某探測係統偏壓電源分析與設計
學術研究
作者：席鯤 孫豔華
摘 要：根據某激光探測係統的原理與工作特點，設計了基於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，為了增加探測係統工作動態範圍給出了探測器偏壓電源的控製方案；同時用對應濾波電路設計進行分析計算。經過對探測係統測試數據地分析，該偏壓電源設計滿足探測係統要求。
關鍵詞：探測係統；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
激光探測係統是激光製導部件中的重要組成部分，被稱為激光製導炸彈的眼睛，其靈敏響應度直接影響命中目標的概率。為保證係統能夠有效截獲目標，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生變化，因而產生電容效應。因此，光電二極管的響應速度主要受RC常數和流入P區電流IF決定。這裏，RC常數中的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，所以外加正向電壓後，這個電壓將集中落在PN結上。由於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。傳統的探測係統偏壓電源一般采用專用的集成電路，其優點是使用方便。但並不適應小型化、低成本、輸出可控的要求。
1 偏壓電源係統方案設計
根據上述係統特性分析，偏壓電壓主要由輸入濾波電路、電源IC芯片控製電路、功率變換電路、偏壓電源輸出濾波電路及偏壓切換控製電路等組成。其中，IC芯片控製電路是智能開關電源很重要的部分，是電源係統可靠工作的保證。該係統采用先進的電壓反饋控製閉環控製電路，通過反饋電路的控製保證輸出電壓的穩定性[2]。
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控製器的LM5002。該控製器具有寬輸入、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]表麵貼封裝兩種形式，是模擬數字混合電路，包括精密基準穩壓器、振蕩器、鎖存器及內置N-Channel MOSFET電路等。
輸出脈衝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製信號進行比較來實現，IC芯片通過FB、COMP端來調整SW端輸出值，當需要增加PWM脈衝信號輸出寬度時隻需對反饋端FB信號進行調整，來改變輸出脈衝的寬度，進而控製輸出電壓值的大小。COMP端參數的合理設計不僅有助於輸出值的調整而且還能控製PWM信號的穩定度並且該芯片還具有抗幹擾能力強、結構簡單、使用方便及價格便宜等特點。
3 濾波電路設計
由於係統帶寬20 MHz，振蕩頻率在400 kHz左右，係統工作產生的紋波和噪音及其高次諧波分量將會對探測係統工作造成嚴重的噪聲幹擾，影響正常工作[3]。為抑製噪聲影響，在電路上主要采取濾波設計使最終輸出紋波峰峰值≤10 mV。