CN107072021B - 一种光电倍增管高压电源模块 - Google Patents

一种光电倍增管高压电源模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及塑料闪烁体光电倍增管探测器技术领域，尤其是涉及一种便携式小型多功能光电倍增管高压电源模块。包括电源模块，小信号处理模块以及电压显示模块。电源模块采用凌力尔特公司生产的升压转换芯片LT3580构建PWM调制电路,利用变压器升压实现高压输出，12阶倍压整流给PMT各级提供直流分压；信号处理模块用于光电倍增管微弱脉冲信号的放大与甑别输出；电压显示模块将输出的高压经分压后送入数字电压显示电路进行显示，同时由ADC芯片进行模数转换，送入FPGA,通过网络显示于上层界面，实现对Base电源电压的实时监测。本发明采用3.7V‑5V直流电源输入，体积小，功耗低，便携性好，可满足移动工作站中以蓄电池及汽车电池供电环境下为光电倍增管供电的需求。

Description

一种光电倍增管高压电源模块
技术领域
本发明涉及塑料闪烁体光电倍增管探测器技术领域，尤其是涉及一种便携式小型多功能光电倍增管高压电源模块。
背景技术
随着目前闪烁探测器越来越多地应用于室外测量环境，比如需要积累大时间空间尺度上，不同海拔经纬度上次级带电宇宙射线通量的测量，要求探测器具备体积小、功耗低，便于携带，信号处理电路简单的特点。而现有技术的探测器是基于传统高压电源模块与CAMAC/VME数据获取系统的结构不仅造价昂贵，而且功耗高、体积大，完全不适应室外蓄电池或汽车电池供电的环境以及便携的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种光电倍增管高压电源模块，从而有效解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的一种光电倍增管高压电源模块，其特点是采用3.7V-5V直流电源输入，包括电源模块、信号处理模块和电压显示监控模块，所述的电源模块采用升压转换芯片LT3580构建PWM脉宽调制驱动电路，PWM脉宽调制驱动电路将输入直流电压调制为低压脉冲信号，由微型变压器升压得到脉冲高压，再通过倍压整流电路和RC滤波电路给PMT各打拿极提供直流分压并输出；所述的信号处理模块集成RC滤波、整形与阈值调节电路，包括光电倍增管微弱脉冲信号放大与甑别输出电路、阈值设定电路与甑别输出电路；所述的电压显示监测模块包括高压分压、运放反相跟随输出电路，数字电压显示电路，ADC转换电路，反馈调节电路；电压显示监测模块首先将输出的高压分压、运放反相电路跟随输出，并由一个反馈调节电阻连接到升压转换芯片LT3580构建PWM脉宽调制驱动电路的电压反馈调节端，然后由数字电压显示电路显示，同时送入ADC芯片经电压AD模数转换电路进行模数转换，再将数字信号送入选配的数据处理模块,通过网络显示于上层界面，实现对Base电源电压的实时监测。
所述的升压转换芯片LT3580是一款PWM DC/DC转换器，包含一个内部2A、42V开关和可调振荡器；开关频率可根据反馈电压自动调节，芯片输入电压为2.5V-5V；在每个振荡周期的起始时刻，SR锁存器被置位，功率开关Q1被打开；开关电流流经内部电流采样电阻产生一个与自身成比例的电压；该电压被运放A4放大并与稳定的锯齿波电压相加后送入PWM比较器A3的正输入端；当A3正输入电压大于负输入电压，SR锁存器被复位，功率开关被关闭。其中A3的负输入电压由误差放大器A1或者A2将反馈电压与参考电压的差值放大得到；通过这种用误差放大器校正峰值电流值的方式来达到调节输出的目的；所述的PWM脉宽调制驱动电路中的升压转换芯片LT3580的第3、5脚接电源输入；第8、9脚接地；第7脚接0.47uf电容到地；第6脚RT端和地之间连接电阻器RFB来设定开关频率，范围在200KHz至2.5MHz之间；第4脚开关输出接变压器同名输入端，并连接二极管D1到地；第2脚接滤波网络，R3为10K，C3为100pf,C4为10nf。
