铯原子钟电子倍增器可调高压电源设计

赵玉龙,陈 江,马 沛,刘志栋,汪东军,董鹏玲,王 骥,薛晓慧

(兰州空间技术物理研究所,兰州 730000)

0 引言

电子倍增器一种具有电子放大功能的真空器件,在真空环境下,电子倍增器可以对光子、电子、离子等粒子进行探测[1]。铯原子钟以电子倍增器作为核心检测部件,将铯离子流信号放大105倍[2],实现铯原子跃迁信号的放大输出。

电子倍增器工作时,由于带电粒子长期打在其表面,使其表面结构发生变化、增益衰减,引起铯原子的跃迁信号下降[3],导致铯原子钟的指标下降。为了解决倍增器增益衰减,需要增加电子倍增器的工作电压来维持倍增器增益始终不变,从而输出一个稳定的跃迁信号。因此,电子倍增器需要一个电压可调的高压电源供电[4],使铯原子钟能长期稳定工作。铯原子钟电子倍增器的工作电压范围一般为-1 100～-2 600 V,电流小于0.1 mA。同时,倍增器电源的纹波影响铯原子钟的稳定度指标。

为了解决空间铯原子钟电子倍增器的供电需求,提出一种电压可调的高压电源设计方案。分流调整电路实现电源电压的闭环控制。变压器结合倍压整流电路实现高压输出。遥测电路实现电源的输出电压遥测。该方案解决了空间铯钟电子倍增器的电源需求,也可用于星上其他小电流型高压可调电源的设计。

1 高压电源指标分析

铯原子钟电子倍增器的放大倍数与其工作电压之间的关系[5]如式(1)所示

式中:M——倍增器的放大倍数;A——倍增器电子收集率常数;V——倍增器的工作电压;k——增益指数,与倍增器的材料有关,k=0.8;n——倍增器的级数。

从式(1)可知,电子倍增器的放大倍数和工作电压的kn次方指数变化。因此,为了使电子倍增器输出稳定,其工作电压应保持稳定。工作电压变化引起的放大倍数变化如式(2)所示

式中:n——倍增器的级数,9。

为了保证铯钟的稳定度指标,得出电子倍增器工作电压的稳定度应比测量精度低一个数量级。信号处理电路先将倍增器输出信号放大2 155 倍,再用16 位模数转换器测量,电子倍增器高压电源的纹波应远小于测量精度。

铯原子钟电子倍增器的电压工作范围为-1 100～-2 600 V,需要设计一种大于该范围的受控高压电源,因此在设计时将倍增器电源的输出电压范围设置在-316～-3 080 V。电源的控制信号来自铯钟伺服电路0～5 V 的模拟信号;输入电压来自星上直流+42 V 电源;倍增器的负载大于60 MΩ,所以电流小于0.1 mA;高压电源应能够输出电子倍增器电压的遥测信息。电源输出电压为-3 080 V 时,输出纹波应小于10 V;综上电子倍增器高压电源的需求如表1 所示。

表1 电子倍增器的高压电源主要性能指标Tab.1 Main performance index of electron multiplier high voltage power supply

2 高压电源电路设计

常用的可调高压电源方案是用脉宽调制(Pulse-Width Modulation,PWM)闭环控制输出一个直流中间电压,再用开关变换放大中间直流电压输出高压[6]。该方法会导致电源调整线性度低,并且PWM 环路控制易受干扰而引入噪声[7]。在空间应用中,常采用高升压比变压器或变压器副边多绕组串联的方式实现高电压变换,高升压比变压器绕制时对制造工艺要求较高[8]。

为了提高电子倍增器高压电源的可靠性,采用高压舱和低压舱两舱设计,将低压电路组件与高压电路组件物理隔离。高压电源框图如图1 所示。低压部分由分流调整电路和遥测电路构成,低压部分电路放置于低压舱。分流调整电路完成对变压器的输入端电压调整,实现了输出电压的闭环控制。遥测电路输出倍增器电源的遥测值。高压部分由变压器和倍压整流电路构成,高压部分电路放置于高压舱。利用变压器进行电压放大,运用多级倍压整流电路串联完成高压输出[9]。

