銫原子鐘電子倍增器可調(diào)高壓電源設(shè)計(jì)

趙玉龍,陳 江,馬 沛,劉志棟,汪東軍,董鵬玲,王 驥,薛曉慧

(蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000)

0 引言

電子倍增器一種具有電子放大功能的真空器件,在真空環(huán)境下,電子倍增器可以對(duì)光子、電子、離子等粒子進(jìn)行探測(cè)[1]。銫原子鐘以電子倍增器作為核心檢測(cè)部件,將銫離子流信號(hào)放大105倍[2],實(shí)現(xiàn)銫原子躍遷信號(hào)的放大輸出。

電子倍增器工作時(shí),由于帶電粒子長(zhǎng)期打在其表面,使其表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、增益衰減,引起銫原子的躍遷信號(hào)下降[3],導(dǎo)致銫原子鐘的指標(biāo)下降。為了解決倍增器增益衰減,需要增加電子倍增器的工作電壓來(lái)維持倍增器增益始終不變,從而輸出一個(gè)穩(wěn)定的躍遷信號(hào)。因此,電子倍增器需要一個(gè)電壓可調(diào)的高壓電源供電[4],使銫原子鐘能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。銫原子鐘電子倍增器的工作電壓范圍一般為-1 100～-2 600 V,電流小于0.1 mA。同時(shí),倍增器電源的紋波影響銫原子鐘的穩(wěn)定度指標(biāo)。

為了解決空間銫原子鐘電子倍增器的供電需求,提出一種電壓可調(diào)的高壓電源設(shè)計(jì)方案。分流調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)電源電壓的閉環(huán)控制。變壓器結(jié)合倍壓整流電路實(shí)現(xiàn)高壓輸出。遙測(cè)電路實(shí)現(xiàn)電源的輸出電壓遙測(cè)。該方案解決了空間銫鐘電子倍增器的電源需求,也可用于星上其他小電流型高壓可調(diào)電源的設(shè)計(jì)。

1 高壓電源指標(biāo)分析

銫原子鐘電子倍增器的放大倍數(shù)與其工作電壓之間的關(guān)系[5]如式(1)所示

式中:M——倍增器的放大倍數(shù);A——倍增器電子收集率常數(shù);V——倍增器的工作電壓;k——增益指數(shù),與倍增器的材料有關(guān),k=0.8;n——倍增器的級(jí)數(shù)。

從式(1)可知,電子倍增器的放大倍數(shù)和工作電壓的kn次方指數(shù)變化。因此,為了使電子倍增器輸出穩(wěn)定,其工作電壓應(yīng)保持穩(wěn)定。工作電壓變化引起的放大倍數(shù)變化如式(2)所示

式中:n——倍增器的級(jí)數(shù),9。

為了保證銫鐘的穩(wěn)定度指標(biāo),得出電子倍增器工作電壓的穩(wěn)定度應(yīng)比測(cè)量精度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。信號(hào)處理電路先將倍增器輸出信號(hào)放大2 155 倍,再用16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量,電子倍增器高壓電源的紋波應(yīng)遠(yuǎn)小于測(cè)量精度。

銫原子鐘電子倍增器的電壓工作范圍為-1 100～-2 600 V,需要設(shè)計(jì)一種大于該范圍的受控高壓電源,因此在設(shè)計(jì)時(shí)將倍增器電源的輸出電壓范圍設(shè)置在-316～-3 080 V。電源的控制信號(hào)來(lái)自銫鐘伺服電路0～5 V 的模擬信號(hào);輸入電壓來(lái)自星上直流+42 V 電源;倍增器的負(fù)載大于60 MΩ,所以電流小于0.1 mA;高壓電源應(yīng)能夠輸出電子倍增器電壓的遙測(cè)信息。電源輸出電壓為-3 080 V 時(shí),輸出紋波應(yīng)小于10 V;綜上電子倍增器高壓電源的需求如表1 所示。

表1 電子倍增器的高壓電源主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance index of electron multiplier high voltage power supply

2 高壓電源電路設(shè)計(jì)

常用的可調(diào)高壓電源方案是用脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation,PWM)閉環(huán)控制輸出一個(gè)直流中間電壓,再用開關(guān)變換放大中間直流電壓輸出高壓[6]。該方法會(huì)導(dǎo)致電源調(diào)整線性度低,并且PWM 環(huán)路控制易受干擾而引入噪聲[7]。在空間應(yīng)用中,常采用高升壓比變壓器或變壓器副邊多繞組串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高電壓變換,高升壓比變壓器繞制時(shí)對(duì)制造工藝要求較高[8]。