所述的变压器升压方式所采用的变压器型号为LDT565630T,匝数比1:10.2，主边电感14.5uH，尺寸为5.6mm x 5.6mm x 3mm，调节电阻RT使变压器工作在200KHz最佳工作状态，主边输入端与地之间接一个100pf匹配电容。
所述的倍压整流电路采用Cockcroft-Walton型电容二极管倍压整流电路，为12阶；该电路利用二极管的单向导电性，变压器输出作电荷泵，不断对电容充电，让电容上的电压不断累积，达到需要的输出电压；该电路没有直流，功耗极低，且相比传统升压-分压模式极大地减小了变压器体积。
所述的RC滤波电路采用低通滤波，电阻100K欧姆，电容47pf，截止频率33.9Hz；信号滤波、整形电路采用的旁路电容大小分别为30pf和100nf；阈值调节电路包含两个5K电阻和一个10K可调电位器构成的分压电路；电阻R34、R6与可调电位器R35将+5V对地分压，电位器靠近地的一端连接电压比较芯片LT1711的正输入端。
所述的信号放大电路采用运放OPA2681构建负反馈放大器，运放OPA2681第8脚接+5V输入电源，第4脚接-5V输入电源；第3脚正输入端接51欧姆采样电阻R28与100欧姆匹配电阻R29；第2脚接电阻R30到地，接电阻R31到第1脚输出，R30与R31构成1:10的放大比例；±5V供电电路包含电源芯片PUD0505；甑别电路包含电压比较芯片LT1711，芯片LT1711第3脚负输入端接放大信号输入，第2脚正输入端接阈值电压，第1脚接+5V输入，第4脚接-5V输入，第5、6脚接地，第7脚接输出,输出为TTL信号。
所述的高压分压电路由一个0805封装的500M欧姆高压电阻和一个0603封装的2M欧姆电阻串联组成；所述的运放反相电路包含芯片OPA2604做跟随电路。
所述的电压反馈调节端的输出HVout经一个500M欧姆电阻与一个2M欧姆电阻分压后由运放OPA2604跟随输出，再经过连接FB脚的反馈电阻Rfb将反馈脚的电压调节至内部偏压1.215V，此时比较器A2处于闲置状态，比较器A1完成FB到VC的反相放大。
所述的数字电压显示电路包含三位半数字表头芯片ICL7107，含积分型A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能。芯片第1脚接+5V供电，第36脚接基准电压100mV，第26脚接-5V电源，第31脚接电压正输入，第30脚接电压负输入，第27、28、29脚接阻容网络，第33、34脚接104电容，其余接数码管相应管脚。数码管为共阳型，型号为MAN6710。数字电压表采用双面板设计，尺寸为100mm x 60mm。主要包含芯片ICL7107和两个双位LED数码管；
所述的电压AD模数转换电路包含ADC芯片TLC1549，运放OPA2604第2脚接分压电压，第3脚接地，第1脚将分压电压反相送入第5脚，第6脚与第7脚相连做跟随输出，第7脚输出正电压连接ADC芯片TLC1549第2脚模拟输入端，TLC1549第8脚接+5V电源，第1脚参考电平正极接+5V电源，第3脚负参考电源接地，第4脚接地，第5、6、7三路数字输出。
本发明的有益效果是：所述的一种光电倍增管高压电源模块，其具有3.7V-5V直流电源输入，体积小，功耗低，便携性好，电压实时显示，具备信号处理能力，可满足移动工作站中以蓄电池及汽车电池供电环境下为光电倍增管供电的需求。
附图说明：
图1是本发明的电路原理框架示意图；
图2是本发明的LT3580DC/DC升压配置原理框图；
图3是本发明PWM驱动与CW倍压整流电路原理图；
图4是本发明信号处理电路原理图；
