CN103001485B - 一种emccd的电子倍增驱动电源 - Google Patents

Abstract

一种EMCCD的电子倍增驱动电源，涉及一种CCD的电源技术，解决现有DC-DC电源纹波大、工作时钟不与EMCCD的读出时钟同步、无上电初始状态控制及模拟线性电源效率低问题，采用DC-DC变换和模拟转换两级调压，通过使DC-DC输出与模拟输出保持恒定低压差来实现高效率；利用低压差电源芯片内部的纹波抑止功能实现输出的低纹波；采用DAC和线性光耦结合来实现输出数字调压，且能实现控制与供电部分的隔离；采用小变压器实现DC-DC电源工作频率与读出时钟频率同步，减小开关电源对输出图像的干扰；在像素读出阶段输出倍增所需的高压，在非读出阶段输出仅满足电荷转移的低压，进一步降低功耗。

Description

一种EMCCD的电子倍增驱动电源

技术领域

本发明涉及一种CCD的电源技术，具体涉及一种EMCCD的高速高压驱动信号的供电电源。

背景技术

对较暗目标进行成像时，如果CCD的读出放大器噪声比较大，常常会掩盖有用信号，尤其是在读出速度较高的情况下，读出噪声会随着读出速度的提高而增大。随着CCD制作工艺的不断发展，EMCCD的问世使得微小的信号也能克服读出放大器的噪声，而且此类CCD在不需要任何附加结构的情况下，能够得到与ICCD差不多的图像质量；EMCCD的基本结构与传统的帧转移CCD大致相同，但在读出寄存器和读出放大器之间加入了数百个增益寄存器，它的电极结构不同于转移寄存器，信号在这里得到了增益。在增益寄存器中，实现雪崩倍增所需的高压电场是在增益寄存器中由相邻电极间大电位差形成的，通常一个电极上约20～50V的高幅值信号而另一个电极保持低直流偏压，通过调节高幅值脉冲的高电平来改变两电极之间的电位差从而调控倍增因子。EMCCD电子倍增成像要求供电电源效率高、纹波低、输出数字可调、上电初始状态可控且与CCD读出时钟同步。

如何将模拟电子技术和计算机的数字化技术结合起来，为EMCCD的驱动供电提供新的技术手段是本发明所要解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决现有DC-DC电源纹波大、工作时钟不与EMCCD的读出时钟同步、无上电初始状态控制及模拟线性电源效率低问题，提供一种EMCCD的高速高压驱动信号的供电电源。

一种EMCCD的高速高压驱动信号的供电电源，包括可调DC-DC电源部分、可调模拟线性电源部分、控制器和外部输入电源；

可调DC-DC电源部分包括第一低压DAC电路、负向检波电路、逻辑电路、低压电源电路、采样反馈电路、DC-DC芯片及外围电路、带双次级线圈的变压器、第一整流滤波电路和第二整流滤波电路；

可调模拟线性电源部分包括第二低压DAC电路、第三低压DAC电路、第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路；所述外部输入电源向控制器、可调DC-DC电源部分和可调模拟线性电源部分供电；所述采样反馈电路包含光耦一、光耦二和光耦三；所述光耦一与光耦二和光耦三相连，所述第二整流滤波电路输出的电压送入光耦一，然后经光耦一输出控制信号对DC-DC芯片及外围电路进行控制；光耦二和光耦三中的三极管并联；所述低压电源电路向采样反馈电路中的光耦二输出控制电压，所述第一低压DAC电路与采样反馈电路中的光耦三相连；

控制器在上电配置第一低压DAC电路、第二低压DAC电路和第三低压DAC电路的参数信息前，不输出方波信号给负向检波电路，同时不输出逻辑电平信号给逻辑电路，逻辑电路使能低压电源电路输出控制电压，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压接近DC-DC芯片的参考电压；控制器配置第一低压DAC电路、第二低压DAC电路和第三低压DAC电路的参数信息后，控制器输出方波信号给负向检波电路和输出逻辑电平信号给逻辑电路，逻辑电路禁止低压电源电路输出控制电压，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压受第一低压DAC电路控制；第一低压DAC电路控制第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出的电压，经第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出的电压分别传送至第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路，所述第二低压DAC电路和第三低压DAC电路控制第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路输出的电压，第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路输出的电压串联后作为最终输出电压。

