基于光電耦合的多通路高速掃描高壓電源設計 ①

李世勛，宗 朝，周 穎，張海燕，藺 璟

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000)

0 引言

探測空間中的粒子，對于揭示太陽風、磁層、電離層的結構，了解其中空間物理過程的機制，以及預報災害性空間天氣事件等都具有重要的意義?？臻g等離子體的能量分布范圍極廣，涵蓋了從幾個電子伏特到數兆電子伏特的能量范圍。近年來在空間探測任務中廣泛使用的靜電分析儀是對低能段離子能譜進行測量的有效方法[1-5]，而該方法實現粒子探測關鍵技術之一就是高壓電源對帶電粒子的選擇性能，其工作原理如圖1所示。圖中，偏轉板電極、頂帽電極、外球電極、內球電極及位置靈敏探測器上均接上可調的高壓，對于某個高壓值，對應著固定的E/q值的帶電粒子才能通過環形通道，其中E為粒子的能量，q為粒子所帶的電荷。若同步改變半球上的電壓和入口偏轉板上的電壓，就可以篩選出不同能量和不同方向的帶電粒子，即獲得離子能譜的空間分布信息。通道的出口處是加了高壓的位置靈敏探測器(MCP)，被帶電粒子擊中時會將其倍增放大，將倍增的信號放大并送到讀出電子學系統進行處理。在有效載荷實際運行時，需要接在靜電分析儀的高壓實現快速掃描，以達到在同一空間位置，在一定的E/q范圍內采集到不同的粒子事例。掃描高壓電源是影響能譜測量系統性能指標的關鍵因素。文中對高壓掃描電壓的設計方案進行了詳細描述，并詳細設計了對應的硬件電路，并以等離子體環境下試驗結果為例進行了應用說明。

圖1 靜電分析儀工作原理

1 掃描高壓主要技術指標及要求

根據有效載荷的應用背景及總體設計，掃描高壓電源設計主要技術指標涉及輸出電壓范圍、階躍穩定時間、輸出電壓精度。

輸出電壓范圍：用于表征掃描高壓電源的輸出能力。根據有效載荷任務需求，需實現內球電極-5000 V至+5000 V的掃描范圍，上偏轉板、下偏轉板實現-5000 V至+5000 V的掃描范圍，且上、下偏轉板保持幅值相等，極性相反的輸出電壓。

階躍穩定時間：用于表征掃描高壓從某一固定電壓階躍至新電壓并達到輸出電壓值*5%波動范圍的約束條件。根據有效載荷任務需求，需高壓輸出所有階躍臺階滿足小于0.25 ms的穩定時間。

輸出電壓精度：用于表征掃描高壓經過穩定時間后達到的輸出精度。根據有效載荷任務需求，精度需滿足優于1%，以輸出均值與設定值的誤差占設定值的百分比作衡量。

2 有效載荷組成及高壓掃描時序

星載載荷的總體構成如圖2所示，掃描高壓電源的主要應用場景介紹如圖所述。

靜電分析儀：直接與掃描高壓電源輸出相連接，是實現粒子能譜測量的傳感器。

讀出電子學：對粒子事件進行采集及檢測。

數字控制板：是有效載荷的控制中樞，負責讀出電子學的控制和采集；負責向上位機進行數據傳輸；負責對掃描高壓電源實現數字信號控制及電壓檢測。

掃描高壓電源：在數字信號的的控制下，按照既定掃描表格實現多路高壓的掃描輸出，共4路高壓輸出信號，該部分是本文的主要設計內容。

根據星載載荷的任務需求，掃描高壓需要獨立輸出4路高壓信號，其中MCP高壓開機后以200 V的步進逐步施加至穩定工作狀態下為-2200 V，每步持續5 s；其余3路內球高壓(ESA)、上偏轉板(Up)、下偏轉板(Down)高壓開機后需要滿足圖3所示的指數變化的電壓周期運行，掃描范圍達到了±5000 V，每路256臺階高壓，每臺階高壓維持2ms，如圖3所示：

3 掃描高壓原理

常見的高壓電源模塊無法實現在極短的時間內，輸出電壓實現跨越幾百伏、甚至上千伏的臺階變化，這是因為常規的高壓模塊為固定高壓輸出，且輸出端保護電容的存在，使得容性負載很大，無法做到輸出電壓的迅速變化。

