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基于PWM芯片的空间粒子辐射探测器高压电源设计
来源:互联网 qikanw | 于向前 陈鸿飞 施伟红 邹鸿 邹积清 仲维英
【分  类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 高压电源;DC/DC变换;SG1525;空间粒子辐射探测器;PWM
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘要:利用PWM芯片来实现空间粒子辐射探测器上的高压电源。首先介绍了高压电源的用途和特点,然后介绍用PWM芯片实现高压电源的基本原理,最后以SG1525芯片为例讲述高压电源的具体设计,并给出了所设计电源的技术参数:输入电压12V,输出电压-90V,占空比2%,0~18mA负载调整率4.9‰,供电电压调整率1‰,纹波系数小于5‰,功耗240mW。

  关键词: 高压电源;DC/DC变换;SG1525;空间粒子辐射探测器;PWM

  中文图书分类号:TL825

  Abstract: A kind of high power supply is designed by using PWM chip, which is used to provide the voltage to the solid detectors in particle measurement in space. Firstly an overview of high power supply, especially on its function and characteristic, is given, then the basic principles of the high power supply based on PWM chip is introduced, at last, the design of the high power supply, which is based on SG1525 chip is given, what’s more, the specifications of the supply are given: input voltage is 12V, output voltage -90V, pulse-space rate 2%, 0~18mA load regulation 4.9 ‰, voltage regulation 1‰, ripple coefficient less than 5‰, and power dissipation 240 mW.

  Keyword: High Power supply; DC / DC transform; SG1525; Particle Radiation Detector in space; PWM

  空间粒子辐射探测是空间物理和空间天气研究的重要手段。高能粒子广泛分布于地球周围的空间中,成为Van Allen辐射带。辐射带粒子对卫星和飞行器的安全存在极大威胁。另外,受太阳粒子事件和日冕物质抛射事件的影响,地球空间环境也会出现高能粒子辐射增强事件,对处于地球空间各个部位的卫星都造成威胁。空间粒子辐射探测仪器可用于探测或监测空间的高能粒子。通过对空间的高能粒子的辐射探测,我们便能够了解空间环境的粒子辐射变化,研究辐射带模型,进行事件预警等。

  空间粒子辐射探测器大致可以分为如下几个部分:半导体探头及其读出电路、高压单元、信号处理单元和数据处理单元。半导体探头需要在高稳定度、低纹波系数的反向高压下才能正常工作。这个高压电源的特点是直流电压高、电流弱(功率小)、稳定度高、纹波系数小等。针对空间环境探测应用,它还要具有可靠性高、重量轻、功耗小等特点。

  高压电源通常可采用自激式、它激式或PWM等DC-DC变换器。自激式高压电源,由于振荡器件兼做功率驱动,电路简单,但输出电压的稳定性差。它激式高压电源的振荡电路和功率驱动电路是分开的,因此振荡波形和频率可以很稳定。但无论是自激式还是它激式高压变换电路,都需要变压器,使得转换效率不高,功耗较大,且电路的重量和体积都不易减少,很难满足航天的特殊需要。PWM高压电源的功率管工作在开关状态,因此具有较高的转换效率,而且具有体积小、质量轻等优点,符合航天应用的需要。

  1 用PWM芯片实现高压电源的基本原理

  高压电源的基本原理是PWM调制的DC-DC变换方法,PWM是脉冲宽度调制的英文缩写(Pulse Width Modulation)。其电路原理框图如图1所示。

  图1 高压电源的原理框图

  其中,脉冲信号发生器可以产生固定频率的脉冲信号。PWM可以根据电压比较器输出的误差电压改变输入脉冲的宽度。由脉冲发生器和PWM产生的频率固定、宽度可调脉冲信号送给开关换能器。开关换能器在输入脉冲的控制下,产生高压脉冲,经倍压整流器和滤波网络后获得高压直流输出。经滤波网络后的直流输出分为两路:一路作为电压输出;另一路送取样电路再和参考电压比较产生误差电压信号,该误差电压信号反馈至PWM,改变送入开关换能器的脉冲宽度。根据输入脉冲宽度不同,开关换能器的输出能量不同,导致输出电压的调整。

  当高压电源的输出由于供电或负载变化等因素而变高时,取样电路可以获得较高的取样电压。把取样电压与稳定的参考电压比较将产生较高的误差电压输出。把误差电压取反向送PWM将使脉冲宽度减小,从而减小开关换能器的输出能量,导致输出电压下调。反之,当高压电源的输出变低时,取样、比较后产生的误差电压将下降,取反向后输入PWM使脉冲宽度变宽,从而增加开关换能器的输出能量,导致输出电压上调。

  2 高压电源的电路实现

  高压电源电路的核心是PWM芯片,PWM芯片的种类有很多种,SG1525是其中的一种。本文以SG1525芯片为例讲述高压电源电路的实现,其原理图如图2所示。

  图2 高压电源电路原理图

  2.1 SG1525介绍

  SG1525是美国硅通公司(Silicon General)生产的双端输出式通用电源变换控制芯片。它内含一个标准参考电源,并可以实现脉冲信号发生器、脉宽调制和电压比较器等功能。它包括两个独立的相位互补的输出电路,具有外围电路简单,驱动电流大,温度性能好,工作稳定等优点。

SG1525的内部电路框图以及外围电路如图2中SG1525部分所示,包括:稳压电源、振荡器、比较放大器(E/A)、PWM、或非门电路、以及触发器等部分。稳压电源部分由供电端(15脚)供电,输出+5.1V参考电压(16脚),稳压精度为±1%。振荡器先产生0.6V ~ 3.5V的锯齿波电压,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由4脚输出。振荡器充放电回路分开,利用5脚和7脚间跨接的电阻RD调节死区时间。振荡频率由SG1525的5脚、6脚外接电容器CT和外接电阻器RT,以及RD决定,其值为: 。一般RT的取值范围为1.8kW~100 kW,CT为0.001mF~0.1mF,其最高振荡频率为400kHz。E/A的反相和同相输入端分别为芯片的1和2脚。E/A的输出送PWM模块,产生同步的脉宽调制信号,然后送到两个或非门电路。两个或非门电路驱动11和14脚输出脉冲信号。13脚为输出电路供电引脚。每个或非门电路有3个输入端,分别接PWM模块、振荡器和触发器。只要有一端呈高电平,输出11 和l4脚即为低电平。触发器的两个输出端电平正好相反,使得两个或非门电路交替工作,从而使芯片两个输出端相位互补,即:交替输出脉冲。另外,3脚为芯片同步端,可使振荡器同步;8脚为芯片慢启动端,一般连接一个5mF电容器或其它控制电路,使电源加电时缓慢启动;9脚为芯片补偿端,供E/A反馈连接使用;10脚为芯片关闭端,可以用其设计一个过载保护电路;12脚为芯片的公共端(地)。

  2.2 其它部分电路的设计

  开关换能器的电路拓扑采用推挽模式,在这种模式下,变换器磁芯工作在一三象限,利用率高,其优点为:(1)结构简单,只需要两个主功率管;(2)驱动电路不要隔离;(3)初级线圈绕组可以自动磁复位。

  整流电路的作用是将开关换能器输出的高频脉冲电压转换成为脉动的直流输出。倍压整流器由多个电容和二极管组成,它利用电容的存储作用,可以获得几倍于变压器次级电压的输出电压。它可以减少变压器次级线圈的圈数,特别适合于高压、小功率输出电路。由于设计中要求输出电压比较高,且输出功率比较小,故采用倍压整流电路。

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