射线探测仪器的高压电源研制及性能改进

陈佳星，龙显彪

（东华理工大学，江西 抚州 344000）

1 总体设计思路

(1)研发具有稳定性好、噪声低且体积小，使用方便等特点的射线探测仪器高压电源是本项目的主要目的。其主要设计思路为：电源由蓄电池或干电池供电，经DC稳压电路得到仪器正常使用时的电压，当需要较高电压进行测量时，利用DC/AC转换得到交变信号，再通过升压电路升压，得到高压信号。这时的高压信号还需要经过倍压和整流电路的处理，得到稳定高压。

(2)电路组成：

2 各部分电路功能设计

(1)输入切换电路：正常情况下的供电是由蓄电池完成，当仪器不方便充电时才由切换电路使用干电池维持仪器的正常工作，此部分只需要一个切换开关即可完成所需功能。

(2)DC稳压电路：目前市场上的稳压芯片种类繁多，此处我们选用凌特的LT1111芯片作为升压IC。该芯片是高效的DC/DC转换器，该芯片能在较宽的负载电流范围内稳定和高效的工作，并且不需要任何外部补偿电路，可满足单节干电池的应用。经过DC稳压电路，得到仪器正常使用时的工作电压5V。

(3)DC/AC振荡器和升压电路：在此设计中DC/AC振荡器和升压电路时结合在一起的（图1），LT1111是一种门控振荡器型的开关电源调整芯片。这种结构消耗的电源电流非常小，因为只有当反馈脚的电压低于参考电压时LT1111中的开关才会启动调整工作。芯片具体的工作原理见图1。其中，比较器A1是调整器的核心，它的两个输入端分别连到反馈脚 (FB)和芯片内置的1.25V基准参考电压上，A1将反馈脚(FB)上的电压(由输出端反馈回来)与1.25V参考电压相比较。当FB脚上的电压低于1.25V时，A1就会启动芯片内部72kHz的振荡器；驱动放大器将振荡器的输出信号放大，以驱动输出级的NPN型功率开关。功率开关输出的结果是输出电压和FB脚上的电压都得到了提高。当FB脚上的电压大到可以触发比较器A1翻转的时候，振荡器就会被A1关闭。不过比较器A1会延迟一点时间后才翻转，这样可以令整个环路保持稳定。这个延迟设计是在芯片内部完成的，不需要在芯片外部再作额外的频率补偿。一般情况下，LT1111内的振荡器的启动时间和关闭时间均为7s。另外，当比较器输出为低的时候，振荡器及其它各功耗较高的电路都会被关闭，使得LT1111的静态电流降到300A。

图1 LT1111工作原理图

图1中的增益模块 A2实质上是一个比较简单的PNP输入的运算放大器，它的正输入管脚连在SET管脚上，而其负输入管脚连接到芯片内部集成的1.25V基准参考源上。A2的输出结构为漏极开路输出，A2可以悬空不用。

图2 升压变换器工作原理

LT1111配置成升压变换器的常用设计见图 2。LT1111内功率开关的发射极(SW2)与地相连，而开关的集电极(SW1)与电感相连。当LT1111片内的比较器A1触发振荡器输出开始调整时，功率开关的集电极即SW1管脚为低。这样，电压(VIN-VCESAT)将降落在L1上。显然，L1中将出现一个电流。到开关即将关闭前，流经L1的电流值为：

随后开关立即关闭，SW1脚上的电压开始上升，这是因为流经 L1的电流不可能立即消失。当该管脚电压上升到(VOUT＋VD)时，电感中的电流将经由二极管D1流入电容C1，使输出电压VOUT上升。这个过程将在LT1111的控制下反复进行，而控制的条件就是保持VFB与LT1111内部的基准参考源的电压1.25V相等。那么，修改R1或R2的值都可以改变输出电压值，如下式所示：

经过升压后，我们可以得到较高的电压值，此处我们选择R1和R2的阻值比为23，则Vout就为30V。还需要倍压整流电路才能得到我们想要的电压。

(4)倍压整流电路:在升压的基础上，我们经过一个经典的倍压电路就可以把电压升到理想值了。下面是倍压电路的结构：

此图中，升压后的信号由a、b点输入，在节点b、e接输出，可以3倍的电压。最后的电压90V。

(5)取样反馈电路：电压经过放大后，需要引入负反馈使整个电源输出处于稳定状态。比较器 A1是调整器的核心，见图1，它的两个输入端分别连到反馈脚(FB)和芯片内置的1.25V基准参考电压上，A1将反馈脚(FB)上的电压(由输出端反馈回来)与1.25V参考电压相比较。当FB脚上的电压低于1.25V时，A1就会启动芯片内部72kHz的振荡器；驱动放大器将振荡器的输出信号放大，以驱动输出级的NPN型功率开关。功率开关输出的结果是输出电压和 FB脚上的电压都得到了提高。当FB脚上的电压大到可以触发比较器A1翻转的时候，振荡器就会被A1关闭。不过比较器A1会延迟一点时间后才翻转，这样可以令整个环路保持稳定。这个延迟设计是在芯片内部完成的，不需要在芯片外部再作额外的频率补偿。

这样，电源在经过DC稳压，振荡和升压电路的作用,倍压整流以及取样反馈的稳定后，得到设计所需的电压值90V,这就是测氡仪所需的高压。

3 结语

本课题最后的完成情况并不很好，只是在理论上有了整体的思路，在实物制作能力方面还是欠缺很多，实验过程中毁坏了很多器件，焊接完毕却得不到理想的结果。最后保存下来的实物性能也并不稳定。但是，通过这几个月的设计，笔者觉得真的学到了好多以前自己不知道的东西。以前的学习过程中由于做的都是一些工程比较小的任务，并且也都是做某一个部分，所以在这次实习过程中要学的东西真的不少，现在强烈感觉到，以前学的东西真的很重要，因为一个整体系统的设计牵涉到的知识是方方面面的，如果有哪一块的知识掌握的不够牢固或者说不够透彻，可能在设计的过程中就会被绊住脚步，乱了手脚，以前学的知识只是一些基础，也就是说只是让思想和思维熟悉这方面的东西，到了真正动手做东西的时候，才能更好地展开和结合新的知识，不仅是对知识的掌握，更多的是对知识的运用。想想原来所学的模拟电子技术和数字电子技术，当时学的时候并没有想过学这个是怎么用，在哪些方面用，在哪些方面适合用，只知道跟着学，学书上的东西，在实习过程中，才慢慢了解到，每一个自己学过的东西，都有一定的适用范围，每一个东西，都有自己的优点和缺点，就像这次的课题设计所用设计方法，这些都是经过比较才确定的，并不是说想到用这个做就用这个做，应该结合当前发展情况和资源的利用性以及扬长避短来考虑问题，来选择合适的方法方案。以后工作后也同样是得这样考虑的。因为本次课题设计的主要任务是完成射线探测仪器的高压电源的设计，其中笔者的主要任务是用设计出整体电路，然后各个模块进行细化设计，最后再整合各部分完成最终的设计任务。这在平时只是弄懂原理就可以，可这一次不同了，要自己去选择芯片，制作出合理的硬件电路。虽然结果并不满意，但是笔者还是得到了很多经验教训。

[1]陈伟，方方.便携式核仪器电源的设计.

[2]华成英，童诗白.模拟电子技术基础(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.