野外X荧光分析仪的开关电源设计

　　1　前　言

　　野外分析仪器要求轻便、快速、低功耗并能适应工作环境温度变化。蓄电池组是野外分析仪器实地工作时唯一的供电方式,它一般只提供单一电压,而许 多复杂仪器各部分分别要求供给不同电源电压,供电电流也大不相同,且对稳定度也有不同的要求。此,针对野外分析仪器的特殊要求,设计一个高效稳定、小巧轻 便的供电电源显得十分重要。研制小型野外X荧光分析仪是为了在野外现场进行X荧光的全谱测量,快速测定铜等急需矿种和一些重要元素。本文通过对其开关电源 部分的设计过程,阐述了野外分析仪器所需的特殊PWM电源设计过程中的几个要素,为设计人员自主开发PWM电源介绍几点经验。

　　2　仪器构成

　　野外X荧光分析由四大部分组成:激发源;X射线探测器;X射线能谱仪及系统软件。如图1所示。其工作原理如下:激发源产生的初始X射线(或软γ 射线)激发样品中目标元素原子壳层上的电子,使原子受激,被激发的目标元素的原子在退激过程中将放射出该元素的特征X射线,测量该特征X射线的能量就可确 定元素的性质(即原子序数Z);测量该特征X射线的强度就可确定元素的含量(浓度)。

　　3　X荧光仪各部分对电源的要求

　　仪器的探测器部分选用了进口电制冷方式的Si-PIN半导体探测器组件,该探测器组件包括探间和信号放大器两部分,工作电压(电流)共有四组:Si-PIN探头偏置电压±110/10μA;放大器工作电压±12/120mA;电制冷模块工作电压±5/1A。

　　对于能谱仪部分:笔记本电脑工作电压(电流)±12V/1A;多道脉冲幅度分析器(MCA)工作电压(电流)±5V/250mA。

　　整个X荧光仪系统需要四种不同电压和功率的直流电源(±100V、±12V和±5V),总功耗约22W。因此使用蓄电池供电时,必须专门设计电源转换成四组电源电压输出。

　　4　PWM电源电路设计

　　4·1　脉宽调制PWM原理

　　本设计采用脉宽调制PWM(Pulse Width Modu-lator)开关电源技术,其基本原理及工作波形如图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,Ut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。

　　4·2　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: