GM計(jì)數(shù)管微功耗高壓電源的設(shè)計(jì)

GM計(jì)數(shù)管微功耗高壓電源的設(shè)計(jì)摘要：本文根據(jù)核輻射測量用GM計(jì)數(shù)管的需求特點(diǎn)設(shè)計(jì)了5V-450V高壓及脈沖整形電路模塊并進(jìn)行了計(jì)算、仿真和測試，結(jié)果表明該電路具有體積小、功耗低、輸出穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。八、、o關(guān)鍵詞：核輻射探測；微功耗；450V;脈沖整形。0引言隨著核工業(yè)的發(fā)展，GM計(jì)數(shù)管作為核輻射探測儀器中普遍采用的傳感器之一，因其靈敏度高、體積小、重量輕且測量電路簡單可靠等特性在便攜式核儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。但是從國內(nèi)現(xiàn)狀來看在GM計(jì)數(shù)管的前置電路特別是高壓電路與國外先進(jìn)水平有一定差距，國外的高壓電路一般變壓比高、輸出精度高、靜態(tài)電流小，國內(nèi)在升壓比方面不成問題，但是輸出高壓的波動(dòng)性較大，且靜態(tài)電流較大，不僅使整機(jī)功耗增大，而且因?yàn)榇箅娏鲗?dǎo)致高壓模塊發(fā)熱最終降低了高壓部分器件的整體性能，從而限制了其在便攜式核儀表方面的應(yīng)用。本文立足于常規(guī)電子元器件和國產(chǎn)變壓器設(shè)計(jì)制作了5V供電、200V-700V可調(diào)高壓輸出、500V以下精度0.2%、靜態(tài)功耗1.2mW、最大輸出功率可達(dá)到200mW以上的高壓及脈沖整形前置模塊。電路設(shè)計(jì)1.1升壓工作原理設(shè)需要輸出的高壓為U，變壓器次級(jí)線圈和初級(jí)線圈之比為N:N=n，則初級(jí)線圈需要HV 2 1產(chǎn)生的平均電壓約為U=U/n（變壓器初次級(jí)線圈的互感忽略，鐵銅損不計(jì)，以下皆同），1HV初級(jí)回路一般為斬波升壓，如圖1所示:圖1變壓器初級(jí)線圈工作示意圖S為斬波電子開關(guān)，L為初級(jí)線圈，r為初級(jí)線圈等效電阻，D1為反向高壓二極管，R為升壓電阻，R的一端為輸出高壓U1，一般r為Q級(jí)，R為MQ級(jí)，在0時(shí)刻S閉合時(shí)L開始儲(chǔ)能，L+r兩端電壓為UBAT約等于R兩端電壓（D1壓降忽略，以下皆同），而經(jīng)過線圈L的電流為:”，、U/sI(S)=~BATL sL+rI(I(t)=L-i[I(s)]=LLUBATr在T時(shí)刻S斷開，電路進(jìn)入升壓階段，U輸出為：011U(s)=IR—i t0 R+rs+LU(t)=L-1[U(s)]=RIe■Lt1 1 T0I為T時(shí)刻L上的電流。T0 0假設(shè)又經(jīng)過T時(shí)刻后即2T時(shí)刻S閉合，則在第一個(gè)周期內(nèi)U處的平均電壓為:001RIL -心tto (1—el0)(R+r)T01.2輸出高壓計(jì)算對(duì)于常見的儀表用貼片型變壓器一般繞線高度8mm，繞線直徑10mm,初級(jí)線圈銅絲線徑0.1mm,為保證匝數(shù)比三90初級(jí)線圈的匝數(shù)不是很高，一般為＜10圈，這里以8圈為例，經(jīng)計(jì)算初級(jí)線圈的電感值為504nH，電阻值以10Q計(jì)算；對(duì)于升壓電阻R我們選擇10MQ電阻；電源電壓U=4.8V；BAT電子開關(guān)使用占空比為1的矩形波控制，周期為10ps,即T=5ps。0這樣在第一個(gè)周期內(nèi)，U處的平均電壓為：1107x504x10-94.8 —10x5x10—6 —10+107x5xio-6U= xx(1-e504x10-9)x(1—e504x10-9 )沁0.0484(V)1(107+10)x10-5 10而U=nXU=0.0484X90=4.356(V)，可見在1個(gè)開合周期內(nèi)輸出高壓不能達(dá)到使用要HV 1求，但是第一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的高壓將會(huì)累積在輸出端儲(chǔ)能電容上，儲(chǔ)能電容大小一般為10nF，并聯(lián)電阻一般為GQ級(jí)，以2GQ計(jì)算其放電時(shí)間常數(shù)為20s，對(duì)于初級(jí)升壓來說可以認(rèn)為輸出電壓恒定，經(jīng)計(jì)算輸出高壓要達(dá)到450V約需要N=450/4.356=103.3個(gè)開合周期。