铯原子钟电子倍增器可调高压电源设计.pdf

2024年2 月第44卷第1期文章编号：10 0 0-7 2 0 2(2 0 2 4)0 1-0 0 2 9-0 5宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementFeb.2024Vol.44No.1D0I:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.05艳原子钟电子倍增器可调高压电源设计赵玉龙，陈江,马沛,刘志栋,汪东军,董鹏玲,王（兰州空间技术物理研究所，兰州7 30 0 0 0)摘要：电子倍增器用来放大并输出原子的跃迁信号。倍增器电源是其重要组成部分，针对电子倍增器在增益变化及衰减情况下的供电需求，提出了一种基于分流调整电路结合倍压整流电路的高压电源设计方案，该方案在低压部分采用分流调整技术实现了电源输出电压控制；采用变压器结合多级倍压整流电路对电压放大输出，实现了电源可调电压范围在-30 6 -3150 V和低输出纹波，电源的遥测电路实现了输出电压遥测。星载原子钟经过长期在轨测试，测试结果表明，本设计的电源在控制范围内实现了宽范围电压输出和遥测，低于3.2 3V的电源纹波，保证了原子钟稳定度指标。关键词：电子倍增器；高压电源；分流调整；倍压整流；原子钟中图分类号：TB939骥，薛晓慧文献标识码：ADesign of Adjustable High Voltage Power Supply for ElectronMultiplier of Cesium Atomic ClockZHAO Yulong,CHEN Jiang,MA Pei,LIU Zhidong,WANG Dongjun,DONG Pengling,WANG Ji,XUE Xiaohui(Lanzhou Institute of Space Technology and Physics,Lanzhou 730000,China)Abstract:The electron multiplier is used to amplify and output the transition signal of cesium atomic,the powersupply is an important part of the electron multiplier,In the case of gain attenuation,the power supply requirement of theelectronic multiplier changes,this paper presents a design scheme of high voltage power supply base on shunt regulationcombined with voltage doubling rectifier circuit,the shunt adjustment technology was adopted to realize the power supplyoutput voltage control in the low voltage part,the transformer combined with voltage doubling rectifier circuit to completehigh power supply voltage output range is-306-3 150 V and low power ripple.The power supply telemetry circuit realizesthe output voltage telemetry.The spaceborne cesium atomic clock has been tested in orbit for a long time.The test resultsshow that the power supply designed in this paper realizes a wide range of voltage output and can be telemetered within thecontrol range.the power ripple of less than 3.23 V ensures that the indicators of the cesium atomic clock are not affected.Keywords:Electron multiplier;High voltage power supply;Shunt regulation;Voltage doubling rectifier circuit;Cesium atomic clock收稿日期：2 0 2 3-12-2 2；修回日期：2 0 2 4-0 2-0 2作者简介：赵玉龙（19 8 8-），男，工程师，本科，主要研究方向：原子钟电路技术。