圖2 星載有效載荷總體構成

圖3 多通路掃描高壓輸出時序要求

因此，本文中掃描高壓采用固定高壓模塊與光電耦合器相結合的技術方案。光電耦合器是為一種以光為媒介傳輸電信號的轉換器件，其中的發光二極管產生的光強與受控二極管的電流具有一定的比例，即電流傳輸比。通過改變發光二極管的端電壓，進而影響發光二極管產生對應的光電流強度Iin，可以控制光電耦合器中發光二極管的發光強度，同時受控反向二極管電流Iout流過高阻值的電阻Z-LOAD產生高壓輸出。如圖4所示，是光電耦合器HV801的典型應用示例。HV801最大可以加載8 kV的偏置高壓，在負載為10 pF時其轉換速率可以達到100 V/μs，這完全可以滿足本高壓電源模塊的要求，利用多組HV801與固定高壓模塊結合可以構成多路快速掃描高壓電源。

圖4 HV801高壓光耦的典型應用

4 掃描高壓電源設計

4.1 整體設計

高壓電源設計方案如圖5所示，主要包含固定高壓電源、HV801光耦調節組件、負反饋控制、高壓輸出監測、隔離數據通信等。固定高壓模塊為HV801提供+5200 V和-5200 V的高壓偏置，為了得到準確的掃描輸出高壓，采用數字控制量傳輸至16bits數模轉換器構成的負反饋控制電路的輸入，并將HV801輸出高壓經過分壓至合適的低壓電平后，與期望的電壓進行比對調整，以保證輸出高壓的穩定性。同時，利用模數轉換器和隔離集成運放對輸出高壓的反饋量進行采集達到檢測高壓輸出狀態的目的。

4.2 固定高壓及光耦組件

固定高壓模塊是多種行業和科研領域內廣泛應用的設備[6-11]，相關的研究成果具有良好的借鑒意義，本文將固定高壓電源模塊設計為輸入±12V輸出±5050 V的DC-DC電源。它主要由UC1842電流模式PWM控制器、變壓器、高壓電阻、高壓電容組成；電路采用拓撲為反激開關電源，將±12 V輸入電壓經變壓器變換為輸出±1050 V電壓，然后再經5倍壓整流電路輸出±5200V固定高壓，如圖6所示。

圖5 掃描高壓總體方案

圖6 ±5200V固定高壓模塊

HV801組件由10個HV801高壓電源控制元件封裝在一個金屬殼體內并灌封組成。輸入±5200 V固定高壓，其中內球高壓和MCP高壓均為單極性輸出，可采用1片HV801高壓耦合輸出，如圖7所示。

圖7 單極性掃描輸出光電耦合電路

而上偏轉板高壓及下偏轉板高壓因需要滿足雙極性輸出需求，故采用串聯保護的方式構成高壓耦合電路，在掃描輸出端幅度達到5000 V或負5000 V時，2個串聯光耦組件的總體耐受電壓超過了16000 V，因此保證了其安全性，避免了因單個HV801極限耐受8000 V的約束條件，其電路形式如圖8所示。此外，在前文中介紹過，上偏轉板高壓和下偏轉板高壓存在極性相反，幅度大小相等的關系，因此這2路高壓的控制信號先由一片模數轉換器根據數字信號生成，再經過一個由集成運放構成的反向器，可生成幅度相同，極性相反的2路控制電壓，分別施加在2個圖8所示的光耦組件上，根據數字量的不斷刷新，可實現幅度相同，極性相反的高壓掃描，這種形式的優勢在于簡化了控制信號的設計，提高了可靠性，同時，提高了掃描電壓的同步的穩定性。

圖8 雙極性掃描輸出光電耦合電路

4.3 負反饋調節

快速高壓掃描的實現是通過負反饋方式獲得，負反饋閉環控制系統的輸入主要由16位數模轉換器AD766和AD743根據數字量的刷新生成范圍在-3V～+3V的輸入控制電壓，對應HV801光耦調節輸出的-5000 V～+5000 V的輸出范圍，控制電壓信號連接至構成負反饋比較環節的OP470精密運放的輸入端，并且與高壓輸出經分壓得到的反饋量進行比對調節，從而實現掃描表的快速調節和穩定。值得注意的是，根據有效載荷的任務需求，高壓掃描要實現全量程極為精確的準確度，若高壓輸出的分壓只采用一組分壓電阻，則分壓比和反饋深度是固定不變的，那么就無法很好的兼顧輸出高限5000 V幅度附近的高精度，同時還能保證在0V附近的精度，例如根據16位數模轉換器的分辨率，理想情況下對-5000 V～+5000 V的輸出可實現的最小量化精度為0.15 V，而且由于電路干擾噪聲等影響，實際的分辨率要更差一些[5]，通常數模轉換器的實際的轉換精度會損失1至2位，所以實際能達到的量化精度約為0.5V的量級，而有效載荷要求的高壓掃描曲線中，在低壓段，最小的分辨精度小于0.01 V。反饋電壓的設計中采用多組分壓電阻構成不同分壓比，在掃描過程中根據輸出高壓的幅值量級，利用ADG201模擬開關進行切換反饋電阻網絡，從而達到分檔掃描，這樣可以始終保持掃描電壓的高精度輸出，如圖9所示。

