一種16mm微光像增強器電源MCP高壓調控電路設計

智 強，倪小兵，延 波，楊 曄，李軍國，姚 澤

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一種16mm微光像增強器電源MCP高壓調控電路設計

智 強1,2，倪小兵2，延 波1,2，楊 曄1,2，李軍國2，姚 澤2

（1. 微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2. 北方夜視科技集團有限公司，云南 昆明 650223）

16mm微光像增強器電源是16mm微光像增強器的重要組成部件，為像增強管提供陰極、微通道板（MCP）、屏極提供所需的工作電壓，實現(xiàn)像增強器的自動亮度控制（ABC）和陰極保護功能。本文通過對16mm微光像增強器MCP高壓的控制方式進行分析研究，利用開關器件隔離控制功能實現(xiàn)MCP高壓的動態(tài)調控，設計一種滿足小體積電源需求的MCP高壓調控電路。

微光像增強器；開關器件；MCP高壓調控

0 引言

微光像增強器是微光夜視技術的核心器件，是一種能夠探測二維弱光圖像的光電器件，它擴大了人眼的視覺功能，把黑暗條件下人眼看不清或看不見的圖像，通過增強轉換成人眼可見的圖像[1]。

微光像增強器主要由微光像增強管和微光像增強器專用電源構成，其中微光像增強管實現(xiàn)器件的光電轉換、電子倍增和成像，微光像增強器專用電源為微光像增強管提供必要的供電電壓和實現(xiàn)控制功能[2]。

16mm微光像增強器是在超二代技術基礎上開發(fā)的新產(chǎn)品，是為適應士兵單兵武器系統(tǒng)而新開發(fā)的小型化微光夜視器件，他的主要目的是為單兵提供小體積、重量輕的夜視器件，并適應大視場微光夜視儀對視場拼接時的需要。向著這一方向，國內外有關公司正在開發(fā)更小體積的像增強管，如14mm、12mm等管型。像管尺寸的減小就意味著超二代像管電源不能滿足更小尺寸的像管裝配要求，需要更簡化的電路形式才能有效縮小電源尺寸，滿足需求。本文著手從超二代電源技術基礎入手，設計一種能夠大幅度減小電源尺寸的MCP高壓調控電路。

1 16mm電源基本原理

16mm電源主要為16mm微光像增強器提供高壓供電以滿足其工作要求，如圖1所示，圖1上半部分為像管的簡單組成；圖1下半部分為16mm電源的核心電路模塊。

16mm電源主要由DC/DC轉換電路、屏極倍壓電路、MCP倍壓電路、陰極倍壓電路、MCP電壓調控電路、負反饋電路、振蕩電路、保護電路等組成。

圖1給出了16 mm電源功能實現(xiàn)所包含的基本電路模塊及關系。

2 MCP高壓調控

MCP是微光像增強器的核心部件，對微光像增強器的增益起著至關重要的作用，因此MCP電壓調控電路對微光像增強器的增益調節(jié)控制起到關鍵作用[3-4]。由于MCP電壓是幾百甚至上千伏的可調高壓，而電路控制信號是1V左右的低壓電信號，這就需要進行隔離控制。傳統(tǒng)控制方式是利用一組振蕩電路來實現(xiàn)電壓調控及高壓隔離控制。這種控制方式負載能力強，進行電壓調控是不會干擾其他控制電路，但是電路復雜，所占空間較多，不能滿足小型化發(fā)展趨勢的要求。16mm微光像增強器所用電源體積遠小于傳統(tǒng)超二代電源尺寸，因此現(xiàn)有電路結構已經(jīng)不能滿足裝配需求。考慮到電源電路中采用的變壓器及倍壓結構難以更改，因此只能從電源控制電路入手解決。本文從MCP高壓控制電路入手，通過改變電壓調控方式減小電路體積，達到小體積電源裝配需求。

3 實現(xiàn)方案

電源電路設計過程中采用一組變壓器振蕩電路實現(xiàn)陰極、MCP、屏極的DC/DC電壓轉換。DC/DC轉換電路如圖2所示，采用了微光電源普遍采用的推挽式振蕩方式[5]，圖1中TR1的1、2、3引腳構成低壓主振蕩繞組；5、6、7引腳構成低壓輔助振蕩繞組；10、11引腳構成陽極高壓振蕩繞組；9、12引腳構成陰極關閉電壓振蕩繞組；4、12引腳構成陰極開啟電壓振蕩繞組；8、12引腳構成MCP電壓振蕩繞組。倍壓電路如圖2所示，采用微光電源普遍采用的信克爾倍壓（并聯(lián)倍壓）方式[6]，將交流信號轉換為直流高壓信號。

本文通過使用高耐壓光耦器件實現(xiàn)隔離控制，通過對倍壓電路輸出的直流高壓進行控制來實現(xiàn)MCP高壓的可調控制。由一個高變比變壓器提供一個交流電壓輸入給MCP倍壓模塊，通過倍壓模塊輸出一個直流高壓，利用開關元件控制輸出大的直流高壓。從開關元件輸出端取樣建立負反饋電路，通過對負反饋電路的控制調整實現(xiàn)開關元件的導通程度的控制，以達到對MCP電壓的控制。為保證控制范圍需求和電路可靠性的要求，光耦輸入采用并聯(lián)方式以保證MCP電壓的控制靈敏度，如圖3所示。

