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作者：Gary Bocock, XP Power技術(shù)總監 摘要 高靈敏度成像構成了從手機到天文學(xué)等許多商業(yè)和專(zhuān)業(yè)應用的基礎。由于信號有時(shí)勉強高于背景噪聲水平，為相關(guān)電子器件產(chǎn)生電源軌的高壓DC-DC轉換器必須有效地消除噪聲。本文研究了這個(gè)問(wèn)題，并提出了一些解決方案。 正文 我們或許都很熟悉在低光照條件下記錄圖像的困難，我們的手機在黑暗中會(huì )產(chǎn)生顆粒狀的圖像，因為它們的電子器件會(huì )絞盡腦汁地提高信號鏈的增益，以便在背景電噪聲中捕捉盡可能多的光子。手機相機中的傳感器通常是CMOS類(lèi)型，高端成像設備中仍在使用較老的CCD技術(shù)，但使用雪崩光電二極管(APD)、微通道板(MCP)和光電倍增管(PMT)的專(zhuān)用探測器被用于最苛刻的專(zhuān)業(yè)應用。這些應用包括輻射檢測、光譜學(xué)、激光測距儀、夜視儀、血液分析儀、正電子發(fā)射斷層掃描、長(cháng)距離光纖通信、粒子物理學(xué)和天文學(xué)。 圖像傳感器利用光電效應，電子從光敏表面釋放出來(lái)，其數量與入射光子成正比。電子以電流的形式被收集，信號被放大，然后通過(guò)D-A轉換器進(jìn)行后續處理�，F在傳感器的量子效率已經(jīng)達到了很好的概率，可以登記單個(gè)光子，產(chǎn)生單個(gè)電子，所以要利用這一點(diǎn)，電子信號鏈和電源軌中的任何無(wú)關(guān)噪聲必須極低。傳感器通常采用負電壓偏壓，一般在100V到6kV之間，為了達到最佳的成像性能，還必須具有高穩定性和低噪聲。 傳感器需要來(lái)自低EMI源的偏置電壓 輻射電磁干擾(EMI)對PMT來(lái)說(shuō)是一個(gè)特別的問(wèn)題，它使電子路徑扭曲，并導致探測器增益下降。輻射電磁干擾也會(huì )直接或間接影響其他類(lèi)型的探測器，而通常使用的高壓DC-DC電源轉換器，其內部的高頻開(kāi)關(guān)波形會(huì )使問(wèn)題更加嚴重。典型的小型高壓DC-DC轉換器應用如圖1所示。 
圖1：用于敏感成像應用的高壓DC-DC轉換器示例，具有低紋波、噪聲和EMI的特點(diǎn)。屏蔽的內部變壓器和電鍍鋼外殼還可實(shí)現低水平的電磁輻射。 轉換器通常使用5、12或24VDC輸入，以高頻率（可能是幾百kHz）切換。所產(chǎn)生的波形通過(guò)變壓器來(lái)提高電壓，然后經(jīng)過(guò)乘法器級，再經(jīng)過(guò)整流和濾波來(lái)產(chǎn)生高壓直流。輸入開(kāi)關(guān)電路的反饋通過(guò)開(kāi)關(guān)波形的脈寬和/或頻率調制來(lái)設定和穩定輸出電壓。圖2是一種常見(jiàn)的布置方式。
圖2：通過(guò)DC-DC轉換器可以產(chǎn)生高電壓 高壓DC-DC轉換器會(huì )產(chǎn)生明顯的噪音 雖然任何DC-DC轉換器的設計都可以包括輸入/輸出濾波和屏蔽，以減少EMI，但在敏感的成像應用中，最好是利用固有的低噪聲的電路拓撲結構。開(kāi)關(guān)模式DC-DC轉換器是增加電壓的唯一選擇，傳統的設計方法是 "硬開(kāi)關(guān)"，即在高頻下以盡可能快的速度驅動(dòng)功率半導體硬開(kāi)和硬關(guān)。這可能是一種簡(jiǎn)單的安排，具有良好的效率，但具有高邊沿率的波形自然會(huì )產(chǎn)生豐富的諧波，具有潛在的EMI問(wèn)題，難以抑制和屏蔽。傳感器應用中存在的高電壓只會(huì )使情況變得更糟，這不僅僅是因為其幅值，還因為需要大的絕緣間距，增加了寄生效應，如漏電電感。這直接產(chǎn)生了電壓尖峰和快速變化的電流所產(chǎn)生的輻射EMI。