4.4 高壓監測

高壓監測主要功能是實時監測掃描高壓的輸出電壓值并通過數字方式輸出給上位機?？梢允构こ倘藛T對掃描的動態性能進行掌握，隨著試驗環境的改變，有時掃描曲線需要根據實際狀態進行修正，對高壓輸出進行直接測量，一方面需要專用的高壓檢測儀表和探頭，尤其在文中的有效載荷應用中，其高壓由于結構件遮擋的原因，不具備直接測量的可行性；此外，掃描高壓是一個動態過程，任何接入輸出端的設備或檢測儀表的非線性負載均會影響測量的真實結果。所以對高壓輸出的監測利用其反饋信號來反映，通過同樣是16位精度的模數轉換器AD677和精密運放AD743組成采集和隔離電路，經過高速采樣，獲取反饋信號的動態掃描過程，其形態應與前文圖3中所述的形態一致，只是其電壓范圍限定在±3V之間，接著利用分壓電阻網絡已經明確的分壓比進行反演推算，其結果可繪制出高壓輸出的實際曲線。該部分電路實現原理如圖10所示。

圖9 負反饋控制

4.5 隔離灌封工藝

電路設計保證了電路狀態能夠按照電原理實現既定功能，但對高壓電源來說，需要更加關注的是高壓的保護和隔離，好的工藝設計能夠保證高壓電路安全穩定的工作，同樣的原理設計在不同的工藝方案下可能表現出迥異的測試結果。由于此方面的內容過于龐雜，這里只能給出最為常見的灌封工藝的關鍵因素。

高壓電路足夠的灌封須保證所有電氣元件、線纜、印制板及地平面之間充滿勻質的固體絕緣，灌封過程需要保證下述品質：

(a)在灌封前須確認所有元件、單板及線纜已經完全清除塵埃、油脂、指紋、非粘合材料及焊料。

(b)灌封材料須檢查確認是已通過試驗室測試的材料。測試應包括：溫度循環、溫度循環時進行的電壓應力測試以及先于溫度循環的儲存壽命檢測。

(c)在不損失灌封電氣絕緣完整性的情況下應減小灌封體積 。當必須大體積灌封時，灌封必須長而窄，這樣會減小內部出現大機械應力的概率，而過大的機械應力會導致元件間出現裂縫。當灌封體積超過 1 英寸(25.4 mm)寬2英寸(50.8 mm)深幾英寸長時，內部可能會形成很多裂縫。

(d)固體灌封必須確保內部沒有空腔才能保障絕緣的有效[12-13]，靠近地平面的位置、高壓元件和高壓電路附近尤其要注意不能存在空腔。有三種方法可以確保內部不會出現空腔，真空浸漬、離心機加速或兩者同時使用。

(e)最后進行的高壓線纜相互連接和高壓端子的灌封操作必須十分小心。線纜必須被適當的固定已確保灌封時和灌封后線纜不會被拉伸、扭曲或其它形式的破壞。灌封材料必須和所有其它材料粘合緊密，有時，前一次灌封的表面已經出現了氧化或老化，后一次灌封哪怕是相同材料的灌封也會和前一次灌封間出現粘合不緊密的現象。

圖10 高壓監測采集電路

由于在軌航天器的高壓電源應用場景還有低氣壓的特點，而高壓的擊穿有很多情況發生在低氣壓環境下，即使在真空環境下，設備內部材料的出氣會產生低氣壓狀態，最為簡單和常見的做法是，高壓電源在真空罐試驗過程，或發射入軌后，先靜置足夠的時間，使設備內部材料的出氣完畢，破除此種風險后開機運行高壓電源。當然在高壓設備設計過程中，最好留有與設備外部環境聯通的出氣孔。

4.6 空間輻射環境元器件選用及防護

由于衛星軌道上空間帶電粒子成分、能量和通量的多樣性，也由于空間探測載荷所用電子元器件和功能材料在原材料、生產工藝、功能、工作狀態等多方面也具有復雜性和多樣性，因此發生的復雜多樣相互作用，形成各種輻射效應，通常主要考慮的輻射危害類型為總劑量效應和單粒子效應，在很多情況下會嚴重影響設備的正常運行甚至造成損毀。根據任務設定，設備所在軌道輻射特點，空間使用的元器件需嚴格遵循選用標準及質保要求，在航天器元器件選用目錄中進行選擇，并利用半空間分析法，將抗輻射裕量不足的元器件進行加固，通用的方法是增加屏蔽殼的厚度，并換算成抗輻射等效鋁厚度，根據計算結果對薄弱環節進行防護，以加強抗輻射能力，使其符合抗輻照要求。