本发明的工作原理：外部输入电源加电，控制器开始自身上电配置；在外部输入电源加电到控制器自身配置好输出方波信号给负向检波电路和逻辑电平信号给逻辑电路前，低压电源电路输出使能，使带光耦一、二和三的采样反馈电路中的光耦二内部三极管集电极与射级间的电压接近0V，使两整流滤波电路输出接近电源芯片的参考电压；其中光耦一实现整流滤波后输出电压向变压器初级的电源芯片反馈，光耦三实现输出电压的调整；当控制器自身配置好按默认参数配置好三个低压DAC电路后，输出方波信号给负向检波电路和逻辑电平信号给逻辑电路，禁止低压电源电路输出，光耦二的集电极和发射极高阻，两整流滤波电路输出受低压DAC电路一控制；最终的输出电压由可调模拟线性电源部分中的低压DAC电路二和三决定；在接收到外部的倍增参数值后，开始重新配置三个DAC电路，最后把第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路输出的电压串联得到最终的输出电压。控制器输出的信号经小变压器及相关电路后，输入到DC-DC芯片，保证EMCCD电子倍增驱动电源与成像电路同步工作，减小干扰；仅在EMCCD信号读出阶段输出当前倍增增益所需的高压，在非读出阶段输出仅满足信号转移要求的接近20V的低压，可进一步降低电源功耗。

本发明的有益效果：

一、通过控制器输出的数字信号和模拟检波电路共同控制输出电压，保证上电初始的状态，避免倍增增益过大特别是输入光太强时对EMCCD性能造成影响；

二、采用DC-DC和模拟两级调压，通过使DC-DC输出与模拟输出保持恒定低压差来实现高效率；利用低压差电源芯片内部的纹波抑止功能实现输出的低纹波；保证高效率的同时输出纹波低。

三、对输出电压的调整和DC-DC部分上电状态的控制，均采用光耦与输出电压控制电阻并联方式；DAC和线性光耦结合来实现输出数字调压，且能实现控制与供电部分的隔离；

四、采用小变压器实现与读出时钟频率同步，开关电源对输出图像的干扰相对固定，可通过图像处理的方法消除或者减少；电源在像素读出阶段输出倍增所需的高压，在非读出阶段输出仅满足电荷转移的低压，进一步降低功耗。

附图说明

图1为本发明所述的一种EMCCD的电子倍增驱动电源原理图；

图2为本发明所述的一种EMCCD的电子倍增驱动电源的结构图；

图3为现有模拟电源调压示意图；

图4为本发明所述的一种EMCCD的电子倍增驱动电源中模拟电源调压示意图；

图5为本发明所述的一种EMCCD的电子倍增驱动电源中的DC-DC电源调压与上电控制示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种EMCCD的电子倍增驱动电源，包括可调DC-DC电源部分、可调模拟线性电源部分、控制器和外部输入电源；

可调DC-DC电源部分包括第一低压DAC电路、负向检波电路、逻辑电路、低压电源电路、小变压器及相关电路、采样反馈电路、DC-DC芯片及外围电路、带双次级线圈的变压器、第一整流滤波电路和第二整流滤波电路；

可调模拟线性电源部分包括第二低压DAC电路、第三低压DAC电路、第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路；

所述外部输入电源向控制器、可调DC-DC电源部分和可调模拟线性电源部分供电；所述采样反馈电路包含光耦一、光耦二和光耦三；光耦一与光耦二和光耦三相连，所述第二整流滤波电路输出的电压送入光耦一，然后经光耦一输出控制信号来对DC-DC芯片及外围电路进行控制；光耦二和光耦三内部的三极管为并联关系；所述低压电源电路向采样反馈电路中的光耦二输出控制电压，当低压电源电路输出电压时，光耦二的三极管中集电极与发射极间的电压接近0V，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压接近DC-DC电源芯片的参考电压，当低压电源电路输出为高阻状态无电压输出时，光耦二的三极管中集电极与发射极间为高阻状态，对电路无控制作用；所述的第一低压DAC电路与采样反馈电路中的光耦二相连，对光耦3进行控制；当低压电源电路输出为高阻状态无电压输出，光耦二的三极管中集电极与发射极间为高阻状态时，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压受第一低压DAC电路控制；

