磁偏转质谱计高压扫描电源的设计

刘克承，王卫国，郭显鑫，李 斌

（兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州730000）

1 高压扫描电源概述

小型磁偏转质谱计是一种可实现气体成分定量分析的质谱分析仪器，对卫星飞行轨道上的气体进行采集，气体进入离子源之后，离子源灯丝发射的电子使气体分子电离，产生带正电的离子，带电离子经加速聚焦后引入磁分析器，不同质荷比的带电离子在磁场的作用下偏转半径不同，在某一加速电压下只有一种离子到达检测器，离子检测器检测出不同加速电压下离子流的强度，从而就可得出待测气体的成分［1］。

其中高压扫描电源的主要功能是在质谱计电控单元的控制下完成高压扫描，为带电离子在磁场中提供加速电压。扫描范围从250～2 500V，默认的扫描段数分为三段，第一段在0V下停留100步，用来测量背景噪声；第二段以1V步长从250V扫描到1 000V，共750步；第三段以2V步长从1 000V扫描到2 500V，共750步；所以总步长为1 600步。三段每步的停留时间默认为100ms，所以一次完整的扫描共需要160s，每次开机完成两次扫描，共计3 200步。高压扫描电源的工作控制曲线见图1。

图1 高压扫描电源的工作控制曲线

2 总体电路设计与分析

总的来说质谱计高压扫描电源有以下几个特点：

（1）输入电压范围比较宽：21.5～32.5V；

（2）输出电压比较高：扫描范围从250～2 500V；

（3）输出功率较小：输出电流≤0.1mA；

（4）输入输出隔离：输入地、指令地与输出地之间的隔离电阻≥10MΩ。

从上述特点分析，总体电路设计要考虑以下几个方面：

（1）要适应宽输入电压应用，因此考虑先将变化范围较宽的输入母线通过DC－DC变换成稳定度为1%的二次母线。这样做一则给后级提供稳定的输入母线、二则实现输入地与指令地的隔离；

（2）功率变换级采用固定占空比的变换方式，利用指令调节线性可控的二次母线，通过变压器实现可调节的扫描电压输出。变压器的作用一则是通过变匝比的调节可以实现次级较高压输出，二则实现指令地与输出地的隔离；

（3）考虑到元器件应力水平和可获得性，输出级采用多组2倍压整流电路串联后实现高压输出。即采用多个变压器次级分别进行2倍压整流后再串联输出。

整个电路的系统框图见图2。

图2 高压扫描电源的系统框图

3 串联调节母线设计

串联调节母线的原理图见图3，其工作原理为：V2为串联调整管，接成源极跟随器形式［2］。N1为运算放大器，0～5V的指令信号和输出反馈信号比较后形成差模输入信号经过N1放大后来调节V1的工作点（V1工作在放大区），R3、R4和V1将母线输入分压后来调节V2的工作点，实现可调节线性母线输出，接到变压器的输入端。

图3 串联调节母线原理图

功率变换部分采用固定占空比的推挽变换拓扑，由于采用固定占空比，忽略驱动死区的影响，变压器每组次级的输出电压（整流前）就是初级电压与匝比的乘积关系［3］。

4 倍压整流电路设计

由于输出电压比较高，如果采用通常的增加变压器变比（即增加次级绕组匝数）的办法，直接（或采用常规电源中的半波、全波整流方法）获得高压输出，必然使变压器的次级绕组匝数过多，这样由于变压器绕组的层间寄生电容和线间寄生电容的影响，在变压器工作中会出现很大的充放电电流和噪声，使变压器的初级开关产生很大损耗，甚至无法正常工作［4］。

依靠变压器自身来提高输出电压的方法已不能满足要求，在这种情况下为了获得高压输出，需采用倍压整流电路［2］，利用二极管的单向导通和电容的充放电特性来实现将变压器次级较低电压倍压整流成高压直流电压输出。

常用的倍压整流电路有两种：一种叫桥式整流，如图4（a）所示；一种叫梯形整流，如图4（b）所示。两种倍压整流输出电压均为 2US（变压器次级电压）［5］，但对整流电路中元器件的电应力要求略有区别。桥式整流电路中，V1和V2承受的反向电压基本为输出电压、C1和C2承受的电压为输出电压的一半。图4（a）中从下向上的波形依次为输出电压、V1反向电压、V2反向电压以及C1和C2的电压；梯形整流电路中，V1和V2承受的反向电压基本为输出电压、C1承受的电压为输出电压的一半、C2承受的电压为输出电压。图4（b）中从下向上的波形依次为V1反向电压、V2反向电压、C1的电压以及C2的电压。经过比较，选择桥式整流，以使输出电容的应力较小。

图4 常用的倍压整流电路及其波形

5 变压器设计

变压器设计的难点在于输出级电压较高，因此绕组之间的绝缘是需要重点考虑的。在变压器设计时主要采用了如下方法和措施：

（1）选用环形磁芯以减小变压器漏感；

（2）绕制时绕组要紧密，尽量将骨架绕满，减小匝间分布电容的影响［6］；

（3）采用具有高耐压绝缘漆皮的漆包线，并且由于工作频率不高，忽略趋肤效应，则可以选用较粗线径的漆包线，其绝缘层相对细线径的漆包线较厚，可以耐更高电压；

（4）绕组之间采用聚酰亚胺薄膜二次绝缘；

（5）绕制完成后对变压器整个浸漆或用环氧灌封；

（6）不同绕组的输出引线保持一定的出线距离，防止引出线间打火。

6 仿真结果与测试结果

基于变压器次级为1组倍压整流的仿真电路如图5所示，图6（a）为变压器次级为1组倍压整流的扫描输出电压仿真结果，图6（b）为变压器次级为5组倍压整流的高压扫描电源实测波形。图中坐标横轴为0～5V的指令信号，纵轴为高压扫描输出电压。

图5 扫描电压仿真原理图

图6 输出电压波形

7 结 论

本文针对磁偏转质谱计用高压扫描电压的应用需求，设计了一种线性度较好的数字可调式高压扫描电源。图2所示的系统，第一级采用DC－DC电路解决了宽输入电压的应用；第二级采用串联调整结构，实现了数字可调；第三级采用多组倍压整流后串联输出优化了高压电路的设计。从电路实测的结果看，扫描电压的线性度较好，能满足磁偏转质谱计的工作需要。

［1］The University of Texas at Dallsa Document No.151－070，Lunar Orbital Mass Spectrometer Experiment［J］NASA Contract No.NAS 9－10410.

［2］Paul Horowitz，Winfield Hill著，吴利民，余国文，欧阳华，梅进杰 译.电子学（第二版）［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［3］张占松，蔡宣三著.开关电源的原理与设计（修订版）［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［4］戚 栋，王宁会.实用电源技术手册特种电源分册 ［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2005.

［5］李蜀川，杨忠孝，成友才.倍压整流电路的计算［J］.川北教育学院学报，2002，1：22－23.

［6］袁柱六，郭 靖.一种小功率高压开关电源的设计［J］.电子元器件应用，2008，7：12－14.