基于三極管的空間粒子輻射探測器偏壓電源設(shè)計

1、<p>　　基于三極管的空間粒子輻射探測器偏壓電源設(shè)計*</p><p>　　摘要：采用三極管振蕩電路、變壓器和穩(wěn)壓芯片，設(shè)計一套線性偏壓電源。將單組+5.2V電源轉(zhuǎn)換為Si-PIN探測器所需的-165V偏壓電源。該電源具有體積小、功耗低、紋波小和穩(wěn)定性好等特點。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 空間粒子輻射探測器；線性偏壓電源； </p><p>　　空間

2、粒子輻射是威脅衛(wèi)星在軌安全運行的重要空間環(huán)境因素。空間粒子作用于衛(wèi)星上的元器件和原材料，通過單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、內(nèi)部充放電效應(yīng)等對航天器產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時會導(dǎo)致衛(wèi)星出現(xiàn)不可修復(fù)的故障。為了了解航天器在軌時所面臨的空間輻射環(huán)境，保證衛(wèi)星在軌安全穩(wěn)定運行，有效手段之一是對衛(wèi)星軌道進(jìn)行空間粒子輻射探測。</p><p>　　空間粒子輻射探測器大致可以分為以下幾個部分[1]：半導(dǎo)體探頭及其讀出電路、偏壓電源、信號處理單

3、元和數(shù)據(jù)處理單元。半導(dǎo)體探頭需要在高穩(wěn)定度、低紋波系數(shù)的反向偏壓下才能正常工作，偏壓電源就是提供此偏壓的單元。針對空間環(huán)境探測應(yīng)用，偏壓電源要具有體積小、功耗低、穩(wěn)定度高和紋波系數(shù)小等特點。</p><p>　　針對空間粒子輻射探測器半導(dǎo)體探頭的特點，應(yīng)用三極管振蕩電路、變壓器和穩(wěn)壓芯片，設(shè)計一套線性偏壓電源，具有體積小、功耗低、穩(wěn)定度高和紋波系數(shù)小等優(yōu)點。</p><p>　　偏壓電源的

4、基本原理是基于三極管振蕩電路的變壓器變換方法。其原理框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 偏壓電源的原理框圖</p><p>　　其中，振蕩電路可以產(chǎn)生固定頻率的準(zhǔn)正弦波信號。變壓器將準(zhǔn)正弦波信號進(jìn)行升壓，并經(jīng)過倍壓整流電路，使輸出電壓能夠滿足要求。濾波電路采用兩級RC濾波，將脈動直流平衡成低紋波直流電壓。分壓電路采用電阻分壓采樣，其取樣電壓與穩(wěn)定的參考電壓進(jìn)行比較，比較的結(jié)果送至輸

5、入能量控制器。輸入能量控制器根據(jù)比較耦合電路的輸出控制+5.2V電源輸入振蕩電路的能量。</p><p>　　當(dāng)偏壓電源的輸出電壓由于某種原因變高時，分壓電路可以獲得較高的取樣電壓。把取樣電壓與穩(wěn)定的參考電壓進(jìn)行比較將產(chǎn)生較低的誤差電壓輸出。誤差電壓送至輸入能量控制器，可以減小輸入能量控制器的輸入能量，從而導(dǎo)致輸出電壓下調(diào)，使得輸出電壓得到穩(wěn)定。反之，當(dāng)偏壓電源的輸出變低時，取樣、比較后產(chǎn)生的誤差電壓將升高，從而

6、增加輸入能量控制器的輸入能量，導(dǎo)致輸出電壓上調(diào)，使得輸出電壓得到穩(wěn)定。</p><p><b>　　輸入能量控制器</b></p><p>　　輸入能量控制器采用三極管電路，如圖2所示。</p><p>　　圖2 輸入能量控制器原理圖</p><p>　　其中，控制電壓來自比較耦合電路的輸出。通過控制三極管的柵極電壓來控

7、制從源極輸入到漏極的電流。漏極的電壓由柵極電壓控制。因此可以通過改變控制電壓來改變其能量輸出。</p><p><b>　　振蕩電路和變壓器</b></p><p>　　振蕩電路采用晶體管振蕩電路,將變壓器的輔助線圈輸出電壓作為晶體管的基極反饋電壓,由此形成振蕩電路。振蕩電路拓?fù)洳捎猛仆炷Ｊ?，在這種模式下，變換器磁芯工作在一三象限，利用率高，其優(yōu)點為：(1)結(jié)構(gòu)簡單，

8、只需要兩個主功率管;(2)驅(qū)動電路不要隔離;(3)初級線圈繞組可以自動磁復(fù)位。電路原理圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 振蕩電路原理圖</p><p>　　倍壓整流電路和濾波電路</p><p><b>　　原理圖如圖4所示。</b></p><p>　　圖4 倍壓整流電路和濾波電路原理圖</p>

9、<p>　　其中，倍壓整流電路由兩個電容和兩個整流二極管組成，它利用電容的存儲作用，可以獲得兩倍于變壓器次級電壓的輸出電壓，它可以減少變壓器次級線圈的圈數(shù)，特別適合于高壓、小功率輸出電路，由于設(shè)計中要求輸出電壓比較高，且輸出功率比較小，故采用倍壓整流電路。</p><p>　　濾波電路采用兩級RC濾波，將脈動直流平衡成低紋波直流電壓。之所以選用兩級RC濾波是因為一級時相位滯后90度左右，兩級時滯后180

10、度左右，與原紋波相互抵消所致，可以大大降低輸出電壓的紋波。</p><p>　　分壓電路、參考電壓和比較耦合電路</p><p>　　分壓取自電源的負(fù)載端，濾波網(wǎng)絡(luò)之后。取樣電路的變化會引起穩(wěn)壓電源輸出電壓的變動，為保證電源的穩(wěn)定性指標(biāo)，應(yīng)該采用溫度系數(shù)小的取樣電阻。</p><p>　　參考電壓選用AD580，它是美國AD公司推出的一種3引腳精密電壓基準(zhǔn)源。其輸出

11、電壓為+2.5Ｖ，精度為0.４％，溫漂為10ppm/°C。具有1.5 mA輸出電流能力。輸入電壓可在4.5V到30V的寬電壓范圍內(nèi)變化。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 于向前 陳鴻飛等. 空間粒子輻射探測器高壓電源設(shè)計[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2008年第3期</p><p>　　[2