控制器在上电配置第一低压DAC电路、第二低压DAC电路和第三低压DAC电路的参数信息前，不输出方波信号给负向检波电路，同时不输出逻辑电平信号给逻辑电路，逻辑电路使能低压电源电路输出控制电压，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压接近DC-DC电源芯片的参考电压；控制器配置第一低压DAC电路、第二低压DAC电路和第三低压DAC电路的参数信息后，控制器输出方波信号给负向检波电路和输出逻辑电平信号给逻辑电路，逻辑电路禁止低压电源电路输出控制电压，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压受第一低压DAC电路控制；第一低压DAC电路控制第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出的电压，经第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出的电压分别传送至第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路，所述第二低压DAC电路和第三低压DAC电路控制第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路输出的电压，第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路输出的电压串联后作为最终输出电压。

本实施方式所述的控制器输出的信号经小变压器及相关电路进行电平转换后，作为同步时钟输入到DC-DC芯片及外围电路，使DC-DC电源部分的开关状态和EMCCD的电荷转移同步；DC-DC电源部分通过开关状态把外部输入电源的直流能量经过带双次级线圈的变压器耦合到第一整流滤波电路和第二整流滤波电路，经整流滤波后变为直流电压送入第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路进行输出电压调整和纹波抑止，最后把第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路输出的电压串联后作为最终输出电压。

本实施方式中光耦二实现控制器在上电初始化阶段DC-DC电源部分输出电压(第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压)的控制；光耦三实现控制器在上电初始化后DC-DC电源部分输出电压(第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压)的控制；光耦一实现DC-DC电源部分输出电压(第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压)的反馈，同时实现带双次级线圈的变压器的初级线圈和次级线圈相关电路的隔离。

具体实施方式二、结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种EMCCD的电子倍增驱动电源的实施例：

对于传统的DC-DC电源，效率高，但输出纹波大，且输出电压固定；对于传统的模拟可调电源，由于输入端的电压固定而输出电压变化，当输出电压低时电源效率低；结合图1，本发明采用把可调的DC-DC电源与可调模拟线性电源结合，通过两级纹波抑止，能大大降低输出纹波；通过两级电压调整，能保证可调模拟线性电源的输入和输出压差保持在一个较低的恒定压差，实现高电源效率；图中V_in为可调的DC-DC电源部分的输入电压，V_mid为可调的DC-DC电源部分的输出电压，同时也是可调模拟线性电源部分的输入电压；V_out为可调模拟线性电源部分的输出电压；η_DC-DC为可调的DC-DC电源效率。

总的电源效率： $\mathrm{\η}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{DC}-\mathrm{DC}}\×\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{mid}}}$

总的电源效率为可调DC-DC电源部分和可调模拟线性电源部分效率的乘积，通过保持V_out与V_mid之间一个较低的恒定压差，则可以在整个调压过程中保证较高的电源效率；

结合图2，EMCCD电子倍增驱动电源主要由可调DC-DC电源部分、可调模拟线性电源部分和控制器及外部输入电源构成。可调DC-DC电源部分包括第一低压DAC电路、负向检波电路、逻辑电路、低压电源电路、小变压器及相关电路、带光耦一、二和三的采样反馈电路、DC-DC芯片及外围电路、带双次级线圈的变压器、第一整流滤波电路和第二整流滤波电路组成；可调模拟线性电源部分由第二低压DAC电路、第三低压DAC电路、第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路组成；控制器完成电源电路各部分的协调控制；外部输入电源主要为控制器、可调DC-DC电源部分及其余电路供电。

一、上电电压控制，主要是控制低压电源电路的输出使能端；使该控制信号无效的条件是负向检波电路实时检测到方波信号且逻辑电路接收到控制器输入的高电平；即只要负向检波电路检测不到方波信号或逻辑电路接收到控制器输入的低电平，则低压电源电路的输出端使能，使DC-DC部分输出低压；

二、模拟部分输出调压，结合图3，模拟部分输出电压V_out与模拟参考电压V_ref1及电阻R1和R2的关系如下：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ref}1}\×(1+\frac{R2}{R1})$

通过改变电阻R1和R2的阻值比例关系即可改变输出的电压；

结合图4，设光耦U1中的发光二极管正向电流为I_F，正向导通电压为V_T，感光三极管集电极为电流I_C，电流传输比为β；则输出电压V_out与模拟参考电压V_ref1、输入控制电压V_in1及电阻R1、R2和R3的关系如下：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ref}1}\×(1+\frac{R2}{R1})-I_C\×R_2,(0\≤I_C\≤\frac{V_{\mathrm{ref}1}}{R1})$

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ref}1}\×(1+\frac{R2}{R1})-{\mathrm{\βI}}_F\×R2$

