某探测系统偏压电源分析与设计

席鲲　孙艳华

摘 要：根据某激光探测系统的原理与工作特点，设计了基于LM5002的非隔离式直流升压及输出电压值可控的混合型偏压电源，为了增加探测系统工作动态范围给出了探测器偏压电源的控制方案；同时用对应滤波电路设计进行分析计算。经过对探测系统测试数据地分析，该偏压电源设计满足探测系统要求。

关键词：探测系统；偏压电源；电路滤波；LM5002

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

激光探测系统是激光制导部件中的重要组成部分，被称为激光制导炸弹的眼睛，其灵敏响应度直接影响命中目标的概率。为保证系统能够有效截获目标，必须保证其探测灵敏度，一般需增加光电二极管（又称探测器）的偏置电压以提高其响应度[1]。通常光电探测器工作需要专用的偏置电压源为其提供直流偏置电压。

四象限激光探测器主要由PN结发光二级管组成，PN结在外加电压作用下，空间电荷量及载流子电荷量均发生变化，因而产生电容效应。因此，光电二极管的响应速度主要受RC常数和流入P区电流IF决定。这里，RC常数中的R为光电二极管反向偏置时的负载电阻，当负载电阻一定时，影响因素主要是结电容C，结电容C为光电二极管反向偏置时的等效电容。

半导体本身的体电阻和PN结上的电阻相比是很小的，所以外加正向电压后，这个电压将集中落在PN结上。由于内电场与外电场方向相反，所以PN结的电场由δ0减小到δ0-δF，在外电路上形成一个流入P区的电流IF。外部偏置电压越大，PN结电场便进一步减弱，扩散电流随之增加，电流IF随外加电压急速上升。所以每一种探测器在应用中都要提供合适的偏置电压值。传统的探测系统偏压电源一般采用专用的集成电路，其优点是使用方便。但并不适应小型化、低成本、输出可控的要求。

1 偏压电源系统方案设计

根据上述系统特性分析，偏压电压主要由输入滤波电路、电源IC芯片控制电路、功率变换电路、偏压电源输出滤波电路及偏压切换控制电路等组成。其中，IC芯片控制电路是智能开关电源很重要的部分，是电源系统可靠工作的保证。该系统采用先进的电压反馈控制闭环控制电路，通过反馈电路的控制保证输出电压的稳定性[2]。电路总体设计如图1所示。

2 电源IC芯片工作原理介绍

电源IC芯片选用的是TI（Tesas Instruments）的一款高性能频率、内置N-Channel MOSFET控制器的LM5002。该控制器具有宽输入、输出可调等特点，它可以使设计者使用最少的外部元件获得高成本效益的解决方案。LM5002具有8-Lead SO-8及8-Lead LLP[2]表面贴封装两种形式，是模拟数字混合电路，包括精密基准稳压器、振荡器、锁存器及内置N-Channel MOSFET电路等，如图2所示。

输出脉冲的宽度是通过振荡器输出的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现，IC芯片通过FB、COMP端来调整SW端输出值，当需要增加PWM脉冲信号输出宽度时只需对反馈端FB信号进行调整，来改变输出脉冲的宽度，进而控制输出电压值的大小。COMP端参数的合理设计不仅有助于输出值的调整而且还能控制PWM信号的稳定度并且该芯片还具有抗干扰能力强、结构简单、使用方便及价格便宜等特点。

3 滤波电路设计

由于系统带宽20 MHz，振荡频率在400 kHz左右，系统工作产生的纹波和噪音及其高次谐波分量将会对探测系统工作造成严重的噪声干扰，影响正常工作[3]。为抑制噪声影响，在电路上主要采取滤波设计使最终输出纹波峰峰值≤10 mV。

根据阻抗及负载阻抗的特点进行滤波器的设计，比较几种滤波电路的特点以及根据探测系统的工作要求，所以电源输入和输出采用如下方式：

在偏压电源的入口处加由电感、电容、共模圈组成的线滤波器，抑制共模杂波干扰，如图3所示。

4 切换控制电路

偏压切换电路一般采用继电器切换方式，这种电路控制方式的最大缺点是输出信号的电压值只有两种状态有或者无，同时设计成本较高，为了降低成本减少元器件及根据探测系统工作要求，切换后将输出电压值保持在2 V，所以选用三极管工作在开关状态下进行探测器偏压的切换。当控制端为高电平时，三极管导通则偏压电源的输出由发射极电阻取样获得。

根据负载电流的指标：1 mA，所以晶体管的集电极电流的最大额定值必须大于1 mA，当晶体管处于截止状态时电源电压是加在集电极-发射极之间，所以选择晶体管的集电极-发射极和集电极-基极之间的最大额定值必须大于电源电压。

5 偏压电源参数测试

根据以上分析及计算方法设计的基于LM5002探测系统偏压电源，将其与探测系统进行联调测试，给探测器供偏压及点光源进行照射，测试数据如表1、表2所示。

表1中可以看出电源输出电压调整率（输出负载0.2 mA时）SV=±0.1%，输出电压纹波电压小于10 mV，用此偏压电源给探测器供电，探测器输出值满足指标要求。

当给偏压电源控制端加TTL信号高电平时，偏压电源切换控制部分工作，输出测试数据如表2所示。

从表2中的数据可以可以看出，偏压电源在TTL控制信号作用下探测器输出值发生了明显的变化，结合表1、表2两组测试数据可以计算出，该探测系统在偏压电源的控制下动态范围能够增加近25 dB，有效调高了探测系统的动态范围，并且电源噪声值小于10 mV。偏压电源设计满足探测系统使用要求。

6 结 语

本文介绍了基于TI公司电源IC芯片LM5002的非隔离反激式探测系统偏压电源的分析及设计。该探测系统偏压电源具有使用输出方便，并且根据系统的使用功能要求进行控制不仅能够增加探测系统的动态范围，而且经过测试，该偏压电源的输出值还具有很大的上升空间，通过调整反馈参数可以使输出达到100 V左右。稍做调整，还可应用于其他探测系统，实验结果表明其电源转换效率高达80%，输出纹波电压小于10 mV。并且该种混合电源硬件电路简单、成本低、体积小以及对探测系统的动态范围的控制方法具有一定的参考价值。

参考文献

[1] Robert F.Pierret.Semiconductor Device Fundamentals[M].北京：电子工业出版社，2006：104-105.

[2]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计（修订版）[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3]林玉江.模拟电子技术基础[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997：205-207.

[4]苗秀梅，张正茂.窄脉冲激光探测电路分析与设计[J].光电技术应用，2012，27（4）：30-33.

[5]蒋立昕，刘步尧.PWM型高压电源设计[J].电光与控制，2013，20（6）：41-43.

[6]黄永军，岳舟，谢四莲.反激式开关稳压电源设计[J].湖南人文科技学院学报，2012 （5）：104-106，121.

[7]李定宣.开关稳定电源设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2006：104-105.