圖11 掃描高壓電源灌封后

在本設計中，其余元器件均選自目錄內元件，其優勢是已有充分的在軌經驗和抗輻照試驗數據支撐，能夠比較客觀的評估空間環境下的工況，基本上能保證整體設計的可靠性。而核心部件高壓光耦HV801作為目錄外元器件缺乏以上數據和經驗，因此對HV801光耦的選取需仔細分析抗輻射性能。令人欣慰的是，HV801是美國AMP-TEK公司專門為空間環境下應用而研發的一款芯片，該器件資料中除常規電性能參數外，還給出了抗輻射指標，在HV801的器件手冊中明確給出其抗輻射電離總劑量為100krad(Si)，本設計按照半空間估算法，結合HV801在探測設備和衛星安裝位置，計算得到防護屏蔽的等效鋁厚度約為8mm，再對照該任務對應的空間環境工程設計規范中提供的屏蔽厚度關系，預估在軌期間輻射總劑量約為21.8 krad(Si)，可見該器件應用在此設計中輻射裕度充足，能夠滿足載荷設備的空間抗輻照應用。而另一類常見的單粒子鎖定效應主要輻射對象為邏輯器件、單/雙穩態器件，對該器件不敏感。除此以外，系統級空間環境設備抗輻照通常還需考慮表面充放電效應、高能電子內帶電效應等，與本設計相關度較低，此處不再展開敘述?？偠灾?，空間環境必然有輻射效應，空間探測載荷的元器件選用及設計必須仔細分析并采取相應的防護措施。

5 測試驗證

對研制的掃描高壓電源模塊進行真空條件下測試，使用1000:1衰減比例的高壓示波器探頭進行監測，其中雙極性通路掃描結果如圖12中(a)所示，高壓掃描輸出范圍可達到±5000V；掃描過程中最大階躍臺階過渡時間如圖12中(b)所示為162μs，小于0.25ms的穩定時間的指標要求；當設定電壓幅度在幾伏量級直至最高輸出幾千伏量級時，均可滿足輸出精度優于當前輸出值1%的約束范圍，滿足有效載荷掃描表的精度要求，但設定電壓在幾伏量級以內的幅度時，尤其靠近0V附近后，其精度較大程度下降，通過大量試驗和驗證，主要原因是由于反饋環路中的元器件，尤其是模擬開關的漏電流大小已經達到了與分壓電阻中反饋電流同等量級，形成干擾信號而造成的精度下降。對此問題，可開展提高極低電壓段的漏電流抑制的深入研究。當前高壓電源所能達到的技術狀態可以滿足載荷產品的物理學標定和測試的指標要求。選取掃描表中代表性輸出電壓，掃描輸出的精度如表1所示。

表1 掃描高壓輸出精度

(a)±5000V輸出范圍 (b)掃描階躍穩定時間<0.25ms

之后，將掃描高壓電源與靜電分析儀進行連接，并在等離子體定標源的測試條件下，進行多路掃描高壓的共同作用下，由讀出電子學系統對經掃描高壓選擇后的特定能譜粒子進行定標測試，其結果如圖13中所示，該圖中綠色條帶為5KeV能譜粒子的測試響應。根據讀出電子學系統的反演推算，結合高壓電源的監測曲線，其分析結果符合靜電分析儀的分析儀常數、幾何因子、偏轉常數等各項物理參數，表明該掃描高壓電源實現了有效載荷的約束指標并滿足使用要求。

圖13 工程應用標定測試響應

6 結束語

多通路掃描高壓電源可以結合不同類型的傳感器結構和物理特性，綜合利用空間等離子體的各種帶電特性獲取不同軌道的帶電粒子能譜通量信息，是未來組網衛星進行空間環境探測和研究的重要手段。本文基于適用于高壓隔離光電耦合器件在負反饋控制環路中的快速變換特性，結合靜電分析儀特定結構的帶電離子能譜篩選特點，采用固定高壓模塊結合光電耦合方法實現輸出高壓在極短時間內的掃描和穩定。文章對所設計的掃描高壓電源設計關鍵點進行了分析，并驗證了該掃描高壓電源輸出特性，所設計的多通路高精度掃描高壓電源對類似應用場景下的高壓電源的設計和實施具有一定的借鑒意義。