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ref}1}\×(1+\frac{R2}{R1})-\mathrm{\β}\×\frac{V_{\mathrm{in}1}-V_T}{R3}\×R2,(V_T\≤V_{\mathrm{in}1}\≤V_T+\frac{R3\×V_{\mathrm{ref}1}}{R1\×\mathrm{\β}})$

从式中可看出，输出电压的最大值为最小值为V_ref1；当输入控制电压V_in1大于二极管正向导通电压为V_T后，输出电压随输入电压的增加而减小。当输入控制电压V_in1由DAC芯片控制，则输入电压受DAC芯片内的数字参数值控制，实现输出数控功能；

三、DC-DC上电与输出电压控制，结合图5，设光耦U1中的发光二极管正向电流为I_F1，正向导通电压为V_T1，感光三极管集电极为电流I_C1，电流传输比为β1；光耦U2中的发光二极管正向电流为I_F2，正向导通电压为V_T2，感光三极管集电极为电流I_C2，电流传输比为β2；光耦U3中的发光二极管正向电流为I_F3，正向导通电压为V_T3，感光三极管集电极为电流I_C3，电流传输比为β3；则可调的DC-DC电源部分的输出电压V_mid与DC-DC电路基准电压V_ref2、光耦U1和U2的集电极电压V_O、DC-DC电源芯片的参考电压V_control、输入控制电压V_in2、输入控制电压V_in3、及电阻R1、R2、R3和R4的关系如下：

$\mathrm{Vo}=V_{\mathrm{ref}2}\×(1+\frac{R2}{R1})-I_{C2}\×R2-I_{C3}\×R2$

(I_C2≈0或 $I_{C2}\≈\frac{V_{\mathrm{ref}2}}{R1}$ 且 $0\≤I_{C3}\≤\frac{V_{\mathrm{ref}2}}{R1}$ )

$\mathrm{Vo}=V_{\mathrm{ref}2}\×(1+\frac{R2}{R1})-\mathrm{\β}2\×I_{F2}\×R2-\mathrm{\β}3\×I_{F3}\×R2$

$\mathrm{Vo}=V_{\mathrm{ref}2}\×(1+\frac{R2}{R1})-\mathrm{\β}2\×\frac{V_{\mathrm{in}2}-V_{T2}}{R4}\×R2-\mathrm{\β}3\×\frac{V_{\mathrm{in}3}-V_{T3}}{R3}\×R2$

(V_in2＜V_T2或 $V_{\mathrm{in}2}=V_{T2}+\frac{R4\×V_{\mathrm{ref}2}}{R1\×\mathrm{\β}2}$ 且 $V_{T3}\≤V_{\mathrm{in}3}\≤V_{T3}+\frac{R3\×V_{\mathrm{ref}2}}{R1\×\mathrm{\β}3}$ )

$V_{\mathrm{control}}=I_{C1}\×R6=\mathrm{\β}1\×I_{B1}\×R6=\mathrm{\β}1\×\frac{V_{\mathrm{mid}}-V_O\text{-}{V}_{T1}}{R5}\×R6$

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{mid}}=\frac{V_{\mathrm{control}}\×R5}{\mathrm{\β}1\×R6}+V_O+V_{T1}=\\ \frac{V_{\mathrm{control}}\×R5}{\mathrm{\β}1\×R6}+V_{T1}+V_{\mathrm{ref}2}\×(1+\frac{R2}{R1})-\mathrm{\β}2\×\frac{V_{\mathrm{in}2}-V_{T2}}{R4}\×R2-\mathrm{\β}3\×\frac{V_{\mathrm{in}3}-V_{T3}}{R3}\×R2\end{array}$

(V_in2＜V_T2或 $V_{\mathrm{in}2}=V_{T2}+\frac{R4\×V_{\mathrm{ref}2}}{R1\×\mathrm{\β}2}$ 且 $V_{T3}\≤V_{\mathrm{in}3}\≤V_{T3}+\frac{R3\×V_{\mathrm{ref}2}}{R1\×\mathrm{\β}3}$ )

从式中可看出，可调的DC-DC电源部分的输出电压的最大值为 $\frac{V_{\mathrm{control}}\×R5}{\mathrm{\β}1\×R6}+V_{T1}+V_{\mathrm{ref}2}\×(1+\frac{R2}{R1}),$ 最小值为 $\frac{V_{\mathrm{control}}\×R5}{\mathrm{\β}1\×R6}+V_{T1}+V_{\mathrm{ref}2};$ 当输入控制电压V_in2为时输出为当输入控制电压V_in2小于V_T1时，此时的输出由输入V_in3决定，当输入控制电压V_in3大于二极管正向导通电压为V_T2后，可调的DC-DC电源部分的输出电压随输入控制电压V_in3的增加而减小。当输入控制电压V_in2由外部带使能端的电源芯片提供，则可保证上电的初始状态；当输入控制电压V_in3由DAC芯片控制，则输入控制电压受DAC芯片内的数字参数值控制，实现输出数控功能；

