便携式野外X荧光分析仪的PWM电源设计

0　引言

研制便携式野外X荧光分析仪是国家地调局下达的地质大调查项目,在野外现场进行X荧光的全谱测量,完成化探异常快速评价等地质任务。要求能够在现场同时测定As、Cu、Co、Ni、Zn、Pb、Fe等多种元素,检出限达10-6量级。该仪器采用小型低功率X光管作激发源,电制冷Si-PIN半导体探测器作为探测元件,且野外现场操作,因而整机供电有特殊要求。因此研制了采用脉宽调制PWM ( Pulse Width Modulator)技术的电源模块。

1　X荧光仪结构简介

X荧光仪由激发源、X射线探测器、X射线能谱仪及PWM电源等4部分组成(图1)。X荧光测量属核分析的方法,其工作过程如下:样品受激发产生的X射线经探测器转化为电信号,这些信号通过由脉冲信号放大器、多道脉冲分析器(MCA)和笔记本微机系统构成的X射线能谱仪,探测该辐射的能谱;收集到的谱线由软件系统完成元素的定性、定量分析。

2　仪器各部分对电源的要求

仪器的探测器部分:选用美国AMPTEK公司生产的电制冷Si-PIN半导体探测器组件,其半高宽FWHM在5.9keV能量(55Fe源)处为180eV,接近室内液氮制冷Si(Li)半导体探测器的水平。该探测器组件包括Si-PIN探头(含电制冷模块)和信号放大器两部分,工作电源共有4组:Si-PIN探头偏置电源+110V/10μA,放大器工作电源±12V/120mA,电制冷模块工作电源+5V/1A。对于激发源部分:供小型功率X光管工作的高压源采用倍压方式(20kV),工作电源:+12V(250mA)。

另外,能谱仪部分:笔记本电脑工作电源+12V/1A;多道脉冲分析器(MCA)工作电源(电流)+5V/250mA。

可见,电源部分要为整个X荧光仪系统供应4种不同电压和功率的直流电源(+110V、±12V和+5V),总输出功率约25W。而仪器使用蓄电池供电,为维护方便也只能采用单一电压的电池。因此专门设计采用PWM的电源转换电路,将单一直流电压转换成4组电压输出。

3　PWM电源电路设计

3.1　脉宽调制PWM方案

脉宽调制的工作过程及波形如图2所示。

锯齿波发生器产生周期为T的锯齿波信号Ur,送到PWM比较器的反相端,与同相端电压控制信号Ut相比较。当Ut大于锯齿波电压时,比较器输出U0为高电平,反之,U0为低电平。U0信号控制后续的大功率开关管的导通与截止,从而实现电压的转换。其中,PWM比较器同相端的电压控制信号由外部提供,可以是死区时间控制信号,也可以是输出电压的反馈信号。

3.2　电路设计

在实际电路设计中,采用专用集成PWM控制器TL494作为电源电路的控制核心,其应用特点如下:

①推挽/单端输出;

②工作频率高达200kHz;

③可调死区控制;

④工作电压7～40V;

⑤内部基准电压+5V。