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作者：Gary Bocock, XP Power技術(shù)總監(jiān) 摘要 高靈敏度成像構(gòu)成了從手機(jī)到天文學(xué)等許多商業(yè)和專業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于信號有時勉強(qiáng)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(zhuǎn)換器必須有效地消除噪聲。本文研究了這個問題，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(jī)在黑暗中會產(chǎn)生顆粒狀的圖像，因為它們的電子器件會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(jī)相機(jī)中的傳感器通常是CMOS類型，高端成像設(shè)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)的專用探測器被用于最苛刻的專業(yè)應(yīng)用。這些應(yīng)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(yīng)，電子從光敏表面釋放出來，其數(shù)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D-A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行后續(xù)處理�，F(xiàn)在傳感器的量子效率已經(jīng)達(dá)到了很好的概率，可以登記單個光子，產(chǎn)生單個電子，所以要利用這一點，電子信號鏈和電源軌中的任何無關(guān)噪聲必須極低。傳感器通常采用負(fù)電壓偏壓，一般在100V到6kV之間，為了達(dá)到最佳的成像性能，還必須具有高穩(wěn)定性和低噪聲。 傳感器需要來自低EMI源的偏置電壓 輻射電磁干擾(EMI)對PMT來說是一個特別的問題，它使電子路徑扭曲，并導(dǎo)致探測器增益下降。輻射電磁干擾也會直接或間接影響其他類型的探測器，而通常使用的高壓DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部的高頻開關(guān)波形會使問題更加嚴(yán)重。典型的小型高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用如圖1所示。 
圖1：用于敏感成像應(yīng)用的高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器示例，具有低紋波、噪聲和EMI的特點。屏蔽的內(nèi)部變壓器和電鍍鋼外殼還可實現(xiàn)低水平的電磁輻射。 轉(zhuǎn)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)生的波形通過變壓器來提高電壓，然后經(jīng)過乘法器級，再經(jīng)過整流和濾波來產(chǎn)生高壓直流。輸入開關(guān)電路的反饋通過開關(guān)波形的脈寬和/或頻率調(diào)制來設(shè)定和穩(wěn)定輸出電壓。圖2是一種常見的布置方式。
圖2：通過DC-DC轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生高電壓 高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生明顯的噪音 雖然任何DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)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(yīng)用中，最好是利用固有的低噪聲的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器是增加電壓的唯一選擇，傳統(tǒng)的設(shè)計方法是 "硬開關(guān)"，即在高頻下以盡可能快的速度驅(qū)動功率半導(dǎo)體硬開和硬關(guān)。這可能是一種簡單的安排，具有良好的效率，但具有高邊沿率的波形自然會產(chǎn)生豐富的諧波，具有潛在的EMI問題，難以抑制和屏蔽。傳感器應(yīng)用中存在的高電壓只會使情況變得更糟，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(yīng)，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，對于高壓變壓器來說，匝數(shù)不可避免地高，導(dǎo)致繞組自電容過大，然后導(dǎo)致能量諧振，造成大電壓過沖的響動。由此產(chǎn)生的元件應(yīng)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(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大限度地降低噪音 硬開關(guān) "方法的所有問題的替代方法是使用 "諧振 "轉(zhuǎn)換器。可以使用不同的變體，但它們有一個共同的特點，即寄生元件由設(shè)計主動控制，并形成網(wǎng)絡(luò)的一部分，在開關(guān)操作的功率傳輸階段有意進(jìn)行共振。波形現(xiàn)在是正弦波，而不是方波，最大限度地減少了EMI，同時也帶來了效率方面的好處；功率半導(dǎo)體根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用 "零電壓 "或 "零電流 "軟開關(guān)操作，最大限度地減少了動態(tài)損耗。使用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)品實例可見于XP Power系列高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，此外還采用鍍鋅鋼外殼以實現(xiàn)有效屏蔽。請注意，其他常用材料在這方面的表現(xiàn)非常差。塑料和有色金屬材料，如銅、黃銅和鋁的磁導(dǎo)率接近 "自由空間"，或相對磁導(dǎo)率為1，不能提供磁屏蔽，而鋼的相對磁導(dǎo)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(dá)到接地的目的。 設(shè)計良好的高壓轉(zhuǎn)換器采用低噪聲拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和全面的內(nèi)部和外部屏蔽，可以很好地適用于敏感的成像應(yīng)用。在低功率時，像這樣的微型轉(zhuǎn)換器可以靠近成像傳感器，這樣連接就會很短，以達(dá)到最佳的調(diào)節(jié)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。靠近傳感器安裝時，轉(zhuǎn)換器的高效率也是一個好處 - 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(yīng)盡可能地減少耗電量。 商用高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊性價比高 市面上銷售的高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器還可以包括一些功能，使其易于集成到整體系統(tǒng)控制中，如遠(yuǎn)程可編程性和監(jiān)控。這些模塊化的解決方案可以在負(fù)載、線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)過安全認(rèn)證，通常采用通用的PCB安裝引腳，允許不同型號之間的互換。總的來說，由可靠供應(yīng)商提供的具有良好記錄的模塊可以節(jié)省研發(fā)時間、成本和風(fēng)險。 外部連接是實現(xiàn)最佳性能的關(guān)鍵 無噪音的電源線是敏感成像應(yīng)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(tǒng)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(yīng)與電源地線仔細(xì)隔離。高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出、任何低電壓控制和監(jiān)控以及圖像信號都會有單獨的接地返回路徑。這些都應(yīng)分開，任何公共連接都應(yīng)采用 "星形接地 "技術(shù)，以避免相互影響。圖3顯示了一個典型的模塊化轉(zhuǎn)換器如何實現(xiàn)這一點。
圖3：'星型'接地連接，以避免相互影響 模塊化高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)最佳傳感器性能 當(dāng)成像信號以個位數(shù)電子計數(shù)測量時，任何背景噪聲都是一個問題。電子器件需要電源，而為應(yīng)用產(chǎn)生高電壓所需的專用轉(zhuǎn)換器可能是EMI的來源。然而，良好的低噪聲轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù)，加上全面的篩選、濾波和外部連接的仔細(xì)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(guī)格的組件級、PC板安裝的高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，并可隨時從線上分銷處采購，以具有競爭力的成本進(jìn)行快速原型設(shè)計和后續(xù)批量生產(chǎn)。 |