另外，對于高壓變壓器來(lái)說(shuō)，匝數不可避免地高，導致繞組自電容過(guò)大，然后導致能量諧振，造成大電壓過(guò)沖的響動(dòng)。由此產(chǎn)生的元件應力必須加以管理，而諧振頻率下的輸出噪聲峰值尤其難以衰減。 諧振轉換器拓撲結構最大限度地降低噪音 硬開(kāi)關(guān) "方法的所有問(wèn)題的替代方法是使用 "諧振 "轉換器�？梢允褂貌煌淖凅w，但它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即寄生元件由設計主動(dòng)控制，并形成網(wǎng)絡(luò )的一部分，在開(kāi)關(guān)操作的功率傳輸階段有意進(jìn)行共振。波形現在是正弦波，而不是方波，最大限度地減少了EMI，同時(shí)也帶來(lái)了效率方面的好處；功率半導體根據拓撲結構，采用 "零電壓 "或 "零電流 "軟開(kāi)關(guān)操作，最大限度地減少了動(dòng)態(tài)損耗。使用該拓撲結構的產(chǎn)品實(shí)例可見(jiàn)于XP Power系列高壓DC-DC轉換器，此外還采用鍍鋅鋼外殼以實(shí)現有效屏蔽。請注意，其他常用材料在這方面的表現非常差。塑料和有色金屬材料，如銅、黃銅和鋁的磁導率接近 "自由空間"，或相對磁導率為1，不能提供磁屏蔽，而鋼的相對磁導率約為2000，形成有效的磁屏蔽。鋼材上的鍍層可防止腐蝕，并可進(jìn)行焊接連接，達到接地的目的。 設計良好的高壓轉換器采用低噪聲拓撲結構和全面的內部和外部屏蔽，可以很好地適用于敏感的成像應用。在低功率時(shí)，像這樣的微型轉換器可以靠近成像傳感器，這樣連接就會(huì )很短，以達到最佳的調節效果，并保持良好的EMI性能。出于安全考慮，高壓電纜的運行也可以保持在最低限度�？拷鼈鞲衅靼惭b時(shí)，轉換器的高效率也是一個(gè)好處 - 超敏感圖像傳感器必須冷卻以獲得最低的熱噪聲，因此任何相鄰的電子元件都應盡可能地減少耗電量。 商用高壓DC-DC轉換器模塊性?xún)r(jià)比高 市面上銷(xiāo)售的高壓DC-DC轉換器還可以包括一些功能，使其易于集成到整體系統控制中，如遠程可編程性和監控。這些模塊化的解決方案可以在負載、線(xiàn)路和溫度變化的情況下提供精確的輸出控制，以及低電磁干擾。與分立的解決方案相比，商用模塊是即用型的，經(jīng)過(guò)安全認證，通常采用通用的PCB安裝引腳，允許不同型號之間的互換�？偟膩�(lái)說(shuō)，由可靠供應商提供的具有良好記錄的模塊可以節省研發(fā)時(shí)間、成本和風(fēng)險。 外部連接是實(shí)現最佳性能的關(guān)鍵 無(wú)噪音的電源線(xiàn)是敏感成像應用的先決條件，但在外部電源連接中仍有需要避免的陷阱；成像系統中的高性能信號放大器將有特殊的局部接地和屏蔽安排，以獲得最佳性能，這應與電源地線(xiàn)仔細隔離。高壓DC-DC轉換器的輸入、輸出、任何低電壓控制和監控以及圖像信號都會(huì )有單獨的接地返回路徑。這些都應分開(kāi)，任何公共連接都應采用 "星形接地 "技術(shù)，以避免相互影響。圖3顯示了一個(gè)典型的模塊化轉換器如何實(shí)現這一點(diǎn)。
圖3：'星型'接地連接，以避免相互影響 模塊化高壓DC-DC轉換器可實(shí)現最佳傳感器性能 當成像信號以個(gè)位數電子計數測量時(shí)，任何背景噪聲都是一個(gè)問(wèn)題。電子器件需要電源，而為應用產(chǎn)生高電壓所需的專(zhuān)用轉換器可能是EMI的來(lái)源。然而，良好的低噪聲轉換器設計技術(shù)，加上全面的篩選、濾波和外部連接的仔細隔離，可以產(chǎn)生最佳的探測器性能。制造商XP Power可提供具有正確規格的組件級、PC板安裝的高壓DC-DC轉換器，并可隨時(shí)從線(xiàn)上分銷(xiāo)處采購，以具有競爭力的成本進(jìn)行快速原型設計和后續批量生產(chǎn)。 |