四、同步控制，控制器输出与EMCCD读出时钟同步的小幅度信号，经小变压器及相关电路进行电平转换后，输出幅度满足DC-DC电路要求的窄脉冲信号，使DC-DC电源的开关频率与读出像素时钟同步。小变压器不仅实现了信号的幅度提升，还实现了控制器部分电路与DC-DC电源的隔离。

本实施方式所述的控制器和逻辑电路采用FPGA来实现；低压电源芯片采用MAX883；低压DAC电路主要采用采用串行DAC芯片；负向检波电路主要采用检波二极管和电阻；变压器为手工绕制的DC-DC电源变压器；小变压器及相关电路主要采用仅初级和次级线圈的手工绕制变压器；带光耦一、二和三的采样反馈电路主要采用线性光耦和电阻；带光耦的模拟调压电路主要采用线性光耦和高压的且纹波抑止比高LDO芯片。

Claims (4)

1.一种EMCCD的电子倍增驱动电源，包括可调DC-DC电源部分、可调模拟线性电源部分、控制器和外部输入电源；

可调DC-DC电源部分包括第一低压DAC电路、负向检波电路、逻辑电路、低压电源电路、采样反馈电路、DC-DC芯片及外围电路、带双次级线圈的变压器、第一整流滤波电路和第二整流滤波电路；

可调模拟线性电源部分包括第二低压DAC电路、第三低压DAC电路、第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路；所述外部输入电源向控制器、可调DC-DC电源部分和可调模拟线性电源部分供电；所述采样反馈电路包含光耦一、光耦二和光耦三；所述光耦一与光耦二和光耦三相连，所述第二整流滤波电路输出的电压送入光耦一，然后经光耦一输出控制信号对DC-DC芯片及外围电路进行控制；光耦二和光耦三中的三极管并联；所述低压电源电路向采样反馈电路中的光耦二输出控制电压，所述第一低压DAC电路与采样反馈电路中的光耦三相连；其特征是，

控制器在上电配置第一低压DAC电路、第二低压DAC电路和第三低压DAC电路的参数信息前，不输出方波信号给负向检波电路，同时不输出逻辑电平信号给逻辑电路，逻辑电路使能低压电源电路输出控制电压，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压接近DC-DC芯片的参考电压；控制器配置第一低压DAC电路、第二低压DAC电路和第三低压DAC电路的参数信息后，控制器输出方波信号给负向检波电路和输出逻辑电平信号给逻辑电路，逻辑电路禁止低压电源电路输出控制电压，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压受第一低压DAC电路控制；第一低压DAC电路控制第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出的电压，经第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出的电压分别传送至第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路，所述第二低压DAC电路和第三低压DAC电路控制第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路输出的电压，第一带光耦的模拟调压电路和第二带光耦的模拟调压电路输出的电压串联后作为最终输出电压。

2.根据权利要求1所述的一种EMCCD的电子倍增驱动电源，其特征在于，光耦二实现控制器在上电初始化阶段DC-DC电源部分输出电压的控制；光耦三实现控制器在上电初始化后DC-DC电源部分输出电压的控制；光耦一实现DC-DC电源部分输出电压的反馈，同时实现带双次级线圈的变压器的初级线圈和次级线圈相关电路的隔离。

3.根据权利要求1所述的一种EMCCD的电子倍增驱动电源，其特征在于，所述低压电源电路向采样反馈电路中的光耦二输出控制电压时，光耦二的三极管中集电极与发射极间的电压接近0V，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压接近DC-DC芯片的参考电压，当低压电源电路输出为高阻状态无电压输出时，光耦二的三极管中集电极与发射极间为高阻状态，第一整流滤波电路和第二整流滤波电路输出电压受第一低压DAC电路控制。

4.根据权利要求1所述的一种EMCCD的电子倍增驱动电源，其特征在于，还包括小变压器及相关电路，控制器输出的信号经小变压器及相关电路进行电平转换后，作为同步时钟输入到DC-DC芯片及外围电路，使DC-DC电源部分的开关状态和EMCCD的电荷转移同步。