图1 可调高压电源框图Fig.1 Block diagram of adjustable high voltage power supply

2.1 分流调整电路

分流调整电路通过调整变压器的输入端电压来实现输出高压调整,分流调整电路原理如图2 所示。

图2 分流调整电路原理图Fig.2 Schematic diagram of shunt regulation circuit

分流电阻R1与分流调整管Q1 以并联的形式接入到电源输入电压Vi与输入地之间,形成并联分流电路,故称为分流调整电路。工作原理为,分流调整电路根据控制电压Vc将输入电压Vi调整至输出电压V1。

OA1 为运算放大器,R2和R3将电压V1调整至反馈电压Vf,形成求差电路。Vc为控制电压。流经电阻R1的电流Ii分成两路Ic和Ir,根据节点电流可得Ii=Ic+Ir,其中Ii=(Vi-V1)/R1,Ir=(R2+R3+RT)V1/(R2+R3)RT,RT为变压器的等效输入电阻。由于等效负载电阻RT远小于R2与R3的串联值,故Ir≈V1/RT。分流调整管Q1 以驱动电流Ib作为驱动信号,Ib=(Vb-0.7)/R4,Q1 集电极电流Ic与基极电流Ib的关系为Ic=βIb,β为三极管的放大倍数,即Ic=β(Vb-0.7)/R4,可得到输出电流与输入电流的关系如式(3)所示

式中:Vi——输入电压,42 V;R1——分流电阻,100 Ω;RT——变压器输入端等效负载电阻,360 Ω;β——调整管电流放大倍数,100;R4——驱动电阻,3.3 kΩ。

运放OA1 的输出Vb与输入的关系如式(4)所示

式中:Rf——反馈电阻,51 kΩ;Ri——输入电阻,2 kΩ;R3——分压电阻,3 kΩ;R2——分压电阻,16 kΩ。

将式(4)代入式(3)中得出输出电压V1与输入电压Vi及控制电压Vc的关系如式(5)所示

式中:Vc——控制电压,0～5 V。

由式(5)得控制电压在0～5 V 时,分流调整电路输出的电压V1在3.16～30.8 V 之间,分流调整电路实现了变压器输入端电压的闭环控制。

2.2 电压变换电路

高压输出电路由电压变换电路和倍压整流电路组成,原理如图3 所示。考虑到电源的输出为可调高压,若用增加次级绕组匝数比的方法获取高压输出,会使得变压器的次级绕组过多,由于变压器寄生电容的影响,将导致变压器的损耗和输出噪声过大[10,11]。采用Buck 推挽拓扑结构实现了电压变换,再将电压放大到一定的交流电压后再采用倍压整流的方式实现负高压输出。该方案变压器升压比低,变压器制造难度较低[12]。

图3 电压变换及倍压整流电路原理图Fig.3 Schematic diagram of voltage conversion and doubling rectifier circuit

电压变换电路由PWM 发生器UC1825 和变压器组成,UC1825 输出两路互补的PWM 波形驱动变压器。变压器的磁芯选用Philips 公司TN29/19/7.5。变换电路采用50%固定占空比的Buck 推挽变换拓扑,变压器的输出电压为初级线圈输入电压与匝数比的乘积[10]。变压器输出电压均值如式(6)所示

式中:V1——变压器输入端电压,范围为3.16～30.8 V;D——Buck调节器的占空比,D=50%;T2——变压器副边匝数;T1——变压器原边绕组匝数,T2与T1的比值为25。

