完成所需功能。

(2)DC穩(wěn)壓電路：目前市場上的穩(wěn)壓芯片種類繁多，此處我們選用凌特的LT1111芯片作為升壓IC。該芯片是高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器，該芯片能在較寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)穩(wěn)定和高效的工作，并且不需要任何外部補(bǔ)償電路，可滿足單節(jié)干電池的應(yīng)用。經(jīng)過DC穩(wěn)壓電路，得到儀器正常使用時的工作電壓5V。

(3)DC/AC振蕩器和升壓電路：在此設(shè)計中DC/AC振蕩器和升壓電路時結(jié)合在一起的（圖1），LT1111是一種門控振蕩器型的開關(guān)電源調(diào)整芯片。這種結(jié)構(gòu)消耗的電源電流非常小，因為只有當(dāng)反饋腳的電壓低于參考電壓時LT1111中的開關(guān)才會啟動調(diào)整工作。芯片具體的工作原理見圖1。其中，比較器A1是調(diào)整器的核心，它的兩個輸入端分別連到反饋腳 (FB)和芯片內(nèi)置的1.25V基準(zhǔn)參考電壓上，A1將反饋腳(FB)上的電壓(由輸出端反饋回來)與1.25V參考電壓相比較。當(dāng)FB腳上的電壓低于1.25V時，A1就會啟動芯片內(nèi)部72kHz的振蕩器；驅(qū)動放大器將振蕩器的輸出信號放大，以驅(qū)動輸出級的NPN型功率開關(guān)。功率開關(guān)輸出的結(jié)果是輸出電壓和FB腳上的電壓都得到了提高。當(dāng)FB腳上的電壓大到可以觸發(fā)比較器A1翻轉(zhuǎn)的時候，振蕩器就會被A1關(guān)閉。不過比較器A1會延遲一點時間后才翻轉(zhuǎn)，這樣可以令整個環(huán)路保持穩(wěn)定。這個延遲設(shè)計是在芯片內(nèi)部完成的，不需要在芯片外部再作額外的頻率補(bǔ)償。一般情況下，LT1111內(nèi)的振蕩器的啟動時間和關(guān)閉時間均為7s。另外，當(dāng)比較器輸出為低的時候，振蕩器及其它各功耗較高的電路都會被關(guān)閉，使得LT1111的靜態(tài)電流降到300A。

圖1 LT1111工作原理圖

圖1中的增益模塊 A2實質(zhì)上是一個比較簡單的PNP輸入的運算放大器，它的正輸入管腳連在SET管腳上，而其負(fù)輸入管腳連接到芯片內(nèi)部集成的1.25V基準(zhǔn)參考源上。A2的輸出結(jié)構(gòu)為漏極開路輸出，A2可以懸空不用。

圖2 升壓變換器工作原理

LT1111配置成升壓變換器的常用設(shè)計見圖 2。LT1111內(nèi)功率開關(guān)的發(fā)射極(SW2)與地相連，而開關(guān)的集電極(SW1)與電感相連。當(dāng)LT1111片內(nèi)的比較器A1觸發(fā)振蕩器輸出開始調(diào)整時，功率開關(guān)的集電極即SW1管腳為低。這樣，電壓(VIN-VCESAT)將降落在L1上。顯然，L1中將出現(xiàn)一個電流。到開關(guān)即將關(guān)閉前，流經(jīng)L1的電流值為：

隨后開關(guān)立即關(guān)閉，SW1腳上的電壓開始上升，這是因為流經(jīng) L1的電流不可能立即消失。當(dāng)該管腳電壓上升到(VOUT＋VD)時，電感中的電流將經(jīng)由二極管D1流入電容C1，使輸出電壓VOUT上升。這個過程將在LT1111的控制下反復(fù)進(jìn)行，而控制的條件就是保持VFB與LT1111內(nèi)部的基準(zhǔn)參考源的電壓1.25V相等。那么，修改R1或R2的值都可以改變輸出電壓值，如下式所示：

經(jīng)過升壓后，我們可以得到較高的電壓值，此處我們選擇R1和R2的阻值比為23，則Vout就為30V。還需要倍壓整流電路才能得到我們想要的電壓。

(4)倍壓整流電路:在升壓的基礎(chǔ)上，我們經(jīng)過一個經(jīng)典的倍壓電路就可以把電壓升到理想值了。下面是倍壓電路的結(jié)構(gòu)：

