基于Max1847的核仪器高压电源设计

杨 建，郑永明，黄 平

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

电离室、正比计数管和盖革管等核探测器是核仪器常用的核辐射探测器，核辐射探测器在应用过程中必须设计高压电源系统。核仪器中的高压电源一般都是由系统中的低压直流电压经过高频振荡变换成交流电压，再经过整流滤波成直流高压，高压一般为±100～±1 000 V[1]。不同的核辐射探测器应用要求不同的高压及极性，高压电源要求电压稳定，低纹波，例如在诊断X射线剂量检测中一般采用是0.6 cm3电离室，所采用的电离室高压要求是-300V。Max1847是一种高效反相电流型PWM开关控制器，工作电压为+3.0～+16.5 V，振荡频率可以通过电阻设置为100～500kHz，具有关断功能。它可以应用在紧凑和低噪音的反相DC-DC转换器中，适合于便携带型核仪器的高压电源的设计，应用Max1847可以设计出小型、可靠和高精度的剂量检测系统高压电源。根据核仪器的开发要求，可以设计一种核仪器通用型高压电源系统：输入电压的最小值Vdcmin=4V，最大值Vdcmax=6V，开关频率为f=100kHz，输出电压Vout=-300V，最大负载电流Imax=1.25mA，输出电压纹波Vp-p≤200mV。

1 开关电源拓扑

开关电源拓扑常用的基本拓扑约有14种，每种拓扑都有其自身的特点和适用场合[2-3]。在最大输出功率为5～150 W的低成本电源应用中，反激拓扑应用广泛。反激拓扑未使用输出电感，这样节省了成本，减小了体积和反激变压器中的损耗。它非常适合于输出电压高达400V而输出功率为较低的15～20W的应用场合，因此反激变压器拓扑非常适用于核仪器高压电源的设计。

图1为反激式开关电源电路简图及电压电流分析图。下面分析PWM开关电路的工作原理。功率开关管Q与变压器T原边绕组串联。变压器T用来存储开关导通时的能量并提供输入电压源和输出电压之间的隔离。稳态运行时，开关导通时间为Ton，绕组同名端相对于非同名端的电压极性为正。在Ton期间，二极管D变为反向偏置而变压器可看作一个电感。电感值等于变压器原边励磁电感Lp，储存来自输入电压源Vin的磁能。因此，变压器原边电流从0线性上升到Ipk，当二极管D1变为反向偏置时，负载电流Iout由输出电容Cout提供。输出电容值应足够大，这样才可保证在Ton时间内提供相应的负载电流，同时使输出电压跌落的程度为所规定的最大值。通过输出电压的反馈，开关控制器调整脉宽的大小从而实现输出电压的稳定[4-5]。

图1 反激式开关电源电路简图及电压电流分析图

2 主电路设计

Max1847采用了电流型PWM控制架构，内部集成了误差放大器、电流传感放大器、斜率补偿、误差比较、振荡器、关断电路、欠压锁定及场效应管驱动等电路。

如图2所示，R4为电流采样电阻，C5、R5和R6为输出电压反馈电路，R1为频率设置电阻，R2和C3为环路补偿电路，U2为低电压NMOS管。D1为整流管，选用耐高压的快速肖特基二极管UF1M，C6为输出滤波电容。SW为高压电源控制端，当输入为低电平时关闭电源系统的运行。

Max1847可以驱动多种类型的P型场效应管及N型场效应管，由于采用了Flyback电源拓扑结构，功率场效应管应该选择N型场效应管。输入电压在4～6 V之间，要达到较好的性能，就必须选择低栅源电压及低导通电阻的N型场效应管。最大漏源电压必须要考虑输入电压、反激电压及变压器漏感引起的电压尖峰，不能超过它们的总和，要适当地留些余量。

输出电压是通过电阻分压实现的，Vref一般为1.25 V，输入FB脚的整流电压为0 V，参考电压的负载反馈电阻的电流必须小于500 μA，R5的典型阻值为12 kΩ，由R6=Vout/（Vref/R5）可以得出R6为2.88MΩ。

Max1847为高频开关控制器，因此需要采用高速整流管，UF1M为超快速反向整流管，反向耐压为1000V，最大反向恢复时间为75ns。

Max1847为外部环路补偿PWM开关控制器，这种特性可以使得控制器适用各种开关电源拓扑结构。正确的环路补偿可以避免不稳定引起的较大的输出电压纹波及电源的低效率。补偿网络的目的是要消除传输函数中不需要的零点及极点，在环路增益为1的频率，确保系统所有环节的总开环相位延时小于360°。为了使系统各个器件工作在最恶劣的情况下仍能保持稳定，通常的设计准则是使系统至少有 35°～45°的相位裕量。

3 反激变压器设计

在反激变换器中，副边反射电压即反激电压Vf与输入电压之和不能高过主开关管的耐压，同时还要留有一定的裕量[6]。反激电压为

图2 基于Max1847的核仪器高压电源电路图

设计所选用的场效应管Vdds为30V，因此确定反射电压Vf=20V。原、副边的匝比由反激电压和输出电压的关系确定，所以确定了反激电压之后，就可以确定原、副边的匝比。根据

可求得匝比为1∶15。

反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态下，根据在稳态下变压器的磁平衡，可以有

根据公式可得出Dmax=83.33%。

设变换器效率为80%，则有

求得变压器初级电感为118.7μH。

4 性能测试分析

负载调整率也称为负载效应，当负载变化时，往往引起输出电压的变化，这种变化按百分比计算，就是负载调整率[7]。表1为电源负载调整率的测试结果。测试结果显示高压电源负载调整率＜1%，有着很好的负载调整率。

表1 电源负载调整率（输入电压为5V）

电压调整率也称为线路调整率或源效应。当输入电压变化时，往往引起输出电压的微小变化，把输出电压随输入电压变化的百分比称为线路调整率[8]。表2为电压调整率的测试结果，电压调整率＜0.1%。

表2 电源电压调整率（输出电流为1.25mA）

表3 电源效率（负载电阻为240kΩ）

电源效率是指输出功率与输入功率之比[9-10]。表3为电源效率的测试结果，高压电源效率高于60%。

纹波是叠加在直流输出电压上的交流成份，这个测量在额定负载和常温下进行，常用毫伏有效值和毫伏峰-峰值表示[11]。在输入电压5V，高压电源满载的情况下纹波峰-峰值为100mV，低纹波的高压电源适合高精度的剂量检测仪器应用。

5 结束语

从性能测试分析及实际应用中可以得出，基于Max1847的核仪器高压电源有以下特点：（1）结构简单，所需元器件少，易于小型化，适合于便携式核仪器的应用；（2）采用了闭环反馈控制，具有很高的稳压精度，稳压精度可以控制在±1%内；（3）有着很好的负载调整率及电压调整率，输入电压较宽，适合低电压核仪器系统设计；（4）有较快的响应速度，输出电压可控，适合智能核仪器设计；（5）输出纹波小，可以让核仪器运行得更加稳定可靠。

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