基于光电耦合的多通路高速扫描高压电源设计 ①

李世勋，宗 朝，周 颖，张海燕，蔺 璟

(兰州空间技术物理研究所，兰州 730000)

0 引言

探测空间中的粒子，对于揭示太阳风、磁层、电离层的结构，了解其中空间物理过程的机制，以及预报灾害性空间天气事件等都具有重要的意义。空间等离子体的能量分布范围极广，涵盖了从几个电子伏特到数兆电子伏特的能量范围。近年来在空间探测任务中广泛使用的静电分析仪是对低能段离子能谱进行测量的有效方法[1-5]，而该方法实现粒子探测关键技术之一就是高压电源对带电粒子的选择性能，其工作原理如图1所示。图中，偏转板电极、顶帽电极、外球电极、内球电极及位置灵敏探测器上均接上可调的高压，对于某个高压值，对应着固定的E/q值的带电粒子才能通过环形通道，其中E为粒子的能量，q为粒子所带的电荷。若同步改变半球上的电压和入口偏转板上的电压，就可以筛选出不同能量和不同方向的带电粒子，即获得离子能谱的空间分布信息。通道的出口处是加了高压的位置灵敏探测器(MCP)，被带电粒子击中时会将其倍增放大，将倍增的信号放大并送到读出电子学系统进行处理。在有效载荷实际运行时，需要接在静电分析仪的高压实现快速扫描，以达到在同一空间位置，在一定的E/q范围内采集到不同的粒子事例。扫描高压电源是影响能谱测量系统性能指标的关键因素。文中对高压扫描电压的设计方案进行了详细描述，并详细设计了对应的硬件电路，并以等离子体环境下试验结果为例进行了应用说明。

图1 静电分析仪工作原理

1 扫描高压主要技术指标及要求

根据有效载荷的应用背景及总体设计，扫描高压电源设计主要技术指标涉及输出电压范围、阶跃稳定时间、输出电压精度。

输出电压范围：用于表征扫描高压电源的输出能力。根据有效载荷任务需求，需实现内球电极-5000 V至+5000 V的扫描范围，上偏转板、下偏转板实现-5000 V至+5000 V的扫描范围，且上、下偏转板保持幅值相等，极性相反的输出电压。

阶跃稳定时间：用于表征扫描高压从某一固定电压阶跃至新电压并达到输出电压值*5%波动范围的约束条件。根据有效载荷任务需求，需高压输出所有阶跃台阶满足小于0.25 ms的稳定时间。

输出电压精度：用于表征扫描高压经过稳定时间后达到的输出精度。根据有效载荷任务需求，精度需满足优于1%，以输出均值与设定值的误差占设定值的百分比作衡量。

2 有效载荷组成及高压扫描时序

星载载荷的总体构成如图2所示，扫描高压电源的主要应用场景介绍如图所述。

静电分析仪：直接与扫描高压电源输出相连接，是实现粒子能谱测量的传感器。

读出电子学：对粒子事件进行采集及检测。

数字控制板：是有效载荷的控制中枢，负责读出电子学的控制和采集；负责向上位机进行数据传输；负责对扫描高压电源实现数字信号控制及电压检测。

扫描高压电源：在数字信号的的控制下，按照既定扫描表格实现多路高压的扫描输出，共4路高压输出信号，该部分是本文的主要设计内容。

根据星载载荷的任务需求，扫描高压需要独立输出4路高压信号，其中MCP高压开机后以200 V的步进逐步施加至稳定工作状态下为-2200 V，每步持续5 s；其余3路内球高压(ESA)、上偏转板(Up)、下偏转板(Down)高压开机后需要满足图3所示的指数变化的电压周期运行，扫描范围达到了±5000 V，每路256台阶高压，每台阶高压维持2ms，如图3所示：

3 扫描高压原理

常见的高压电源模块无法实现在极短的时间内，输出电压实现跨越几百伏、甚至上千伏的台阶变化，这是因为常规的高压模块为固定高压输出，且输出端保护电容的存在，使得容性负载很大，无法做到输出电压的迅速变化。