此圖中，升壓后的信號由a、b點輸入，在節(jié)點b、e接輸出，可以3倍的電壓。最后的電壓90V。

(5)取樣反饋電路：電壓經(jīng)過放大后，需要引入負(fù)反饋使整個電源輸出處于穩(wěn)定狀態(tài)。比較器 A1是調(diào)整器的核心，見圖1，它的兩個輸入端分別連到反饋腳(FB)和芯片內(nèi)置的1.25V基準(zhǔn)參考電壓上，A1將反饋腳(FB)上的電壓(由輸出端反饋回來)與1.25V參考電壓相比較。當(dāng)FB腳上的電壓低于1.25V時，A1就會啟動芯片內(nèi)部72kHz的振蕩器；驅(qū)動放大器將振蕩器的輸出信號放大，以驅(qū)動輸出級的NPN型功率開關(guān)。功率開關(guān)輸出的結(jié)果是輸出電壓和 FB腳上的電壓都得到了提高。當(dāng)FB腳上的電壓大到可以觸發(fā)比較器A1翻轉(zhuǎn)的時候，振蕩器就會被A1關(guān)閉。不過比較器A1會延遲一點時間后才翻轉(zhuǎn)，這樣可以令整個環(huán)路保持穩(wěn)定。這個延遲設(shè)計是在芯片內(nèi)部完成的，不需要在芯片外部再作額外的頻率補(bǔ)償。

這樣，電源在經(jīng)過DC穩(wěn)壓，振蕩和升壓電路的作用,倍壓整流以及取樣反饋的穩(wěn)定后，得到設(shè)計所需的電壓值90V,這就是測氡儀所需的高壓。

3 結(jié)語

本課題最后的完成情況并不很好，只是在理論上有了整體的思路，在實物制作能力方面還是欠缺很多，實驗過程中毀壞了很多器件，焊接完畢卻得不到理想的結(jié)果。最后保存下來的實物性能也并不穩(wěn)定。但是，通過這幾個月的設(shè)計，筆者覺得真的學(xué)到了好多以前自己不知道的東西。以前的學(xué)習(xí)過程中由于做的都是一些工程比較小的任務(wù)，并且也都是做某一個部分，所以在這次實習(xí)過程中要學(xué)的東西真的不少，現(xiàn)在強(qiáng)烈感覺到，以前學(xué)的東西真的很重要，因為一個整體系統(tǒng)的設(shè)計牽涉到的知識是方方面面的，如果有哪一塊的知識掌握的不夠牢固或者說不夠透徹，可能在設(shè)計的過程中就會被絆住腳步，亂了手腳，以前學(xué)的知識只是一些基礎(chǔ)，也就是說只是讓思想和思維熟悉這方面的東西，到了真正動手做東西的時候，才能更好地展開和結(jié)合新的知識，不僅是對知識的掌握，更多的是對知識的運用。想想原來所學(xué)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)，當(dāng)時學(xué)的時候并沒有想過學(xué)這個是怎么用，在哪些方面用，在哪些方面適合用，只知道跟著學(xué)，學(xué)書上的東西，在實習(xí)過程中，才慢慢了解到，每一個自己學(xué)過的東西，都有一定的適用范圍，每一個東西，都有自己的優(yōu)點和缺點，就像這次的課題設(shè)計所用設(shè)計方法，這些都是經(jīng)過比較才確定的，并不是說想到用這個做就用這個做，應(yīng)該結(jié)合當(dāng)前發(fā)展情況和資源的利用性以及揚長避短來考慮問題，來選擇合適的方法方案。以后工作后也同樣是得這樣考慮的。因為本次課題設(shè)計的主要任務(wù)是完成射線探測儀器的高壓電源的設(shè)計，其中筆者的主要任務(wù)是用設(shè)計出整體電路，然后各個模塊進(jìn)行細(xì)化設(shè)計，最后再整合各部分完成最終的設(shè)計任務(wù)。這在平時只是弄懂原理就可以，可這一次不同了，要自己去選擇芯片，制作出合理的硬件電路。雖然結(jié)果并不滿意，但是筆者還是得到了很多經(jīng)驗教訓(xùn)。

[1]陳偉，方方.便攜式核儀器電源的設(shè)計.

[2]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.