這時(shí)可以使變壓器間歇工作以降低靜態(tài)功耗——當(dāng)輸出電壓大于等于閾值電壓時(shí)變壓器停止工作，當(dāng)輸出電壓小于閾值電壓時(shí)變壓器繼續(xù)工作進(jìn)行升壓，該模塊工作原理框圖如圖2所示：圖2高壓電路工作模塊簡圖1.3電路功耗估算

我們先來計(jì)算變壓器工作時(shí)從0V輸出至450V輸出升壓過程中的靜態(tài)電流，由于R值很大，其電流可以忽略，所以電路的主要功耗集中在L和r上。假設(shè)輸出450V時(shí)要求精度為IV,則變壓器第一個(gè)工作周期時(shí)長為：449T=-20xln()+2xNxT-0.0455(s)450 0則第一個(gè)工作周期內(nèi)平均工作電流為：1U“ "t 1 4.8504x109 10 -10X5Xi0-6I=NbatJ0(1—el)dt-206.6x xx x( x5x106+e504X10-9 -1)u10.65(mA)LTr0 0.045510 10 504x10-9在第二個(gè)及以后的升壓周期內(nèi)每個(gè)周期所用的升壓時(shí)間解下方程可得：1ft RIL -R+rt 1U=JU(t)dt=t(1一el)=-1 2t01 2(R+r)t 90tu1.17x10-16(s)這個(gè)結(jié)果是在理想情況下算出來的，如果是1V的誤差在靜態(tài)情況下每次所用的升壓時(shí)間極短，已經(jīng)超出了電子開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間。所以估算過程用如下方式。靜態(tài)下第二個(gè)及以后的升壓周期每個(gè)周期時(shí)長為：4490.0455+20xlnTOC\o"1-5"\h\z449T= 45幺—20xlnu0.0447(s)4.356 450在第二個(gè)及以后的升壓周期內(nèi)每個(gè)周期的平均工作電流為：1U rI=NBATJT0(1-e-Lt)dtu11.36(rA)LTr0那么加電后第一秒內(nèi)平均電流為：10.0447x11.36x10-3+10.84u11.08(mA)0.0445以后靜態(tài)下維持高壓每秒的平均電流為：11.36u255.28(rA)0.0445由于其他元件都是CMOS和無源器件，工作電流很小，所以電路整體功耗較小，實(shí)驗(yàn)電路的實(shí)測靜態(tài)功耗約為1.2mW。1.4高壓及脈沖整形電路VDD高壓部分原理圖如下圖3所示：VDDVQD：：：：：：：：：：：：：：：：C52GD：::1：0iiF:C52GD：::1：0iiF::::36：：：：：：：：?220kn：二；「；:lHv_c:30Mo04二4.8VBS170BS17030Mo04二4.8VBS170BS170圖3高壓電路原理圖8XMM1四與非門u與R和C構(gòu)成了脈沖信號(hào)發(fā)生器，用來產(chǎn)生占空比1：1的矩形脈沖，周期161由R和C的值確定，場效應(yīng)管Q相當(dāng)于電子開關(guān)，受控于矩形脈沖，T為升壓變壓器，D、61122C進(jìn)行整流，HV_OuT為高壓輸出接計(jì)數(shù)管，Q、Q、Q、R、R、R組成了高壓反饋及調(diào)整52474187電路。圖4為脈沖整形電路：圖4脈沖整形電路原理圖signalin為計(jì)數(shù)管輸出的模擬脈沖，經(jīng)過C、R、R進(jìn)行簡單的調(diào)幅調(diào)寬后送入由四41617與非門u組成的正脈沖觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路再輸出標(biāo)準(zhǔn)寬度的TTL脈沖用于計(jì)數(shù)，脈沖寬度由4C、R的值確定。