图2 星载有效载荷总体构成

图3 多通路扫描高压输出时序要求

因此，本文中扫描高压采用固定高压模块与光电耦合器相结合的技术方案。光电耦合器是为一种以光为媒介传输电信号的转换器件，其中的发光二极管产生的光强与受控二极管的电流具有一定的比例，即电流传输比。通过改变发光二极管的端电压，进而影响发光二极管产生对应的光电流强度Iin，可以控制光电耦合器中发光二极管的发光强度，同时受控反向二极管电流Iout流过高阻值的电阻Z-LOAD产生高压输出。如图4所示，是光电耦合器HV801的典型应用示例。HV801最大可以加载8 kV的偏置高压，在负载为10 pF时其转换速率可以达到100 V/μs，这完全可以满足本高压电源模块的要求，利用多组HV801与固定高压模块结合可以构成多路快速扫描高压电源。

图4 HV801高压光耦的典型应用

4 扫描高压电源设计

4.1 整体设计

高压电源设计方案如图5所示，主要包含固定高压电源、HV801光耦调节组件、负反馈控制、高压输出监测、隔离数据通信等。固定高压模块为HV801提供+5200 V和-5200 V的高压偏置，为了得到准确的扫描输出高压，采用数字控制量传输至16bits数模转换器构成的负反馈控制电路的输入，并将HV801输出高压经过分压至合适的低压电平后，与期望的电压进行比对调整，以保证输出高压的稳定性。同时，利用模数转换器和隔离集成运放对输出高压的反馈量进行采集达到检测高压输出状态的目的。

4.2 固定高压及光耦组件

固定高压模块是多种行业和科研领域内广泛应用的设备[6-11]，相关的研究成果具有良好的借鉴意义，本文将固定高压电源模块设计为输入±12V输出±5050 V的DC-DC电源。它主要由UC1842电流模式PWM控制器、变压器、高压电阻、高压电容组成；电路采用拓扑为反激开关电源，将±12 V输入电压经变压器变换为输出±1050 V电压，然后再经5倍压整流电路输出±5200V固定高压，如图6所示。

图5 扫描高压总体方案

图6 ±5200V固定高压模块

HV801组件由10个HV801高压电源控制元件封装在一个金属壳体内并灌封组成。输入±5200 V固定高压，其中内球高压和MCP高压均为单极性输出，可采用1片HV801高压耦合输出，如图7所示。

图7 单极性扫描输出光电耦合电路

而上偏转板高压及下偏转板高压因需要满足双极性输出需求，故采用串联保护的方式构成高压耦合电路，在扫描输出端幅度达到5000 V或负5000 V时，2个串联光耦组件的总体耐受电压超过了16000 V，因此保证了其安全性，避免了因单个HV801极限耐受8000 V的约束条件，其电路形式如图8所示。此外，在前文中介绍过，上偏转板高压和下偏转板高压存在极性相反，幅度大小相等的关系，因此这2路高压的控制信号先由一片模数转换器根据数字信号生成，再经过一个由集成运放构成的反向器，可生成幅度相同，极性相反的2路控制电压，分别施加在2个图8所示的光耦组件上，根据数字量的不断刷新，可实现幅度相同，极性相反的高压扫描，这种形式的优势在于简化了控制信号的设计，提高了可靠性，同时，提高了扫描电压的同步的稳定性。

图8 双极性扫描输出光电耦合电路

4.3 负反馈调节

快速高压扫描的实现是通过负反馈方式获得，负反馈闭环控制系统的输入主要由16位数模转换器AD766和AD743根据数字量的刷新生成范围在-3V～+3V的输入控制电压，对应HV801光耦调节输出的-5000 V～+5000 V的输出范围，控制电压信号连接至构成负反馈比较环节的OP470精密运放的输入端，并且与高压输出经分压得到的反馈量进行比对调节，从而实现扫描表的快速调节和稳定。值得注意的是，根据有效载荷的任务需求，高压扫描要实现全量程极为精确的准确度，若高压输出的分压只采用一组分压电阻，则分压比和反馈深度是固定不变的，那么就无法很好的兼顾输出高限5000 V幅度附近的高精度，同时还能保证在0V附近的精度，例如根据16位数模转换器的分辨率，理想情况下对-5000 V～+5000 V的输出可实现的最小量化精度为0.15 V，而且由于电路干扰噪声等影响，实际的分辨率要更差一些[5]，通常数模转换器的实际的转换精度会损失1至2位，所以实际能达到的量化精度约为0.5V的量级，而有效载荷要求的高压扫描曲线中，在低压段，最小的分辨精度小于0.01 V。反馈电压的设计中采用多组分压电阻构成不同分压比，在扫描过程中根据输出高压的幅值量级，利用ADG201模拟开关进行切换反馈电阻网络，从而达到分档扫描，这样可以始终保持扫描电压的高精度输出，如图9所示。