為了提高電子倍增器高壓電源的可靠性,采用高壓艙和低壓艙兩艙設(shè)計(jì),將低壓電路組件與高壓電路組件物理隔離。高壓電源框圖如圖1 所示。低壓部分由分流調(diào)整電路和遙測(cè)電路構(gòu)成,低壓部分電路放置于低壓艙。分流調(diào)整電路完成對(duì)變壓器的輸入端電壓調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的閉環(huán)控制。遙測(cè)電路輸出倍增器電源的遙測(cè)值。高壓部分由變壓器和倍壓整流電路構(gòu)成,高壓部分電路放置于高壓艙。利用變壓器進(jìn)行電壓放大,運(yùn)用多級(jí)倍壓整流電路串聯(lián)完成高壓輸出[9]。

圖1 可調(diào)高壓電源框圖Fig.1 Block diagram of adjustable high voltage power supply

2.1 分流調(diào)整電路

分流調(diào)整電路通過(guò)調(diào)整變壓器的輸入端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出高壓調(diào)整,分流調(diào)整電路原理如圖2 所示。

圖2 分流調(diào)整電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of shunt regulation circuit

分流電阻R1與分流調(diào)整管Q1 以并聯(lián)的形式接入到電源輸入電壓Vi與輸入地之間,形成并聯(lián)分流電路,故稱為分流調(diào)整電路。工作原理為,分流調(diào)整電路根據(jù)控制電壓Vc將輸入電壓Vi調(diào)整至輸出電壓V1。

OA1 為運(yùn)算放大器,R2和R3將電壓V1調(diào)整至反饋電壓Vf,形成求差電路。Vc為控制電壓。流經(jīng)電阻R1的電流Ii分成兩路Ic和Ir,根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流可得Ii=Ic+Ir,其中Ii=(Vi-V1)/R1,Ir=(R2+R3+RT)V1/(R2+R3)RT,RT為變壓器的等效輸入電阻。由于等效負(fù)載電阻RT遠(yuǎn)小于R2與R3的串聯(lián)值,故Ir≈V1/RT。分流調(diào)整管Q1 以驅(qū)動(dòng)電流Ib作為驅(qū)動(dòng)信號(hào),Ib=(Vb-0.7)/R4,Q1 集電極電流Ic與基極電流Ib的關(guān)系為Ic=βIb,β為三極管的放大倍數(shù),即Ic=β(Vb-0.7)/R4,可得到輸出電流與輸入電流的關(guān)系如式(3)所示

式中:Vi——輸入電壓,42 V;R1——分流電阻,100 Ω;RT——變壓器輸入端等效負(fù)載電阻,360 Ω;β——調(diào)整管電流放大倍數(shù),100;R4——驅(qū)動(dòng)電阻,3.3 kΩ。

運(yùn)放OA1 的輸出Vb與輸入的關(guān)系如式(4)所示

式中:Rf——反饋電阻,51 kΩ;Ri——輸入電阻,2 kΩ;R3——分壓電阻,3 kΩ;R2——分壓電阻,16 kΩ。

將式(4)代入式(3)中得出輸出電壓V1與輸入電壓Vi及控制電壓Vc的關(guān)系如式(5)所示

式中:Vc——控制電壓,0～5 V。

由式(5)得控制電壓在0～5 V 時(shí),分流調(diào)整電路輸出的電壓V1在3.16～30.8 V 之間,分流調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)了變壓器輸入端電壓的閉環(huán)控制。

2.2 電壓變換電路

高壓輸出電路由電壓變換電路和倍壓整流電路組成,原理如圖3 所示。考慮到電源的輸出為可調(diào)高壓,若用增加次級(jí)繞組匝數(shù)比的方法獲取高壓輸出,會(huì)使得變壓器的次級(jí)繞組過(guò)多,由于變壓器寄生電容的影響,將導(dǎo)致變壓器的損耗和輸出噪聲過(guò)大[10,11]。采用Buck 推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電壓變換,再將電壓放大到一定的交流電壓后再采用倍壓整流的方式實(shí)現(xiàn)負(fù)高壓輸出。該方案變壓器升壓比低,變壓器制造難度較低[12]。

圖3 電壓變換及倍壓整流電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of voltage conversion and doubling rectifier circuit

電壓變換電路由PWM 發(fā)生器UC1825 和變壓器組成,UC1825 輸出兩路互補(bǔ)的PWM 波形驅(qū)動(dòng)變壓器。變壓器的磁芯選用Philips 公司TN29/19/7.5。變換電路采用50%固定占空比的Buck 推挽變換拓?fù)?變壓器的輸出電壓為初級(jí)線圈輸入電壓與匝數(shù)比的乘積[10]。變壓器輸出電壓均值如式(6)所示

式中:V1——變壓器輸入端電壓,范圍為3.16～30.8 V;D——Buck調(diào)節(jié)器的占空比,D=50%;T2——變壓器副邊匝數(shù);T1——變壓器原邊繞組匝數(shù),T2與T1的比值為25。