由式(6)得变压器输出V2的电压范围为39.5～385 V。变压器绕组的引出线需要保持一定的距离,防止引出线间被电压击穿[13]。

2.3 倍压整流电路

倍压电路采用了4 级Cockcroft-Walton 倍压整流电路。倍压整流电路输出电压值如式(7)所示

式中:m——倍压整流级数,4;V2——变压器输出电压,为39.5～385 V。

由式(7)可得高压电源Vo的输出范围为-316～-3 080 V。

为了满足铯钟稳定度指标需求,倍增器高压电源输出的纹波应小于10 V。倍压整流电路输出纹波电压与滤波电容的关系如式(8)所示

式中:Vr——输出纹波电压;Id——电源最大输出电流,0.1 mA;f——整流二极管的工作频率,75 kHz。

通过式(8)得到电容的计算如式(9)

式中:Vr——纹波电压,Vr＜10 V。

由式(9)得C＞1.0 ×10-9F,设计中高压倍压整流电路中电容取值为2.2 nF。高压电源输出回线(电源地)由瞬态抑制二极管和电容接到机壳(机壳地),该电路降低了共模输出噪声。通过倍压整流电路,高压输出电路实际输出纹波电压低于5 V。

倍压电路中整流二极管的反向电压为Vrrm=1 000/0.6=1 667 V,正向电流按照IF=10 mA 计,选用快恢复整流二极管,其参数:Vrrm=2 500 V,IF=100 mA,trr≤150 ns,满足使用要求。

2.4 遥测电路

高压电源的负载RL是星载铯钟的电子倍增器。遥测电路输出的遥测量Vt,可以指示出当前倍增器的电压,从而判断铯原子钟当前的工作状态,也可用来评估铯原子钟寿命。遥测电路原理图如图4 所示。

图4 遥测电路原理图Fig.4 Schematic diagram of telemetry circuit

遥测电路由一个运放和电阻组成的小信号放大电路。其中Rc为采样电阻。通过调整外围电阻,使运算放大器的输出Vt为0～5 V,对应的倍增器电源电压为-316～-3 080 V,得到输出遥测值与倍增器电源电压的关系如式(10)所示

式中:Vo——电子倍增器电源实际输出电压;Vt——遥测电压。

3 试验数据及结果分析

倍增器高压电源的主要性能指标测试数据如表2 所示。铯钟倍增器可调高压电源的电压输出受控,当控制电压为0～5 V 时,高压电源的实际输出电压范围为-306～-3 150 V。倍增器电源输出电压为3 150 V 时,噪声为3.23 V,遥测电压范围为0～4.95 V。达到设计指标要求。

表2 主要性能指标测试数据Tab.2 Main performance indicators test data of power supply

铯钟电子倍增器遥测电压值如图5 所示,倍增器电源的遥测电压由2.55 V 变化到3.12 V。按照遥测电压与倍增器电源电压的关系,用式(10)计算得到倍增器电源输出电压由-1 726 V 变化到-2 041 V。倍增器电压增幅符合倍增器增益衰减的规律,铯原子钟工作正常,频率稳定度为:1.90E-12@1 s;2.49E-12@10 s;1.02E-12@100 s;2.96E-13@1 000 s。

图5 星载铯钟电子倍增器遥测电压值结果图Fig.5 Telemetry voltage values result of the spaceborne cesium clock electron multiplier

4 结束语

针对星载铯钟电子倍增器需要可调高压电源,设计了一种输出电压为-306～-3 150 V 的可调的高压电源,首先提出了一种基于分流调整的电路,完成了高压电源的电压调整,实现了高压电源输出的闭环控制。其次给出了变压器的设计方法和驱动方案。此外倍压整流电路完成高压电源的放大及输出,输出纹波低于3.23 V,保证了铯钟的稳定度指标不受电源输出纹波带来的影响。最后给出了输出高压的遥测电路,实现了倍增器电源的电压遥测。倍增器电源随国产星载铯原子钟于2019 年搭载北斗三号导航卫星进行了在轨验证,铯原子钟稳定度指标合格[14,15]。提出的设计方案不仅解决了星载铯钟电子倍增器的电源需求,也可用于星上其他小电流型高压可调电源的设计。