300 引 言电子倍增器一种具有电子放大功能的真空器件,在真空环境下,电子倍增器可以对光子、电子、离子等粒子进行探测1。原子钟以电子倍增器作为核心检测部件,将离子流信号放大10 倍2 ,实现艳原子跃迁信号的放大输出。电子倍增器工作时,由于带电粒子长期打在其表面,使其表面结构发生变化、增益衰减,引起原子的跃迁信号下降3，导致原子钟的指标下降。为了解决倍增器增益衰减,需要增加电子倍增器的工作电压来维持倍增器增益始终不变,从而输出一个稳定的跃迁信号。因此,电子倍增器需要一个电压可调的高压电源供电4，使原子钟能长期稳定工作。艳原子钟电子倍增器的工作电压范围一般为-110 0-2 6 0 0 V,电流小于0.1mA。同时,倍增器电源的纹波影响原子钟的稳定度指标。为了解决空间原子钟电子倍增器的供电需求，提出一种电压可调的高压电源设计方案。分流调整电路实现电源电压的闭环控制。变压器结合倍压整流电路实现高压输出。遥测电路实现电源的输出电压遥测。该方案解决了空间钟电子倍增器的电源需求,也可用于星上其他小电流型高压可调电源的设计。宇航计测技术工作电压的稳定度应比测量精度低一个数量级。信号处理电路先将倍增器输出信号放大2 155倍，再用16 位模数转换器测量，电子倍增器高压电源的纹波应远小于测量精度。艳原子钟电子倍增器的电压工作范围为-1 100-2 600 V,需要设计一种大于该范围的受控高压电源,因此在设计时将倍增器电源的输出电压范围设置在-316 -30 8 0 V。电源的控制信号来自钟伺服电路0 5V的模拟信号；输人电压来自星上直流+42 V电源；倍增器的负载大于6 0 MQ,所以电流小于0.1mA;高压电源应能够输出电子倍增器电压的遥测信息。电源输出电压为-30 8 0 V时,输出纹波应小于10 V;综上电子倍增器高压电源的需求如表1所示。表1电子倍增器的高压电源主要性能指标Tab.1 Main performance index of electron multiplierhigh voltage power supply测试项目控制电压输人电压输出电压遥测电压噪声2024年测试指标/V05+42-3163 08005101高压电源指标分析2高高压电源电路设计原子钟电子倍增器的放大倍数与其工作电压之间的关系5 如式(1)所示M=A Vkn式中：M倍增器的放大倍数;A倍增器电子收集率常数;V倍增器的工作电压;k增益指数,与倍增器的材料有关,k=0.8;n-一倍增器用中,常采用高升压比变压器或变压器副边多绕组的级数。串联的方式实现高电压变换，高升压比变压器绕制从式(1)可知,电子倍增器的放大倍数和工作时对制造工艺要求较高8 。电压的kn次方指数变化。因此,为了使电子倍增器为了提高电子倍增器高压电源的可靠性,采用输出稳定,其工作电压应保持稳定。工作电压变化高压舱和低压舱两舱设计,将低压电路组件与高压引起的放大倍数变化如式（2）所示电路组件物理隔离。高压电源框图如图1所示。dM-ldV=knMV式中：n一一倍增器的级数,9。为了保证钟的稳定度指标,得出电子倍增器常用的可调高压电源方案是用脉宽调制(Pulse-Width Modulation,PWM)闭环控制输出一个(1)直流中间电压,再用开关变换放大中间直流电压输出高压6 。该方法会导致电源调整线性度低,并且PWM环路控制易受干扰而引入噪声7 。在空间应低压部分由分流调整电路和遥测电路构成，低压部(2)分电路放置于低压舱。分流调整电路完成对变压器的输入端电压调整，实现了输出电压的闭环控制。遥测电路输出倍增器电源的遥测值。高压部第1期分由变压器和倍压整流电路构成,高压部分电路放置于高压舱。利用变压器进行电压放大，运用多级倍压整流电路串联完成高压输出9 高压部分输人控制分流调整图1可调高压电源框图Fig.1 Block diagram of adjustable high voltage powersupply2.1分流调整电路分流调整电路通过调整变压器的输人端电压来实现输出高压调整，分流调整电路原理如图2 所示。