摘　要　野外X荧光分析仪是一种新型的核地质仪器,它能在野外现场快速测定Cu,As等多种重要元素。本文介绍了野外X荧光仪特殊开关电源设计中的几个要素,重点分析了PWM电源转换电路的原理、TL494控制器,以及关键参数和器件的选择等问题。

　　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:

　　①推挽/单端输出;

　　②工作频率高达200kHz;

　　③可调死区控制;

　　④工作电压7~40V;

　　⑤内部基准电压±5V。

　　TL494的电路等效框图如图3所示。

　　TL494主要由误差放大器、死区时间比较器、PWM比较器、触发器、与门、与非门及两个输出晶体管组成。③,④脚分别提供两路脉冲宽度控制信号,这两路信号与⑤脚电容上的锯齿波同时加在死区时间比较器和PWM比较器的同相端,两个比较器的输出脉冲经过与操作后,作为触发器的时钟。两个误差放大器都可用来作为输出电压的反馈比较,监控输出的电压或电流,实现稳压或过流(过压)保护。死区时间比较器的作用还在于防止两个功率管同时导通,避免功率管击穿。

　　设计的PWM电源转换电路如图4所示:功率末极采用双端推挽式设计方案,TL494的8脚和11脚输出两路互为反相的PWM驱动信号,使两个达林顿功率管(TIP127)Q1和Q2交替导通,高频变压器的原边和副边均采用中心抽头的绕组(130V绕组除外)。这种电路的优点是:输入电压直接如在高频变压器上,电源电压利用率高;两管基极均在低电平,驱动电路也比较简单;两个开关管的集电极相连且共地,对散热器安装和绝缘都有利。±5V绕组输出经采样电阻及光耦隔离后送到初级的反馈端,与②脚(接±5V基准)比较后去控制输出脉冲的宽度,从而达到稳定输出电压的目的。

　　考虑到功率管的管压降是影响电源转换效率的重要因素,所以设计中应尽量提高输入电压(蓄电池电压),以降低功率管电流,减小发热。

　　图中的二极管均采用快恢复二极管FR105或肖特基对管。电路中还加设有过压及过流保护等附属电路。

　　5　电源设计中的几点考虑因素

　　5·1　高频变压器的设计

　　高频变压器是PWM电源中的关键部件,设计中应注意磁芯材料的选择和绕组的计算。

　　5·1·1　磁芯材料的选择

　　由于PWM电源工作在几十KHz的震荡频率下,所以必须选用电阻率大、饱和磁通密度高且高频损耗小的铁氧体磁芯。目前市场上常见的有环形、罐形、E-E形及EC形等各种类型和规格的铁氧体磁芯。图5是国产R2KB锰锌铁氧体EC形磁芯的外形结构和性能参数(表1)。该仪器电源功率约20W,选择EC35型(截面直径d=9.5mm)最合适。

　　5·1·2　绕组的计算

　　根据电磁感应定律,初级绕组的电压

　　5·2　蓄电池的选择

　　作为野外便携式仪器,蓄电池是系统的唯一电力来源,蓄电池的好坏直接关系到系统性能的高低。在选择蓄电池时应关注其电压、容量、体积、重量、工作温度等各项指标,根据系统要求,综合考虑多种因素的影响,进行最优组合。

　　对于市场常见的各种蓄电池,“锂离子”电池单电压为3.6V,质量比能量可达110Wh/Kg。单体(18650型)重量只有41克,体积比AA五号电池略大。可谓体积小、容量大、重量轻,而且其自放电率很低,无记忆效应,使用维护较方便,是野外仪器非常理想的选择。

　　野外X荧光仪即采用18650型“锂离子”电池单体,经串联组合为126V/1.35Ah的蓄电池组,可保证仪器在野外连续工作8小时。

　　5·3　电磁干扰(EMI)及接地

　　PWM电源的EMI机理直分复杂。实际应用当中应着重注意几点:

　　①合理设置吸收回路。在功率管的输出级和变压器次级绕组两端并接RC吸收回路,减小涌浪电流和寄生震荡。

　　②在输入回路和输出回路均串接共态扼流圈(由铁氧体磁环加双线并绕而成),降低输出纹波;

　　③电路板上元件布置应合理,尽量使输入与输出端远离;滤波电容和所有大电流器件管脚及走线尽可能短,以简化电流通路,减小噪声辐射。整个电源电路初级地(即变压器初级前的电路接地)与次级地(变压器次级各组输出接地)完全分开,并且仪器外壳(屏蔽壳)只与次级地单点相连。这样做既可保证仪器的安全性又能防止电磁辐射对仪器其它部分的干扰;电池充电器也可以采用无变压器恒流充电电路,体积和重量都大大降低。

　　6　电源性能

　　作为仪器的配套部分,着重从使用角度测试电源的各项性能指标:

　　①输出电压稳定度。当电池电压由135V降至105V时,输出电压±5V下降0.1V(2%);(12V下降0.25V(2%);±110V下降5.2V(4.7%)。

　　②转换效率。满负荷(约22W)工作,效率79%;

　　③纹波干扰。用示波器观察(12V输出,纹波<10mV,对仪器其它部分无明显影响;

　　④野外分析效果。应用该仪器在四川会理小青山铜矿野外1∶50000水系沉积样和1∶2000地质剖面土壤样(总共635件,100平方公里)勘探测量中,源工作稳定,仪器测量精度、工作时间等各项指标均达到设计要求。

　　参考文献

　　[1]贾文懿,方方,苗放等.核地球物理仪器.北京:原子能出版社,1998

　　[2]叶慧贞,杨兴洲.新颖开关稳压电源.北京:国防工业出版社,1999

　　[3]王英剑,常敏慧,何希才等.新型开关电源使用技术.北京:电子工业出版社,1999

　　[4]吴润宇,轩荫华,苗银梅,周功楷等.实用稳定电源.北京:人民邮电出版社,1994

　　[5]吴允平. X荧光现场测量的有关技术研究.成都:[博士论文],2000

　　本文作者：王仁波

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