4.4 高压监测

高压监测主要功能是实时监测扫描高压的输出电压值并通过数字方式输出给上位机。可以使工程人员对扫描的动态性能进行掌握，随着试验环境的改变，有时扫描曲线需要根据实际状态进行修正，对高压输出进行直接测量，一方面需要专用的高压检测仪表和探头，尤其在文中的有效载荷应用中，其高压由于结构件遮挡的原因，不具备直接测量的可行性；此外，扫描高压是一个动态过程，任何接入输出端的设备或检测仪表的非线性负载均会影响测量的真实结果。所以对高压输出的监测利用其反馈信号来反映，通过同样是16位精度的模数转换器AD677和精密运放AD743组成采集和隔离电路，经过高速采样，获取反馈信号的动态扫描过程，其形态应与前文图3中所述的形态一致，只是其电压范围限定在±3V之间，接着利用分压电阻网络已经明确的分压比进行反演推算，其结果可绘制出高压输出的实际曲线。该部分电路实现原理如图10所示。

图9 负反馈控制

4.5 隔离灌封工艺

电路设计保证了电路状态能够按照电原理实现既定功能，但对高压电源来说，需要更加关注的是高压的保护和隔离，好的工艺设计能够保证高压电路安全稳定的工作，同样的原理设计在不同的工艺方案下可能表现出迥异的测试结果。由于此方面的内容过于庞杂，这里只能给出最为常见的灌封工艺的关键因素。

高压电路足够的灌封须保证所有电气元件、线缆、印制板及地平面之间充满匀质的固体绝缘，灌封过程需要保证下述品质：

(a)在灌封前须确认所有元件、单板及线缆已经完全清除尘埃、油脂、指纹、非粘合材料及焊料。

(b)灌封材料须检查确认是已通过试验室测试的材料。测试应包括：温度循环、温度循环时进行的电压应力测试以及先于温度循环的储存寿命检测。

(c)在不损失灌封电气绝缘完整性的情况下应减小灌封体积 。当必须大体积灌封时，灌封必须长而窄，这样会减小内部出现大机械应力的概率，而过大的机械应力会导致元件间出现裂缝。当灌封体积超过 1 英寸(25.4 mm)宽2英寸(50.8 mm)深几英寸长时，内部可能会形成很多裂缝。

(d)固体灌封必须确保内部没有空腔才能保障绝缘的有效[12-13]，靠近地平面的位置、高压元件和高压电路附近尤其要注意不能存在空腔。有三种方法可以确保内部不会出现空腔，真空浸渍、离心机加速或两者同时使用。

(e)最后进行的高压线缆相互连接和高压端子的灌封操作必须十分小心。线缆必须被适当的固定已确保灌封时和灌封后线缆不会被拉伸、扭曲或其它形式的破坏。灌封材料必须和所有其它材料粘合紧密，有时，前一次灌封的表面已经出现了氧化或老化，后一次灌封哪怕是相同材料的灌封也会和前一次灌封间出现粘合不紧密的现象。

图10 高压监测采集电路

由于在轨航天器的高压电源应用场景还有低气压的特点，而高压的击穿有很多情况发生在低气压环境下，即使在真空环境下，设备内部材料的出气会产生低气压状态，最为简单和常见的做法是，高压电源在真空罐试验过程，或发射入轨后，先静置足够的时间，使设备内部材料的出气完毕，破除此种风险后开机运行高压电源。当然在高压设备设计过程中，最好留有与设备外部环境联通的出气孔。

4.6 空间辐射环境元器件选用及防护

由于卫星轨道上空间带电粒子成分、能量和通量的多样性，也由于空间探测载荷所用电子元器件和功能材料在原材料、生产工艺、功能、工作状态等多方面也具有复杂性和多样性，因此发生的复杂多样相互作用，形成各种辐射效应，通常主要考虑的辐射危害类型为总剂量效应和单粒子效应，在很多情况下会严重影响设备的正常运行甚至造成损毁。根据任务设定，设备所在轨道辐射特点，空间使用的元器件需严格遵循选用标准及质保要求，在航天器元器件选用目录中进行选择，并利用半空间分析法，将抗辐射裕量不足的元器件进行加固，通用的方法是增加屏蔽壳的厚度，并换算成抗辐射等效铝厚度，根据计算结果对薄弱环节进行防护，以加强抗辐射能力，使其符合抗辐照要求。