VVRVRGND图2 分流调整电路原理图Fig.2 Schematic diagram of shunt regulation circuit分流电阻R,与分流调整管Q1以并联的形式接人到电源输人电压V与输入地之间,形成并联分流电路,故称为分流调整电路。工作原理为,分流调整电路根据控制电压V。将输入电压V,调整至输出电压V。OA1为运算放大器,R,和R，将电压V,调整至反馈电压V,形成求差电路。V。为控制电压。流经电阻R，的电流I分成两路I。和I根据节点电流可得 I=。+I.,其中 I,=(V-V)/RI,I,=(R2+R,+Rr)V/（R,+R,)R,R 为变压器的等效输入电阻。由于等效负载电阻R远小于R与R，的串联原子钟电子倍增器可调高压电源设计值,故I,V,/R T。分流调整管Q1以驱动电流I,作为驱动信号,I,=（V,-0.7)/R 4,Q 1集电极电流I。与基极电流I,的关系为I。=I,为三极管的放大倍数,即I。=(V,-0.7)/R4,可得到输出电流与输人电流的关系如式(3)所示V-V_ VV,-0.7RRT+R4式中:V输人电压,42 V;R,一分流电阻,10 0 Q2;R变压器输人端等效负载电阻,36 0;调电压变换倍压整流遥测电路低压部分RROA131(3)整管电流放大倍数,10 0;R4驱动电阻,3.3kQ。运放OA1的输出V，与输人的关系如式(4)所示R.RV=(1+R,八R2+R,式中：R,反馈电阻,51 k2;R输人电阻,2k2;R分压电阻,3ka;Rz分压电阻,16 k0。将式(4)代入式(3)中得出输出电压V,与输人电压V及控制电压V。的关系如式(5)所示Vi=3.16+5.54Vc式中:V控制电压,0 5V。由式(5)得控制电压在0 5V时,分流调整电路输出的电压V,在3.16 30.8 V之间，分流调整电R路实现了变压器输人端电压的闭环控制。R2.2电压变换电路高压输出电路由电压变换电路和倍压整流电R路组成,原理如图3所示。考虑到电源的输出为可调高压,若用增加次级绕组匝数比的方法获取高压输出，会使得变压器的次级绕组过多，由于变压器寄生电容的影响,将导致变压器的损耗和输出噪声过大10,。采用Buck推挽拓扑结构实现了电压变换，再将电压放大到一定的交流电压后再采用倍压整流的方式实现负高压输出。该方案变压器升压比低,变压器制造难度较低12 。电压变换电路由PWM发生器UC1825和变压器组成,UC1825输出两路互补的PWM波形驱动变压器。变压器的磁芯选用Philips公司TN29/19/7.5。变换电路采用50%固定占空比的Buck推挽变换拓扑,变压器的输出电压为初级线圈输人电压与匝数比的乘积10)。变压器输出电压均值如式(6)所示V,=VXD元TRiVRT(4)(5)632PWMALLVPWMBJL图3电压变换及倍压整流电路原理图Fig.3Schematic diagram of voltage conversion anddoubling rectifier circuit式中：V变压器输人端电压,范围为3.16 30.8 V;DBuck调节器的占空比,D=50%;T,变压器副边匝数;T,变压器原边绕组匝数,T，与T的比值为2 5。由式(6)得变压器输出V的电压范围为39.5385V。变压器绕组的引出线需要保持一定的距离，防止引出线间被电压击穿132.3倍压整流电路倍压电路采用了4级Cockcroft-Walton倍压整流电路。倍压整流电路输出电压值如式(7)所示V。=-2 m V2式中:m倍压整流级数,4;V2变压器输出电压,为39.5 38 5 V。由式(7)可得高压电源V。的输出范围为-316-3 080 V。为了满足钟稳定度指标需求，倍增器高压电源输出的纹波应小于10 V。倍压整流电路输出纹波电压与滤波电容的关系如式(8)所示m(m+1)la,(m+1)ld4fC式中：V输出纹波电压;la电源最大输出电流,0.1 mA;f整流二极管的工作频率,7 5kHz。通过式(8)得到电容的计算如式(9)(m+1)(m+2)laC=4fV式中：V.一纹波电压,V.1.010-9F,设计中高压倍压整流电路中电容取值为2.2 nF。高压电源输出回线（电源地)由瞬态抑制二极管和电容接到机壳（机壳地）,该电路降低了共模输出噪声。通过倍压整流电宇航计测技术路,高压输出电路实际输出纹波电压低于5V。倍压电路中整流二极管的反向电压为Vm=V1000/0.6=1667V,正向电流按照I=10mA计,选用快恢复整流二极管，其参数：Vmm=2500V，l=100 mA,t150 ns,满足使用要求。电源地2.4遥测电路高压电源的负载R是星载钟的电子倍增中机壳地器。