图5是本发明高压分压与电压AD转换电路原理图；
图6是本发明数字电压显示电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述：
如图1至6所示，所述的一种光电倍增管高压电源模块，其特点是采用3.7V-5V直流电源输入，包括电源模块、信号处理模块和电压显示监控模块，所述的电源模块采用升压转换芯片LT3580构建PWM脉宽调制驱动电路，PWM脉宽调制驱动电路将输入直流电压调制为低压脉冲，由变压器转换为脉冲高压，再通过倍压整流电路和RC滤波电路给PMT各打拿极提供分压并输出；所述的信号处理模块集成RC滤波、整形与阈值调节电路，包括光电倍增管微弱脉冲信号放大与甑别输出电路、阈值设定电路与甑别输出电路；所述的电压显示监测模块包括高压分压、运放反相跟随输出电路，数字电压显示电路，ADC转换电路，反馈调节电路；电压显示监测模块首先将输出的高压分压、运放反相电路跟随输出，并由一个反馈调节电阻连接到升压转换芯片LT3580构建PWM脉宽调制驱动电路的电压反馈调节端，然后由数字电压显示电路显示，同时送入ADC芯片经电压AD模数转换电路进行模数转换，再将数字信号送入选配的数据处理模块,通过网络显示于上层界面，实现对Base电源电压的实时监测。
所述的升压转换芯片LT3580是一款PWM DC/DC转换器，包含一个内部2A、42V开关和可调振荡器；开关频率可根据反馈电压自动调节，芯片输入电压为2.5V-5V；在每个振荡周期的起始时刻，SR锁存器被置位，功率开关Q1被打开；开关电流流经内部电流采样电阻产生一个与自身成比例的电压；该电压被运放A4放大并与稳定的锯齿波电压相加后送入PWM比较器A3的正输入端；当A3正输入电压大于负输入电压，SR锁存器被复位，功率开关被关闭。其中A3的负输入电压由误差放大器A1或者A2将反馈电压与参考电压的差值放大得到；通过这种用误差放大器校正峰值电流值的方式来达到调节输出的目的；所述的PWM脉宽调制驱动电路中的升压转换芯片LT3580的第3、5脚接电源输入；第8、9脚接地；第7脚接0.47uf电容到地；第6脚RT端和地之间连接电阻器RFB来设定开关频率，范围在200KHz至2.5MHz之间；第4脚开关输出接变压器同名输入端，并连接二极管D1到地；第2脚接滤波网络，R3为10K，C3为100pf,C4为10nf。
所述的变压器升压方式所采用的变压器型号为LDT565630T,匝数比1:10.2，主边电感14.5uH，尺寸为5.6mm x 5.6mm x 3mm，调节电阻RT使变压器工作在200KHz最佳工作状态，主边输入端与地之间接一个100pf匹配电容。
所述的倍压整流电路采用Cockcroft-Walton型电容二极管倍压整流电路，为12阶；该电路利用二极管的单向导电性，变压器输出作电荷泵，不断对电容充电，让电容上的电压不断累积，达到需要的输出电压；该电路没有直流，功耗极低，且相比传统升压-分压模式极大地减小了变压器体积。
所述的RC滤波电路采用低通滤波，电阻100K欧姆，电容47pf，截止频率33.9Hz；信号滤波、整形电路采用的旁路电容大小分别为30pf和100nf；阈值调节电路包含两个5K电阻和一个10K可调电位器构成的分压电路；电阻R34、R6与可调电位器R35将+5V对地分压，电位器靠近地的一端连接电压比较芯片LT1711的正输入端。
所述的信号放大电路采用运放OPA2681构建负反馈放大器，运放OPA2681第8脚接+5V输入电源，第4脚接-5V输入电源；第3脚正输入端接51欧姆采样电阻R28与100欧姆匹配电阻R29；第2脚接电阻R30到地，接电阻R31到第1脚输出，R30与R31构成1:10的放大比例；±5V供电电路包含电源芯片PUD0505；甑别电路包含电压比较芯片LT1711，芯片LT1711第3脚负输入端接放大信号输入，第2脚正输入端接阈值电压，第1脚接+5V输入，第4脚接-5V输入，第5、6脚接地，第7脚接输出,输出为TTL信号。