38實(shí)驗(yàn)測試首先根據(jù)以上設(shè)計(jì)對(duì)電路進(jìn)行了仿真，其結(jié)果比較理想，5V供電、450V高壓輸出，電路工作時(shí)整體工作電流40pA,即功耗只有200pW,這是因?yàn)槔硐胱儔浩鬓D(zhuǎn)換效率是100%,而其他元器件功耗極低。仿真完成后制作了65*45mm雙層板，PCB如圖5所示，由于是可控雙通道并且含有電荷泵等其他電路，因而尺寸較大。圖5雙通道GM計(jì)數(shù)管高壓及前置電路PCB高壓測試時(shí)由于萬用表內(nèi)阻的影響靜態(tài)工作電流有所增大，測量為1.13mA，由萬用表測得的高壓在452.6V-453.2V之間變化，如圖6所示：

圖6測試連接圖電路中無扼流元件，所以計(jì)數(shù)管工作在本底狀態(tài)下時(shí)整個(gè)電路的工作電流為0.03mA-0.25mA。圖7為整形后的信號(hào)輸出，設(shè)計(jì)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路保持時(shí)間約為1ps,在本底測試時(shí)脈沖寬度基本都是1ps,如圖七上部信號(hào)所示，但是實(shí)際測量中施加活度較大的放射源時(shí)輸出信號(hào)寬度從1ps至3ps不等，可能受輸入信號(hào)的疊加、幅度等因素影響。圖七下半部分為測量小活度放射源時(shí)的信號(hào)輸出。Ch1S.Ons^otS.Ops.^itM4.0ms125kS/saCh1f1.28YM4.0ms125MS/SACh1fCh1S.Ons^otS.Ops.^itM4.0ms125kS/saCh1f1.28YM4.0ms125MS/SACh1f1.28V融昭咖llmM"如厳叫Ch12：OY本底輸出備活度源輸出艸叭卩艸■回耐*?|門別M胡時(shí)犯妝枷I詡也坤的|1巾制理刪輛刨刪”*郵科邯片圖7整形后的信號(hào)輸出電路改進(jìn)正式應(yīng)用時(shí)對(duì)上述電路進(jìn)行3點(diǎn)改進(jìn)，精簡電路的同時(shí)，雙通道改為單通道，采用貼片元器件，電路板整體尺寸有較大的縮減，尺寸由原來的65*45mm減小為①21mm的兩塊板上,兩塊板組裝后的整體高度不超過15mm,PCB如圖八所示：圖八改進(jìn)后的高壓前置電路PCB結(jié)語在設(shè)計(jì)中根據(jù)電路和變壓器特性有一個(gè)最佳變壓比和最佳輸出高壓，如果變壓比和輸出高壓分別小于等于這兩個(gè)值，變壓器靜態(tài)功耗小、效率高、輸出穩(wěn)定、負(fù)載能力強(qiáng)，如果大于這個(gè)值，則靜態(tài)功耗急劇增加、效率嚴(yán)重下降，并且輸出高壓變化幅度增大?，F(xiàn)在有些高壓模塊為了追求比較高的高壓輸出而不注意器件參數(shù)與電路之間的匹配，雖然輸出高壓高，如1000V以上，但是靜態(tài)功耗太大導(dǎo)致變壓器工作時(shí)間稍長即出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，并且輸出高壓誤差大。所以在高壓模塊的設(shè)計(jì)時(shí)必須注意電路各參數(shù)的匹配，第一步可先通過軟件仿真，仿真時(shí)要求對(duì)器件模型的建立需要有比較全面專業(yè)的了解，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試將工作點(diǎn)確定，使設(shè)計(jì)變成實(shí)用電路。設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果往往和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果有一定差別，但是設(shè)計(jì)計(jì)算作為一種手段又非常必要，因?yàn)橥ㄟ^計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路是否可行、當(dāng)中有無重大設(shè)計(jì)缺陷等，但又不能完全依