遥测电路输出的遥测量V,可以指示出当前倍增器的电压,从而判断原子钟当前的工作状态，也可用来评估原子钟寿命。遥测电路原理图如图4所示。V电源地图4遥测电路原理图Fig.4 Schematic diagram of telemetry circuit(7)遥测电路由一个运放和电阻组成的小信号放大电路。其中R。为采样电阻。通过调整外围电阻,使运算放大器的输出V为0 5V,对应的倍增器电源电压为-316 -30 8 0 V,得到输出遥测值与倍增器电源电压的关系如式(10)所示V。=-(552.8 V,+316)式中：V。电子倍增器电源实际输出电压;V遥测电压。(8)2fC(9)2024年RRV(10)3讨试验数据及结果分析倍增器高压电源的主要性能指标测试数据如表2 所示。钟倍增器可调高压电源的电压输出受控,当控制电压为0 5V时,高压电源的实际输出电压范围为-30 6-3150 V。倍增器电源输出电压为3150 V时,噪声为3.2 3V,遥测电压范围为04.95V。达到设计指标要求。艳钟电子倍增器遥测电压值如图5所示,倍增器电源的遥测电压由2.55V变化到3.12 V。按照第1期遥测电压与倍增器电源电压的关系,用式(10)计算得到倍增器电源输出电压由-17 2 6 V变化到-2041V。倍增器电压增幅符合倍增器增益衰减的规律,原子钟工作正常,频率稳定度为：1.9 0 E-12 1 s;2.49E-12 10 s;1.02E-12 100 s;2.96E-13 1 000 s。Tab.2Main performance indicators test data of测试项目控制电压输人电压输出电压遥测电压噪声3.532.521.510.500306090 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390图5星载钟电子倍增器遥测电压值结果图Fig.5 Telemetry voltage values result of the spacebornecesium clock electron multiplier4结束语针对星载钟电子倍增器需要可调高压电源，设计了一种输出电压为30 6-3 150 V的可调的高压电源,首先提出了一种基于分流调整的电路，完成了高压电源的电压调整，实现了高压电源输出的闭环控制。其次给出了变压器的设计方法和驱动方案。此外倍压整流电路完成高压电源的放大及输出,输出纹波低于3.2 3V,保证了钟的稳定度指标不受电源输出纹波带来的影响。最后给出了输出高压的遥测电路,实现了倍增器电源的电压遥原子钟电子倍增器可调高压电源设计测。倍增器电源随国产星载原子钟于2 0 19 年搭载北斗三号导航卫星进行了在轨验证，原子钟稳定度指标合格14,15。提出的设计方案不仅解决了星载钟电子倍增器的电源需求,也可用于星上其他小电流型高压可调电源的设计。参考文献表2 主要性能指标测试数据1闫保军,刘术林,温凯乐,王玉漫,等.新型薄膜材料在电power supply子倍增器中的应用研究J.空间电子技术,2 0 2 2,19测试指标/V(4):85-92.2郭磊,陈江,王多书，等.国产小型磁选态钟电子倍增05器性能测试与分析J.时间频率学报，2 0 2 2，45（2）：[phone].-306-3 1503成大鹏,马寅光,王骥，等.影响束管寿命因素的分析0 4.95J.真空与低温,2 0 15,2 1(1)：48-50.3.234陈江,王骥,马沛,等.LIP Cs3000C磁选态原子钟的测试J.时间频率学报,2 0 18,41（3）：19 0-19 3.5李乐,汪龙祺,黄煜,等.光电探测系统噪声特性研究与降噪设计J光学精密工程,2 0 2 0,2 8（12）：2 6 7 5-2 6 8 3.6程铭,余海生，付鹏，等.一种抗辐射前置稳压高压电源J.太赫兹科学与电子信息学报,2 0 2 1,19(6)：1134-1137.7郭显鑫，卢旭,部英男，等.原子钟钛泵高压电源及小电流检测电路设计J.仪器仪表学报，2 0 17,38（7）：16 0 6-时间/d1615.8赵文杰,万成安,郑岩,等.基于倍压整流电路的空间高压电源设计J.电子设计工程,2 0 19,2 7（2 0）：6 4-7 4.9 芮军辉，高宗球,郭斐，等.低杂波电流驱动阴极高压电源系统的优化与实现J.强激光与粒子束,2 0 2 1,33(2)：1-6.10张国森,张一鸣,张云睿,等.倍压整流电路在DC/DC大升压比电路中的应用J.电气传动,2 0 2 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