所述的高压分压电路由一个0805封装的500M欧姆高压电阻和一个0603封装的2M欧姆电阻串联组成；所述的运放反相电路包含芯片OPA2604做跟随电路。
所述的电压反馈调节端的输出HVout经一个500M欧姆电阻与一个2M欧姆电阻分压后由运放OPA2604跟随输出，再经过连接FB脚的反馈电阻Rfb将反馈脚的电压调节至内部偏压1.215V，此时比较器A2处于闲置状态，比较器A1完成FB到VC的反相放大。
所述的数字电压显示电路包含三位半数字表头芯片ICL7107，含积分型A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能。芯片第1脚接+5V供电，第36脚接基准电压100mV，第26脚接-5V电源，第31脚接电压正输入，第30脚接电压负输入，第27、28、29脚接阻容网络，第33、34脚接104电容，其余接数码管响应管脚。数码管为共阳型，型号为MAN6710。数字电压表采用双面板设计，尺寸为100mm x 60mm。主要包含芯片ICL7107和两个双位LED数码管；
所述的电压AD模数转换电路包含ADC芯片TLC1549，运放OPA2604第2脚接分压电压，第3脚接地，第1脚将分压电压反相送入第5脚，第6脚与第7脚相连做跟随输出，第7脚输出正电压连接ADC芯片TLC1549第2脚模拟输入端，TLC1549第8脚接+5V电源，第1脚参考电平正极接+5V电源，第3脚负参考电源接地，第4脚接地，第5、6、7三路数字输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光电倍增管高压电源模块，其特征是采用3.7V-5V直流电源输入，包括电源模块、信号处理模块和电压显示监测模块，所述的电源模块采用升压转换芯片LT3580构建PWM脉宽调制驱动电路，该电路将输入直流电压进行脉宽与频率调制后得到低压脉冲信号，然后由变压器升压输出高压脉冲，再通过倍压整流电路和RC滤波电路给PMT各打拿极提供直流分压；所述的信号处理模块集成RC滤波、整形与阈值调节电路，包括光电倍增管微弱脉冲信号放大与甑别输出电路、阈值设定电路与甑别输出电路；所述的电压显示监测模块包括高压分压、运放反相跟随输出电路，数字电压显示电路，电压AD模数转换电路，反馈调节电路；电压显示监测模块首先将输出的高压分压电路运放反相跟随输出电路跟随输出，并由一个反馈调节电阻连接到升压转换芯片LT3580构建PWM脉宽调制驱动电路的电压反馈调节端，然后由数字电压显示电路进行显示，同时送入电压AD模数转换电路进行模数转换，再将数字信号送入选配的数据处理模块,通过网络显示于上层界面，实现对Base电源电压的实时监测；所述的电压AD模数转换电路包含ADC芯片TLC1549，运放OPA2604第2脚接分压电压，第3脚接地，第1脚将分压电压反相送入第5脚，第6脚与第7脚相连做跟随输出，第7脚输出正电压连接ADC芯片TLC1549第2脚模拟输入端，TLC1549第8脚接+5V电源，第1脚参考电平正极接+5V电源，第3脚负参考电源接地，第4脚接地，第5、6、7三路数字输出；所述的信号放大电路采用运放OPA2681构建负反馈放大器，运放OPA2681第8脚接+5V输入电源，第4脚接-5V输入电源；第3脚正输入端接100欧姆匹配电阻R29的一端，100欧姆匹配电阻R29的另一端接51欧姆采样电阻R28；第2脚接电阻R30到地，接电阻R31到第1脚输出，R30与R31构成1:10的放大比例；±5V供电电路包含电源芯片PUD0505；甑别电路包含电压比较芯片LT1711，芯片LT1711第3脚负输入端接放大信号输入，第2脚正输入端接阈值电压，第1脚接+5V输入，第4脚接-5V输入，第5、6脚接地，第7脚接输出,输出为TTL信号。