圖1 基于16mm電源基本工作原理框圖

圖2 DC/DC轉換電路與倍壓電路

圖3 MCP電壓調控電路

本電路中采用了TOSHIBA生產(chǎn)的型號為TLP174的光電隔離器件，實現(xiàn)了低壓對高壓的有效控制。因TLP174單只光耦輸出端耐壓為400V，而MCP電壓調控對光耦耐壓要求達到1000V，為了電源的可靠性，3只光耦輸出采用串聯(lián)方式，如圖3中所示；光耦輸入控制電壓一般為1.2～1.4V，如果采用串聯(lián)方式，則超出的電源主供電電壓范圍，故輸入采用并聯(lián)方式。

通過對光耦輸出電壓進行取樣，反饋回運放同向端與反向端屏極取樣信號進行比較，可以得到一個隨屏極亮度變化而改變的控制信號，通過控制信號對光耦進行控制來實現(xiàn)MCP電壓隨亮度變化的調節(jié)MCP電壓調控電路由圖3中1、2、3、1、2、3、4、AR1構成，其1、2、3三只光耦串聯(lián)連接，通過與運放AR1輸出連接的電阻3控制3只光耦內部的光電二極管，實現(xiàn)低壓對MCP高壓的控制；1、4串聯(lián)將MCP輸出電壓（MCP）直接分壓，反饋到運放AR1的同相端，形成負反饋；RW1為MCP電壓調節(jié)電位器，用于設定MCP輸出電壓值；1.25V為電路中的參考基準電壓，經(jīng)RW1分壓后，與負壓反饋信號形成比較，實現(xiàn)對同向端的信號控制。

因電源電路中已經(jīng)采用了1.25V的基準，因此AR1的同相端電壓不會超過1.25V，選擇1和4分壓電阻時，其分壓點電壓不應超過1.25V；MCP電阻通常在80～200MW，電路設計時為了不影響電源的負載性能，選擇的分壓電阻應該大于MCP負載，但分壓電阻選擇太大，取樣電流太小，又會影響電路穩(wěn)定性，因此選擇了500MW和390kW的分壓電阻，MCP電壓在0～1000V變化時，其對應分壓點電壓為0～0.78V，小于1.25V的設計要求；3電阻選擇，因運放最大輸出電流為5mA，而輸出電壓為2.0V，故3阻值應該大于2.0V/5mA，選擇了常用的1kW電阻。

通過搭建試驗電路，最終實現(xiàn)通過調節(jié)RW1使MCP輸出電壓能夠在0～1000V內進行調節(jié)。

4 結論

本文介紹了一種適用于小體積微光像增強器專用電源的MCP電壓調控電路。通過采用TOSHIBA公司生產(chǎn)的型號為TLP174的光電隔離器件，實現(xiàn)低壓信號對高壓輸出的電壓控制。通過上述電路最終實現(xiàn)MCP高壓在0～1000V的調節(jié)范圍，

采用本文電路在滿足電源電壓調控功能的同時，極大地減小了電路的尺寸，建立了微光電源小型化的技術基礎，為微光像增強器拓展小型化和大視場功能提供技術前提。

[1] 向世明. 現(xiàn)代光電子成像技術概論[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2010: 153-161.

XIANG Shiming.[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology press, 2010: 153-161.

[2] 郭暉, 向世明, 田民強. 微光夜視技術發(fā)展動態(tài)評述[J]. 紅外技術, 2013, 35(2): 63-68.

GUO Hui，XIANG Shiming，TIAN Min-qiang, et al. A review of the development of low-light night vision technology[J]., 2013, 35(2): 63-68.

[3] YANG Ye, ZHI Qiang, YAN Bo, et al. Auto-gated power supply for low-light level image[C]//, 2013, 8912: 212-220

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[5] 王俊強. 像增強器用微型高壓電源[J]. 光子學報, 1999, 28(2): 264-266.

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WEN Weifeng, WANG Wei, ZHANG Denghong, et al. Design and realization of multiple-voltage rectifier used in image intensifier[J]., 2009, 26(7): 343-346.

Design of a 16mm Image Intensifier MCP High Voltage Power Control Circuit

ZHI Qiang1,2，NI Xiaobing2，YAN Bo1,2，YANG Ye1,2，LI Junguo2，YAO Ze2

(1. Science and Technology on Low-Light-Level Night Vision Laboratory, Xi’an 710065, China; 2. North Night-Vision Science &Technology Group Corp., Ltd., Kunming 650223, China)

16mm image intensifier power supply is an important part of 16mm LLL image intensifier, which provides working voltage for image intensifier Cathode, MCP, Anode respectively to achieve automatic brightness control(ABC) and image intensifier cathode protection. This paper designs an MCP high voltage control circuit with a small volume meeting the power supply demand through the 16mm LLL image intensifier MCP high voltage control mode analysis, using switch device isolation control function to attain dynamic control of MCP high voltage,.

image intensifier，switch device，MCP high voltage regulation

TN223

A

1001-8891(2017)06-0564-03

2016-08-20；

2017-05-10.

智強（1982-），男，工程師，主要從事電子學在微光夜視技術中的應用研究。E-mail：carefree1026@163.com。