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高压直流电源是核辐射测量仪器的关键部件，针对于应用光电倍增管的核辐射探测器，本文设计了一种高压直流电源，具有体积小、效率高、噪声低的特点，通过调节外部输入基准电压可实现输出高压0～1000V 可调。为达到高效率、低纹波的设计要求，设计了采用PWM 控制方式的开关电源。核心逆变电路采用自激推挽式结构的罗耶谐振电路，该结构电源利用率高，开关噪声低。通过NE555产生脉冲信号和N 沟道的MOSFET 作为逆变电路的驱动电路，二次升压通过倍压整流电路实现，最后通过二阶RC 滤波电路滤除纹波输出直流高压。最终测试结果，通过调节基准电压可实现高压电阻分压采样反馈至LM358控制芯片，通过与给定Adj 电压比较，将控制芯片输出电压反馈到NE555控制引脚，构成闭环反馈网络，控制输出的PWM 占空比，从而控制罗耶谐振电流，达到输出稳定电压的目的。电路整体示意图如图1所示。
2 电源主电路设计
2.1 驱动电路
罗耶谐振电路是一种自激振荡电路，三极管可工作在线性状态下，工作在线性状态下可有效地降低电路的谐波分量，但是电源
低噪声光电倍增管的高压电源研制
举宫
成都理工大学地学核技术四川省重点实验室 张 桥
图1 电路整体示意图
图像识别
图2 驱动电路
输出高压实现0～1000V 可调，静态功耗不超过0.14W ，满功率的工作状态下，输出高压纹波低于7.8mV ，效率达到60%以上。
光电倍增管入射光子与输出电流成正比，响应时间短且增益高，由于这些优异的特性，光电倍增管广泛的应用于核辐射探测领域。光电倍增管在使用中需要高压偏置电场，高压电源的稳定性与噪声大小都将影响信号的质量。高压电源纹波噪声不能完全去除，设计高压电源时要尽可能的降低纹波。应用于光电倍增管的高压电源纹波一般要小于0.1%，针对光电倍增管对高压直流电源的性能要求，设计了一种低纹波、高效率、小体积、高稳定性的高压直流电源，可适用于核仪器探测器中光电倍增管的偏压电源需求。
1 电源系统工作原理
该电源设计主要由驱动电路、倍压整流电路、二阶RC 滤波电路、电阻分压反馈和控制电路构成。采用9V 供电，通过对Adj 引脚输入控制电压，可对应得到0V 至1kV 电压输出。本设计采用PWM 控制方式，通过NE555产生的脉冲信号，驱动N 沟道的MOSFET 为罗耶谐振电路提供谐振电流。罗耶谐振电路作为核心的逆变电路，通过自激振荡实现第一次升压，倍压整流电路对谐振产生的交流电压进行二次升压，最后通过滤波电路得到所需直流高压。将输出电压用
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效率不高，为了提高电源的整体效率采用PWM控制方式。本设计采用NE555和N沟道MOSFET作为驱动电路，为了降低引入的开关噪声，在MOSFET栅极接一个小电容到地，这样可以延缓PWM的跳变时间，在一定程度上抑制了开关噪声，采用这样的结构能实现低纹波、高效率的设计。NE555通过外围电阻、电容来实现脉冲频率调节，通过反馈到控制引脚的电压来调节输出脉冲的占空比。如图2所示。
2.2 罗耶谐振电路
罗耶谐振电路为自激推挽式拓扑结构，取值过小，会导致整个电源的负载能力变得很差，使得电源整体性能下降。电容取值过大会导致初级铜损变大，使得整体效率变低。所以通常采用减小电感的方式
来提高频率，当电感量过小的时候，漏感的影响就会变大。所以将振荡频率选择在220kHz左右，这样的设计也降低了高频变压器的制作难度。
2.3 倍压整流与滤波电路
需要获得的输出电压较高，无法通过罗耶谐振电路一次升压达到所需高压，所以采用倍压整流电路来进行二次升压，这样不仅可以降低高频变压器的制作难度，也可减小电源体积。本设计采用倍压整流电路，该电路对于倍压电容的耐压要求不会超过两倍的次级峰值电压降低了设计难度。倍压电路倍增级数过大，会增大跌落电压，降低负载能力，四倍压电路是本设计的一个合理选择。实际电路选用2.2nF/400V
的
图3 罗耶谐振电路
图4 倍压整流与滤波电路
