智能传感器系统多路混合开关电源设计与实现

　　为对空气中低能电子(外逸电子、光电子等)进行有效计数,文献[1]提出一种双栅极空气计数管智能传感器系统,可较好解决检测中正离子轰击试件造成的误计数问题,为空气中低能电子检测提供一种新的方法和途径。本文旨在为检测系统中双栅极空气计数管提供电源设备,根据传感器系统的要求,选择合理的电路形式,设计了十三路开关电源为主体的直流输出电源,实验检测表明,所设计的多路电源满足了设计指标。

　　1　多通路混合电源设计指标

　　双栅极空气计数管传感器系统包括计数管、多路混合电源、放大电路(包括前置放大和主放大)、鉴幅电路、单稳电路、猝熄电路、抑制电路和计数电路等组成,如图1所示。计数管由阳极、阴极、猝熄栅极Gq和抑制栅极Gs构

　　成。两栅极上初始电压Uq和Us分别为100V和90V,试件上发射的低能电子被Gq和Gs加速引入计数管,吸附在空气上形成负离子向阳极运动,并在阳极附近雪崩放电,放电脉冲形成计数脉冲,同时被引入到控制电路,使得Uq和Us迅速跃至500V和-30V。Gq使得阳极放电迅速结束,Gs可捕获未被中和而越过Gq的正离子。10~20ms后,两栅极电压恢复到初始值。计数电路可实现对放电脉冲的计数,也就是试件发射低能电子数目的计数。

　　根据阳极电压与放电脉冲幅度和计数管几何参数之间的关系,通过对计数管结构优化设计[2],计算出阳极电压2000~5000V可调,输出电流1mA。栅极电压500V,100V,90V,-30V,输出电流分别为5mA, 5mA, 5mA,10mA。放大电路、鉴幅电路、单稳电路的电压分别为10V,±15V, 5V,输出电流分别为100mA,50mA,200mA。另外,根据可靠性设计,设备使用寿命要达到13000小时。

　　2　多路混合电源设计

　　多路混合电源原理框图如图2所示。为了满足交直流输入供电要求,采用PH75S280-12AC/DC开关模块将AC 220V输入变换成12V直流电压,与直流输入(备用蓄电池)相匹配。传感器系统所需的最大电压为5000V,最小为5V,可采用以DC/DC开关电源为主体的高压和中低压电路实现将12V电压转换为系统所需的十三路直流电压,这样既可减少电网侧输入的各种干扰,又可以提高电源的利用效率。

　　2·1　高压电路设计

　　高压只有一路,为实验需要,要求电压2000~5000V可调,因直流脉动小,输出功率小,可采用单端反激式开关电源电路,由脉冲控制电路、驱动电路和主电路三部分构成。主电路变压器的设计采用面积乘积法(AP法)[3-4],先根据输入输出功率求出磁芯窗口面积和磁芯有效面积的乘积AP,查表得出磁芯型号,然后确定原副边匝数、绕组线圈直径和导

　　线规格等参数。