基于三极管空间粒子辐射探测器偏压电源设计

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1、基于三极管的空间粒子辐射探测器偏压电源设计*摘要：采用三极管振荡电路、变压器和稳压芯片，设计一套线性偏压电源。将单组+5.2V电源转换为Si-PIN探测器所需的-165V偏压电源。该电源具有体积小、功耗低、纹波小和稳定性好等特点。关键词:空间粒子辐射探测器；线性偏压电源；空间粒子辐射是威胁卫星在轨安全运行的重要空间环境因素。空间粒子作用于卫星上的元器件和原材料，通过单粒子效应、总剂量效应、内部充放电效应等对航天器产生影响，严重时会导致卫星出现不可修复的故障。为了了解航天器在轨时所面临的空间辐射环境，保证卫星在轨安全稳定运

2、行，有效手段之一是对卫星轨道进行空间粒子辐射探测。空间粒子辐射探测器大致可以分为以下几个部分[1]：半导体探头及其读出电路、偏压电源、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、低纹波系数的反向偏压下才能正常工作，偏压电源就是提供此偏压的单元。针对空间环境探测应用，偏压电源要具有体积小、功耗低、稳定度高和纹波系数小等特点。针对空间粒子辐射探测器半导体探头的特点，应用三极管振荡电路、变压器和稳压芯片，设计一套线性偏压电源，具有体积小、功耗低、稳定度高和纹波系数小等优点。偏压电源的基本原理是基于三极管振荡电路的变压

3、器变换方法。其原理框图如图1所示。图1偏压电源的原理框图其中，振荡电路可以产生固定频率的准正弦波信号。变压器将准正弦波信号进行升压，并经过倍压整流电路，使输出电压能够满足要求。滤波电路采用两级RC滤波，将脉动直流平衡成低纹波直流电压。分压电路采用电阻分压采样，其取样电压与稳定的参考电压进行比较，比较的结果送至输入能量控制器。输入能量控制器根据比较耦合电路的输出控制+5.2V电源输入振荡电路的能量。当偏压电源的输出电压由于某种原因变高时，分压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进行比较将产生较低的误差电压

4、输出。误差电压送至输入能量控制器，可以减小输入能量控制器的输入能量，从而导致输出电压下调，使得输出电压得到稳定。反之，当偏压电源3的输出变低时，取样、比较后产生的误差电压将升高，从而增加输入能量控制器的输入能量，导致输出电压上调，使得输出电压得到稳定。1.1输入能量控制器输入能量控制器采用三极管电路，如图2所示。图2输入能量控制器原理图其中，控制电压来自比较耦合电路的输出。通过控制三极管的栅极电压来控制从源极输入到漏极的电流。漏极的电压由栅极电压控制。因此可以通过改变控制电压来改变其能量输出。1.2振荡电路和变压器振荡电

5、路采用晶体管振荡电路,将变压器的辅助线圈输出电压作为晶体管的基极反馈电压,由此形成振荡电路。振荡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。电路原理图如图3所示。图3振荡电路原理图1.3倍压整流电路和滤波电路原理图如图4所示。3图4倍压整流电路和滤波电路原理图其中，倍压整流电路由两个电容和两个整流二极管组成，它利用电容的存储作用，可以获得两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

6、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。滤波电路采用两级RC滤波，将脉动直流平衡成低纹波直流电压。之所以选用两级RC滤波是因为一级时相位滞后90度左右，两级时滞后180度左右，与原纹波相互抵消所致，可以大大降低输出电压的纹波。1.1分压电路、参考电压和比较耦合电路分压取自电源的负载端，滤波网络之后。取样电路的变化会引起稳压电源输出电压的变动，为保证电源的稳定性指标，应该采用温度系数小的取样电阻。参考电压选用AD580，它是美国AD公司推出的一种3引脚精

7、密电压基准源。其输出电压为+2.5Ｖ，精度为0.４％，温漂为10ppm/°C。具有1.5mA输出电流能力。输入电压可在4.5V到30V的宽电压范围内变化。参考文献：[1]于向前陈鸿飞等.空间粒子辐射探测器高压电源设计[J].核电子学与探测技术，2008年第3期[2]姜海静等.用于Si-PIN探测器的无变压器式高压偏置电源[J].核电子学与探测技术，2004年第6期[3]ＡＤ５８０．ｐｄｆ[4]谢自美.电子线路设计实验测试[M].武汉:华中科技大学出版社，2006年8月第三版第31-32页3