席鯤　孫艷華

摘 要：根據(jù)某激光探測系統(tǒng)的原理與工作特點，設計了基于LM5002的非隔離式直流升壓及輸出電壓值可控的混合型偏壓電源，為了增加探測系統(tǒng)工作動態(tài)范圍給出了探測器偏壓電源的控制方案；同時用對應濾波電路設計進行分析計算。經(jīng)過對探測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)地分析，該偏壓電源設計滿足探測系統(tǒng)要求。

關鍵詞：探測系統(tǒng)；偏壓電源；電路濾波；LM5002

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

激光探測系統(tǒng)是激光制導部件中的重要組成部分，被稱為激光制導炸彈的眼睛，其靈敏響應度直接影響命中目標的概率。為保證系統(tǒng)能夠有效截獲目標，必須保證其探測靈敏度，一般需增加光電二極管（又稱探測器）的偏置電壓以提高其響應度[1]。通常光電探測器工作需要專用的偏置電壓源為其提供直流偏置電壓。

四象限激光探測器主要由PN結發(fā)光二級管組成，PN結在外加電壓作用下，空間電荷量及載流子電荷量均發(fā)生變化，因而產(chǎn)生電容效應。因此，光電二極管的響應速度主要受RC常數(shù)和流入P區(qū)電流IF決定。這里，RC常數(shù)中的R為光電二極管反向偏置時的負載電阻，當負載電阻一定時，影響因素主要是結電容C，結電容C為光電二極管反向偏置時的等效電容。

半導體本身的體電阻和PN結上的電阻相比是很小的，所以外加正向電壓后，這個電壓將集中落在PN結上。由于內電場與外電場方向相反，所以PN結的電場由δ0減小到δ0-δF，在外電路上形成一個流入P區(qū)的電流IF。外部偏置電壓越大，PN結電場便進一步減弱，擴散電流隨之增加，電流IF隨外加電壓急速上升。所以每一種探測器在應用中都要提供合適的偏置電壓值。傳統(tǒng)的探測系統(tǒng)偏壓電源一般采用專用的集成電路，其優(yōu)點是使用方便。但并不適應小型化、低成本、輸出可控的要求。

1 偏壓電源系統(tǒng)方案設計

根據(jù)上述系統(tǒng)特性分析，偏壓電壓主要由輸入濾波電路、電源IC芯片控制電路、功率變換電路、偏壓電源輸出濾波電路及偏壓切換控制電路等組成。其中，IC芯片控制電路是智能開關電源很重要的部分，是電源系統(tǒng)可靠工作的保證。該系統(tǒng)采用先進的電壓反饋控制閉環(huán)控制電路，通過反饋電路的控制保證輸出電壓的穩(wěn)定性[2]。電路總體設計如圖1所示。

2 電源IC芯片工作原理介紹

電源IC芯片選用的是TI（Tesas Instruments）的一款高性能頻率、內置N-Channel MOSFET控制器的LM5002。該控制器具有寬輸入、輸出可調等特點，它可以使設計者使用最少的外部元件獲得高成本效益的解決方案。LM5002具有8-Lead SO-8及8-Lead LLP[2]表面貼封裝兩種形式，是模擬數(shù)字混合電路，包括精密基準穩(wěn)壓器、振蕩器、鎖存器及內置N-Channel MOSFET電路等，如圖2所示。

輸出脈沖的寬度是通過振蕩器輸出的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)，IC芯片通過FB、COMP端來調整SW端輸出值，當需要增加PWM脈沖信號輸出寬度時只需對反饋端FB信號進行調整，來改變輸出脈沖的寬度，進而控制輸出電壓值的大小。COMP端參數(shù)的合理設計不僅有助于輸出值的調整而且還能控制PWM信號的穩(wěn)定度并且該芯片還具有抗干擾能力強、結構簡單、使用方便及價格便宜等特點。

3 濾波電路設計

由于系統(tǒng)帶寬20 MHz，振蕩頻率在400 kHz左右，系統(tǒng)工作產(chǎn)生的紋波和噪音及其高次諧波分量將會對探測系統(tǒng)工作造成嚴重的噪聲干擾，影響正常工作[3]。為抑制噪聲影響，在電路上主要采取濾波設計使最終輸出紋波峰峰值≤10 mV。

根據(jù)阻抗及負載阻抗的特點進行濾波器的設計，比較幾種濾波電路的特點以及根據(jù)探測系統(tǒng)的工作要求，所以電源輸入和輸出采用如下方式：

在偏壓電源的入口處加由電感、電容、共模圈組成的線濾波器，抑制共模雜波干擾，如圖3所示。

4 切換控制電路

偏壓切換電路一般采用繼電器切換方式，這種電路控制方式的最大缺點是輸出信號的電壓值只有兩種狀態(tài)有或者無，同時設計成本較高，為了降低成本減少元器件及根據(jù)探測系統(tǒng)工作要求，切換后將輸出電壓值保持在2 V，所以選用三極管工作在開關狀態(tài)下進行探測器偏壓的切換。當控制端為高電平時，三極管導通則偏壓電源的輸出由發(fā)射極電阻取樣獲得。

根據(jù)負載電流的指標：1 mA，所以晶體管的集電極電流的最大額定值必須大于1 mA，當晶體管處于截止狀態(tài)時電源電壓是加在集電極-發(fā)射極之間，所以選擇晶體管的集電極-發(fā)射極和集電極-基極之間的最大額定值必須大于電源電壓。

5 偏壓電源參數(shù)測試

根據(jù)以上分析及計算方法設計的基于LM5002探測系統(tǒng)偏壓電源，將其與探測系統(tǒng)進行聯(lián)調測試，給探測器供偏壓及點光源進行照射，測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1中可以看出電源輸出電壓調整率（輸出負載0.2 mA時）SV=±0.1%，輸出電壓紋波電壓小于10 mV，用此偏壓電源給探測器供電，探測器輸出值滿足指標要求。

當給偏壓電源控制端加TTL信號高電平時，偏壓電源切換控制部分工作，輸出測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可以可以看出，偏壓電源在TTL控制信號作用下探測器輸出值發(fā)生了明顯的變化，結合表1、表2兩組測試數(shù)據(jù)可以計算出，該探測系統(tǒng)在偏壓電源的控制下動態(tài)范圍能夠增加近25 dB，有效調高了探測系統(tǒng)的動態(tài)范圍，并且電源噪聲值小于10 mV。偏壓電源設計滿足探測系統(tǒng)使用要求。

6 結 語

本文介紹了基于TI公司電源IC芯片LM5002的非隔離反激式探測系統(tǒng)偏壓電源的分析及設計。該探測系統(tǒng)偏壓電源具有使用輸出方便，并且根據(jù)系統(tǒng)的使用功能要求進行控制不僅能夠增加探測系統(tǒng)的動態(tài)范圍，而且經(jīng)過測試，該偏壓電源的輸出值還具有很大的上升空間，通過調整反饋參數(shù)可以使輸出達到100 V左右。稍做調整，還可應用于其他探測系統(tǒng)，實驗結果表明其電源轉換效率高達80%，輸出紋波電壓小于10 mV。并且該種混合電源硬件電路簡單、成本低、體積小以及對探測系統(tǒng)的動態(tài)范圍的控制方法具有一定的參考價值。

參考文獻

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