应用技术
高压开关电源
范金友，孟 爽，庄其仁
(华侨大学信息科学与工程学院，福建泉州362021)
摘 要：采用一种纹波补偿电路使光电倍增管(PM T)直流高压开关电源的输出纹波幅度大大降低，同时对低频电压漂移也有很好的补偿效果。分析了基于信号交流分量反相叠加的纹波补偿工作原理，设计了纹波补偿电路。对不同频率、不同波形的纹波进行软件仿真，结果表明纹波衰减达40dB以上，低频电压漂移降低了2个数量级。 关键词：光电倍增管；纹波；补偿电路；开关电源
中图分类号:T N86文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2008)01-0069-04细胞核染
A High-precision Ripple-compensated High-voltage
Switch-mode Power Supply for PMT
FAN Jin-y ou,M ENG Shuang,ZHU ANG Qi-ren
(College o f I nf orm ation Science&Engineering,H uaqiao Univer sity,Quanz hou Fuj ian362021,CH N)
Abstract:A kind of r ipple-compensated circuit is used in the photo multiplier tube(PMT)DC high-voltag e sw itch m ode pow er supply and the o utput ripples are greatly reduced.Simultaneously,it can effec-tiv ely restrain the voltage dr ifting of lo w frequency voltage.T he principles of ripple com pensatio n based on reversal phase signal superposition of AC component are analyzed,and ripple-co mpensated circuit is de-signed.Sim ulation of ripple w ith different frequencies and w avefor ms show s that the r ipple is weakened by abo ve40dB,and the low frequency v oltage drifting is also reduced by tw o mag nitudes.鞋楦机
Key words:pho to multiplier tube;r ipple;co mpensation cir cuit;sw itch mode po wer
引 言
光电倍增管(PM T)常用于现代科学研究中的微弱光信号检测，如化学和生物科学研究中的荧光探测[1]
。随着科学研究水平的提高，对光电倍增管测试系统的要求也越来越高，高稳定度和低纹波系数的高压直流供电电源[2]是保证测试系统高性能工作的前提条件，因此对于光电倍增管电源的研究不断有文献报道,O.Y.Sm irno v介绍了一种高精度可预置增益系数的PM T电源系统[3]，通过初始设置增益系数值，系统自动调整高压电源的电压值来调整PM T增益，精度可达2%。V.M.Ainutdinov等研究了一种用于脉冲光谱测量的可调PM T电源，电
第28卷第1期 2008年3月
光 电 子 技 术
OPT OELECTRONIC TECHNOLOGY
Vol.28No.1
M ar.2008
收稿日期:2007-06-27
作者简介：范金友(1981—)，男，硕士研究生。主要从事光电信号检测技术方面的研究。(E-mail:fanjiny@hqu.edu)孟 爽(1983—)，女，硕士研究生。主要从事光纤传感技术的研究。
庄其仁(1960—)，男，研究员。从事光电检测技术、光纤传感技术方面的教学和科学研究工作。tbase
源消耗功率50mW，输出电压800～2000V 连续可调，最大纹波幅值为2.5mV [4]。
在各种直流稳压电源中，开关电源以其效率高、体积小等优势而被广泛采用,PM T 高压直流电源也不例外。但是作为交流电网和负载(PM T )的中间环节，由于工作在开关状态，开关电源不仅能将电网上的纹波噪声传递给PM T，同时，它本身产生的纹波噪声亦可以通过传递和辐射等形式直接影响PM T 及后续电路。因此，纹波噪声抑制是PMT 开关电源设计与应用中一个不可忽视的问题。由于科学研究对PM T 电源的输出电压漂移量和纹波幅值的要求越来越高，为此我们提出了一种采用纹波补偿电路来提高PM T 直流高压电源性能的方法。
1 工作原理
硅胶气囊带纹波补偿的PMT 高压直流开关电源工作原理框图如图1所示，主要包括低压电源电路、调整管、DC-DC 逆变器(多路输出)，纹波补偿电路以及基准电压电路、
取样电路和比较放大电路等部分。
图1 带纹波补偿的P M T 高压直流开关电源工作原理框图F ig.1 Schematics of ripple -compensat ed high vo lt age
sw itch mode pow er supply fo r P M T
低压电源通过调整管提供可变的工作电压给DC-DC 逆变器工作，逆变器可输出的多路电压值为-100～-200V 的直流稳定电压，电压的稳定主要来自取样电路、高精度基准电压和比较放大电路的