电源利用率高、响应速度快，适合设计的要求。核心逆变电路由一个基极电阻，两个三极管，一个谐振电容和高频变压器组成。由于不可能存在两个性能参数完全相同的三极管，电路启动的时候，两个三极管基极流入的电流将会存在差异，两个三极管集电极的电流也绝对不会相等。若流过Q1的电流较大，Q1集电极电流的变化就决定了变压器磁通量的方向和大小。辅助绕组上因为磁通的变化会产生感应电动势，感应电动势会对集电极电流大的三极管形成正反馈，直到该三极管完全导通。此时辅助绕组的磁通量达最大值，磁通的变化率反向，感应电动势也随之反向，驱动另一只三极管导通，两只三极管轮流导通、截止在变压器初级绕组上形成振荡，振荡频率f由谐振电容C1变压器初级线圈电感L决定。如图3所示。
(1)
提高谐振频率时可以提高电源效率，但是频率提高是有限度的。因为提高频率可通过降低电感和减小电容来实现，当谐振电容陶瓷电容，选用超快恢复二极管ES1JF。为有效降低输出纹波，又不影响电源系统的稳定性，滤波电路选择传统的二阶RC滤波。如图4所示。
2.4 控制电路
将输出高压通过高压电阻采样，将采样电压反馈到LM358的负相端，通过与正相端给定的Adj控制电压相比较，产生控制电压输出到NE555的控制端，实现对NE555脉冲占空比调节。当反馈采样电压低于给定的Adj控制电压时，LM358的输出电压升高，使得NE555控制引脚电压升高，进而增大输出脉冲的占空比，使得电路谐振电流增加直到达到平衡状态。如图5所示。
3 性能测试
3.1 稳定性测试
fe光模块通过Adj端口调压，将高压电源升压到1000V，用数字高压表对输出电压进行测量。对电路做稳定性测试，每隔半小时记录一次高压表数值，连续监测8h，测量结果如图6所示，由图可以看出电
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源稳定性优于0.09%/8h 。3.2 带负载能力
带负载能力是高压直流电源极为重要的指标，若带负载能力极弱，高压直流电源的设计将没有意义。带负载能力实际指的就是电
流输出能力，本电源设计主要应用于光电倍增管，通常使用时输出电压较高，所以测试了最大输出电压下的带负载能力，测试结果如表1所示。滑动水口
表1 带负载能力测试
负载电阻/M
输入电流/mA
输出电压/V
10.13210111.50.091101120.067101130.05101140.03910115
0.033
1011
3.3 效率测试
电源效率指的就是高压直流电源输出功率与输入功率的比值，电源效率是高压直流电源的重要指标，高效率电源可降低电源发热量，增加电源的稳定性。本文通过精密电流表和数字高压表直接测量输入、输出的电流和电压来计算电源效率。在使用2M 固定负载的情况下，调节输出电压，测试结果如图7所示，可以看出在输出带2M 负载，输出电压为1000V ，效率达到了63.3%。3.4 纹波测试
高压直流电源输出纹波是高压直流电源极为关键的指标，本设计的高压直流电源应用于光电倍增管，要求输出高压拥有极低纹波噪声。将高压电容串联在高压输出端，由于电容隔直通交，可利用示波器在电容的另一端直接测量纹波噪声。本文测试了不同输出
电压下的纹波噪声，测试结果如表2所示，纹波噪声小于0.00077%。
表2 纹波电压测试结果
输出电压/V
纹波电压/mV
百分比/%203 5.20.00256405 5.40.00133607 5.80.00095709 6.20.00087810 6.80.000831011
7.8
0.00077
结论：本文采用NE555和N 沟道的MOSFET 作为驱动电路，利用结构简单、电源利用率高的罗耶谐振电路作为核心逆变电路，LM358作为控制电路，设计出的高压直流电源具有效率高、低噪声、小体积等优
点。通过测试结果可以看出设计的高压直流电源各项
图5 控制电路
图6 电源输出电压稳定度测量
图7 2M负载下不同输出电压效率
指标满足与应用于光电倍增管的要求。
作者简介：张桥（1995—），男，四川南充人，成都理工大学硕士研究生，主要从事核辐射探测与核电子学研究。电子标签分拣系统
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