2.如权利要求1所述的一种光电倍增管高压电源模块，其特征在于：所述的升压转换芯片LT3580是一款PWM DC/DC转换器，包含一个内部2A、42V开关和可调振荡器；开关频率可根据反馈电压自动调节，芯片输入电压为2.5V-5V；在每个振荡周期的起始时刻，SR锁存器被置位，功率开关Q1被打开；开关电流流经内部电流采样电阻产生一个与自身成比例的电压；该电压被运放A4放大并与稳定的锯齿波电压相加后送入PWM比较器A3的正输入端；当A3正输入电压大于负输入电压，SR锁存器被复位，功率开关被关闭，其中A3的负输入电压由误差放大器A1或者A2将反馈电压与参考电压的差值放大得到；通过这种用误差放大器校正峰值电流值的方式来达到调节输出的目的；所述的PWM脉宽调制驱动电路中的升压转换芯片LT3580的第3、5脚接电源输入；第8、9脚接地；第7脚接0.47uf电容到地；第6脚RT端和地之间连接电阻器RFB来设定开关频率，范围在200KHz至2.5MHz之间；第4脚开关输出接变压器同名输入端，并连接二极管D1到地；第2脚接滤波网络，R3为10K，C3为100pf,C4为10nf。
3.如权利要求1所述的一种光电倍增管高压电源模块，其特征在于：所述的变压器升压方式所采用的变压器型号为LDT565630T,匝数比1:10.2，主边电感14.5uH，尺寸为5.6mm x5.6mm x 3mm，调节电阻RT使变压器工作在200KHz最佳工作状态，主边输入端与地之间接一个100pf匹配电容。
4.如权利要求1所述的一种光电倍增管高压电源模块，其特征在于：所述的倍压整流电路采用Cockcroft-Walton型电容二极管倍压整流电路，为12阶；该电路利用二极管的单向导电性，变压器输出作电荷泵，不断对电容充电，让电容上的电压不断累积，达到需要的输出电压；该电路没有直流，功耗极低，且相比传统升压-分压模式极大地减小了变压器体积。
5.如权利要求1所述的一种光电倍增管高压电源模块，其特征在于：所述的RC滤波电路采用低通滤波，电阻100K欧姆，电容47pf，截止频率33.9Hz；信号滤波、整形电路采用的旁路电容大小分别为30pf和100nf；阈值调节电路包含两个5K电阻和一个10K可调电位器构成的分压电路；电阻R34、R6与可调电位器R35将+5V对地分压，电位器靠近地的一端连接电压比较芯片LT1711的正输入端。
6.如权利要求1所述的一种光电倍增管高压电源模块，其特征在于：所述的高压分压电路由一个0805封装的500M欧姆高压电阻和一个0603封装的2M欧姆电阻串联组成；所述的运放反相跟随输出电路包含芯片OPA2604做跟随电路；所述的电压反馈调节端的输出HVout经一个500M欧姆电阻与一个2M欧姆电阻分压后由运放OPA2604跟随输出，再经过连接FB脚的反馈电阻Rfb将反馈脚的电压调节至内部偏压1.215V，此时放大器A2处于闲置状态，放大器A1完成FB到VC的反相放大。
7.如权利要求1所述的一种光电倍增管高压电源模块，其特征在于：所述的数字电压显示电路包含三位半数字表头芯片ICL7107，自带积分型A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能；芯片第1脚接+5V供电，第36脚接基准电压100mV，第26脚接-5V电源，第31脚接电压正输入，第30脚接电压负输入，第27、28、29脚接阻容网络，第33、34脚接104电容，其余接数码管响应管脚；数码管为共阳型，型号为MAN6710；数字电压表采用双面板设计，尺寸为100mm ×60mm，主要包含芯片ICL7107和两个双位LED数码管。
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