深度负反馈，最后提供控制电压给调整管进行稳压控制。由于DC-DC 变换器的输出端仍然包含多种频率成分，因此直接输出的高压电源精度较低，纹波幅值较大。图2是一些不同电源的纹波波形[5]，可见电源纹波普遍存在并且波形复杂。为此在DC-DC 变换器的输出端加一个纹波补偿电路。为了减小补偿电路的动态范围，提高精度，采用每一路输出分别进行纹波补偿，然后再由换档开关(粗调)选择不同范围
的电压输出，因此电压调节精度很高。
图2 一些电源的纹波波形
苯丙酮合成Fig .2 Ripple w av efor ms of some po wer supply
纹波补偿基本原理是基于信号交流分量的反相
叠加，如图3所示，输入电压纹波信号首先分成A 、B 两路，分别由两个相位延迟电路进行延时，相位延迟的目的是使A 、B 两路信号在叠加前完全反相。反相放大电路实现B 路信号的相位反转并将信号放大到与A 路信号等幅，然后由线性叠加电路将两路信号进行反向叠加，使输出电压纹波幅度大大减小。
图3 纹波补偿基本原理
Fig.3 Schematics of r ipple com pensatio n
2 纹波补偿电路设计
由于纹波补偿电路同时工作在直流高压下，所以主要以阻容无源器件为主，结合高压三极管放大电路
进行设计。相位延迟采用简单的阻容移相电路。图4中R 1、C 1组成相位延迟器A ,R 3、C 2组成相位延迟器B 。复合管Q 1、Q 2的静态工作点由R 6、R 7确定,
图4 纹波补偿电路原理图
Fig.4 Schematics of r ipple-co mpensated cir cuit
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光 电 子 技 术第28卷
纹波电压信号经R 6、R 7分压后幅度减小为V b =
R 7
R 6+R 7V B 。因此，复合管电压放大倍数约为K V
=R 6+R 7
R 7，以保证A 点和C 点的纹波电压信号幅度相等，相位相反。电压放大倍数通过改变R 11来调节。图5给出了软件仿真的纹波波形为正弦波、三角波和方波在不同频率下经过纹波补偿电路的输入输出信
号波形，可以看到当输入纹波信号幅度(峰值)为100m V 时，三种波形的纹波信号输出幅度都小于1mV ，即纹波衰减40dB 以上，而直流分量由输入的-200V 衰减为-78V ，直流分量的衰减是由R 1、R 2和R 9、R 10、R 11及Q 1、Q 2等效电阻R Q 1Q2
组成的
(a )
正弦纹波
(b)
矩形纹波
(c)三角纹波
图5 不同纹波输入的补偿波形:
F ig .5 Co mpensated wa vefor ms of differ ent input ripple
分压电路引起的，直流输出电压值为:
V D =R 10+R 9//(R Q 1Q 2+R 11)
R 1+R 2+R 10+R 9//(R Q 1Q 2+R 11)
V in
(1)
式(1)说明纹波补偿电路对纹波电压幅度的抑制要付出一定的直流电压代价，然而就要求高精度的稳压电源来说，这个代价是值得的。
Q 1、Q 2等效电阻R Q 1Q2的值取决于静态工作点的选择，当输入电压为-200V 时，输出电压与Q 1、Q 2等效电阻R Q1Q 2的关系如图6所示，可见三极管Q 1、Q 2
静态工作点的选择对输出电压影响较大。
图6 输出电压与Q 1、Q 2等效电阻R Q1Q2的关系F ig .6 Relations bet ween o ut put pow er supply and e-quiv alent resistance(Q 1、Q 2)
对于低频电压漂移，图4所示的纹波补偿电路同样具有很好的抑制效果，图7给出了周期为10s 的正弦形电压漂移信号的输入输出幅度变化情况。从图中可以看到，当输入直流电压-200V ，最大电压漂移量为±100m V 时，即相对电压漂移量±0.5%，得到输出直流电压-78V ，最大电压漂移量为±1mV，相对电压漂移量±0.00128%，低频电压漂移降低了2个数量级。纹波补偿电路的纹波衰减-频率特性见图8，电路对高频纹波信号的衰减比低频信号更快，这是因为电容C 1、C 2在这里起到高
频滤波的作用。
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第1期
范金友等：一种带纹波补偿的高精度P M T 直流高压开关电源
图7 低频电压漂移的输入输出波形
Fig.7 Input and o ut put w av es o f lo w frequency pow -er supply dr
ifting
图8 纹波补偿电路的纹波衰减-频率特性Fig.8 Diagr am of r ipple a ttenua tio n-frequency of
co mpensatio n circuit
3 结 论
采用带纹波补偿电路的PMT 直流高压开关电
源，可以大大减小纹波的输出幅度和低频电压漂移，提高高压开关电源的精度。软件仿真了纹波波形为正弦波、三角波和方波在不同频率下经过纹波补偿电路的输入输出信号波形，证明了纹波信号输出衰减40dB 以上，对低频电压漂移的仿真结果降低了2个数量级。
参 考 文 献
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(上接第68页)
手动风量调节阀但是由于高的工作频率要求连接每一个像素的数据
线和地址线以及薄膜晶体管具有宽的通频带，这会造成生产工艺复杂度和成本的提升，如何解决这些问题还有待进一步的研究。
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光 电 子 技 术第28卷
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