图11 扫描高压电源灌封后

在本设计中，其余元器件均选自目录内元件，其优势是已有充分的在轨经验和抗辐照试验数据支撑，能够比较客观的评估空间环境下的工况，基本上能保证整体设计的可靠性。而核心部件高压光耦HV801作为目录外元器件缺乏以上数据和经验，因此对HV801光耦的选取需仔细分析抗辐射性能。令人欣慰的是，HV801是美国AMP-TEK公司专门为空间环境下应用而研发的一款芯片，该器件资料中除常规电性能参数外，还给出了抗辐射指标，在HV801的器件手册中明确给出其抗辐射电离总剂量为100krad(Si)，本设计按照半空间估算法，结合HV801在探测设备和卫星安装位置，计算得到防护屏蔽的等效铝厚度约为8mm，再对照该任务对应的空间环境工程设计规范中提供的屏蔽厚度关系，预估在轨期间辐射总剂量约为21.8 krad(Si)，可见该器件应用在此设计中辐射裕度充足，能够满足载荷设备的空间抗辐照应用。而另一类常见的单粒子锁定效应主要辐射对象为逻辑器件、单/双稳态器件，对该器件不敏感。除此以外，系统级空间环境设备抗辐照通常还需考虑表面充放电效应、高能电子内带电效应等，与本设计相关度较低，此处不再展开叙述。总而言之，空间环境必然有辐射效应，空间探测载荷的元器件选用及设计必须仔细分析并采取相应的防护措施。

5 测试验证

对研制的扫描高压电源模块进行真空条件下测试，使用1000:1衰减比例的高压示波器探头进行监测，其中双极性通路扫描结果如图12中(a)所示，高压扫描输出范围可达到±5000V；扫描过程中最大阶跃台阶过渡时间如图12中(b)所示为162μs，小于0.25ms的稳定时间的指标要求；当设定电压幅度在几伏量级直至最高输出几千伏量级时，均可满足输出精度优于当前输出值1%的约束范围，满足有效载荷扫描表的精度要求，但设定电压在几伏量级以内的幅度时，尤其靠近0V附近后，其精度较大程度下降，通过大量试验和验证，主要原因是由于反馈环路中的元器件，尤其是模拟开关的漏电流大小已经达到了与分压电阻中反馈电流同等量级，形成干扰信号而造成的精度下降。对此问题，可开展提高极低电压段的漏电流抑制的深入研究。当前高压电源所能达到的技术状态可以满足载荷产品的物理学标定和测试的指标要求。选取扫描表中代表性输出电压，扫描输出的精度如表1所示。

表1 扫描高压输出精度

(a)±5000V输出范围 (b)扫描阶跃稳定时间<0.25ms

之后，将扫描高压电源与静电分析仪进行连接，并在等离子体定标源的测试条件下，进行多路扫描高压的共同作用下，由读出电子学系统对经扫描高压选择后的特定能谱粒子进行定标测试，其结果如图13中所示，该图中绿色条带为5KeV能谱粒子的测试响应。根据读出电子学系统的反演推算，结合高压电源的监测曲线，其分析结果符合静电分析仪的分析仪常数、几何因子、偏转常数等各项物理参数，表明该扫描高压电源实现了有效载荷的约束指标并满足使用要求。

图13 工程应用标定测试响应

6 结束语

多通路扫描高压电源可以结合不同类型的传感器结构和物理特性，综合利用空间等离子体的各种带电特性获取不同轨道的带电粒子能谱通量信息，是未来组网卫星进行空间环境探测和研究的重要手段。本文基于适用于高压隔离光电耦合器件在负反馈控制环路中的快速变换特性，结合静电分析仪特定结构的带电离子能谱筛选特点，采用固定高压模块结合光电耦合方法实现输出高压在极短时间内的扫描和稳定。文章对所设计的扫描高压电源设计关键点进行了分析，并验证了该扫描高压电源输出特性，所设计的多通路高精度扫描高压电源对类似应用场景下的高压电源的设计和实施具有一定的借鉴意义。