由式(6)得變壓器輸出V2的電壓范圍為39.5～385 V。變壓器繞組的引出線需要保持一定的距離,防止引出線間被電壓擊穿[13]。

2.3 倍壓整流電路

倍壓電路采用了4 級(jí)Cockcroft-Walton 倍壓整流電路。倍壓整流電路輸出電壓值如式(7)所示

式中:m——倍壓整流級(jí)數(shù),4;V2——變壓器輸出電壓,為39.5～385 V。

由式(7)可得高壓電源Vo的輸出范圍為-316～-3 080 V。

為了滿足銫鐘穩(wěn)定度指標(biāo)需求,倍增器高壓電源輸出的紋波應(yīng)小于10 V。倍壓整流電路輸出紋波電壓與濾波電容的關(guān)系如式(8)所示

式中:Vr——輸出紋波電壓;Id——電源最大輸出電流,0.1 mA;f——整流二極管的工作頻率,75 kHz。

通過(guò)式(8)得到電容的計(jì)算如式(9)

式中:Vr——紋波電壓,Vr＜10 V。

由式(9)得C＞1.0 ×10-9F,設(shè)計(jì)中高壓倍壓整流電路中電容取值為2.2 nF。高壓電源輸出回線(電源地)由瞬態(tài)抑制二極管和電容接到機(jī)殼(機(jī)殼地),該電路降低了共模輸出噪聲。通過(guò)倍壓整流電路,高壓輸出電路實(shí)際輸出紋波電壓低于5 V。

倍壓電路中整流二極管的反向電壓為Vrrm=1 000/0.6=1 667 V,正向電流按照IF=10 mA 計(jì),選用快恢復(fù)整流二極管,其參數(shù):Vrrm=2 500 V,IF=100 mA,trr≤150 ns,滿足使用要求。

2.4 遙測(cè)電路

高壓電源的負(fù)載RL是星載銫鐘的電子倍增器。遙測(cè)電路輸出的遙測(cè)量Vt,可以指示出當(dāng)前倍增器的電壓,從而判斷銫原子鐘當(dāng)前的工作狀態(tài),也可用來(lái)評(píng)估銫原子鐘壽命。遙測(cè)電路原理圖如圖4 所示。

圖4 遙測(cè)電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of telemetry circuit

遙測(cè)電路由一個(gè)運(yùn)放和電阻組成的小信號(hào)放大電路。其中Rc為采樣電阻。通過(guò)調(diào)整外圍電阻,使運(yùn)算放大器的輸出Vt為0～5 V,對(duì)應(yīng)的倍增器電源電壓為-316～-3 080 V,得到輸出遙測(cè)值與倍增器電源電壓的關(guān)系如式(10)所示

式中:Vo——電子倍增器電源實(shí)際輸出電壓;Vt——遙測(cè)電壓。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

倍增器高壓電源的主要性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。銫鐘倍增器可調(diào)高壓電源的電壓輸出受控,當(dāng)控制電壓為0～5 V 時(shí),高壓電源的實(shí)際輸出電壓范圍為-306～-3 150 V。倍增器電源輸出電壓為3 150 V 時(shí),噪聲為3.23 V,遙測(cè)電壓范圍為0～4.95 V。達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表2 主要性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Main performance indicators test data of power supply

銫鐘電子倍增器遙測(cè)電壓值如圖5 所示,倍增器電源的遙測(cè)電壓由2.55 V 變化到3.12 V。按照遙測(cè)電壓與倍增器電源電壓的關(guān)系,用式(10)計(jì)算得到倍增器電源輸出電壓由-1 726 V 變化到-2 041 V。倍增器電壓增幅符合倍增器增益衰減的規(guī)律,銫原子鐘工作正常,頻率穩(wěn)定度為:1.90E-12@1 s;2.49E-12@10 s;1.02E-12@100 s;2.96E-13@1 000 s。

圖5 星載銫鐘電子倍增器遙測(cè)電壓值結(jié)果圖Fig.5 Telemetry voltage values result of the spaceborne cesium clock electron multiplier

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)星載銫鐘電子倍增器需要可調(diào)高壓電源,設(shè)計(jì)了一種輸出電壓為-306～-3 150 V 的可調(diào)的高壓電源,首先提出了一種基于分流調(diào)整的電路,完成了高壓電源的電壓調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了高壓電源輸出的閉環(huán)控制。其次給出了變壓器的設(shè)計(jì)方法和驅(qū)動(dòng)方案。此外倍壓整流電路完成高壓電源的放大及輸出,輸出紋波低于3.23 V,保證了銫鐘的穩(wěn)定度指標(biāo)不受電源輸出紋波帶來(lái)的影響。最后給出了輸出高壓的遙測(cè)電路,實(shí)現(xiàn)了倍增器電源的電壓遙測(cè)。倍增器電源隨國(guó)產(chǎn)星載銫原子鐘于2019 年搭載北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行了在軌驗(yàn)證,銫原子鐘穩(wěn)定度指標(biāo)合格[14,15]。提出的設(shè)計(jì)方案不僅解決了星載銫鐘電子倍增器的電源需求,也可用于星上其他小電流型高壓可調(diào)電源的設(shè)計(jì)。