低水平成像需要低噪声、高稳定性的电子器件
发布时间：2021-1-6 12:15
发布者：eechina
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作者：Gary Bocock, XP Power技术总监 摘要 高灵敏度成像构成了从手机到天文学等许多商业和专业应用的基础。由于信号有时勉强高于背景噪声水平，为相关电子器件产生电源轨的高压DC-DC转换器必须有效地消除噪声。本文研究了这个问题，并提出了一些解决方案。 正文 我们或许都很熟悉在低光照条件下记录图像的困难，我们的手机在黑暗中会产生颗粒状的图像，因为它们的电子器件会绞尽脑汁地提高信号链的增益，以便在背景电噪声中捕捉尽可能多的光子。手机相机中的传感器通常是CMOS类型，高端成像设备中仍在使用较老的CCD技术，但使用雪崩光电二极管(APD)、微通道板(MCP)和光电倍增管(PMT)的专用探测器被用于最苛刻的专业应用。这些应用包括辐射检测、光谱学、激光测距仪、夜视仪、血液分析仪、正电子发射断层扫描、长距离光纤通信、粒子物理学和天文学。 图像传感器利用光电效应，电子从光敏表面释放出来，其数量与入射光子成正比。电子以电流的形式被收集，信号被放大，然后通过D-A转换器进行后续处理。现在传感器的量子效率已经达到了很好的概率，可以登记单个光子，产生单个电子，所以要利用这一点，电子信号链和电源轨中的任何无关噪声必须极低。传感器通常采用负电压偏压，一般在100V到6kV之间，为了达到最佳的成像性能，还必须具有高稳定性和低噪声。 传感器需要来自低EMI源的偏置电压 辐射电磁干扰(EMI)对PMT来说是一个特别的问题，它使电子路径扭曲，并导致探测器增益下降。辐射电磁干扰也会直接或间接影响其他类型的探测器，而通常使用的高压DC-DC电源转换器，其内部的高频开关波形会使问题更加严重。典型的小型高压DC-DC转换器应用如图1所示。 
图1：用于敏感成像应用的高压DC-DC转换器示例，具有低纹波、噪声和EMI的特点。屏蔽的内部变压器和电镀钢外壳还可实现低水平的电磁辐射。 转换器通常使用5、12或24VDC输入，以高频率（可能是几百kHz）切换。所产生的波形通过变压器来提高电压，然后经过乘法器级，再经过整流和滤波来产生高压直流。输入开关电路的反馈通过开关波形的脉宽和/或频率调制来设定和稳定输出电压。图2是一种常见的布置方式。 
图2：通过DC-DC转换器可以产生高电压 高压DC-DC转换器会产生明显的噪音 虽然任何DC-DC转换器的设计都可以包括输入/输出滤波和屏蔽，以减少EMI，但在敏感的成像应用中，最好是利用固有的低噪声的电路拓扑结构。开关模式DC-DC转换器是增加电压的唯一选择，传统的设计方法是 "硬开关"，即在高频下以尽可能快的速度驱动功率半导体硬开和硬关。这可能是一种简单的安排，具有良好的效率，但具有高边沿率的波形自然会产生丰富的谐波，具有潜在的EMI问题，难以抑制和屏蔽。传感器应用中存在的高电压只会使情况变得更糟，这不仅仅是因为其幅值，还因为需要大的绝缘间距，增加了寄生效应，如漏电电感。这直接产生了电压尖峰和快速变化的电流所产生的辐射EMI。另外，对于高压变压器来说，匝数不可避免地高，导致绕组自电容过大，然后导致能量谐振，造成大电压过冲的响动。由此产生的元件应力必须加以管理，而谐振频率下的输出噪声峰值尤其难以衰减。 谐振转换器拓扑结构最大限度地降低噪音 硬开关 "方法的所有问题的替代方法是使用 "谐振 "转换器。可以使用不同的变体，但它们有一个共同的特点，即寄生元件由设计主动控制，并形成网络的一部分，在开关操作的功率传输阶段有意进行共振。波形现在是正弦波，而不是方波，最大限度地减少了EMI，同时也带来了效率方面的好处；功率半导体根据拓扑结构，采用 "零电压 "或 "零电流 "软开关操作，最大限度地减少了动态损耗。使用该拓扑结构的产品实例可见于XP Power系列高压DC-DC转换器，此外还采用镀锌钢外壳以实现有效屏蔽。请注意，其他常用材料在这方面的表现非常差。塑料和有色金属材料，如铜、黄铜和铝的磁导率接近 "自由空间"，或相对磁导率为1，不能提供磁屏蔽，而钢的相对磁导率约为2000，形成有效的磁屏蔽。钢材上的镀层可防止腐蚀，并可进行焊接连接，达到接地的目的。 设计良好的高压转换器采用低噪声拓扑结构和全面的内部和外部屏蔽，可以很好地适用于敏感的成像应用。在低功率时，像这样的微型转换器可以靠近成像传感器，这样连接就会很短，以达到最佳的调节效果，并保持良好的EMI性能。出于安全考虑，高压电缆的运行也可以保持在最低限度。靠近传感器安装时，转换器的高效率也是一个好处 - 超敏感图像传感器必须冷却以获得最低的热噪声，因此任何相邻的电子元件都应尽可能地减少耗电量。 商用高压DC-DC转换器模块性价比高 市面上销售的高压DC-DC转换器还可以包括一些功能，使其易于集成到整体系统控制中，如远程可编程性和监控。这些模块化的解决方案可以在负载、线路和温度变化的情况下提供精确的输出控制，以及低电磁干扰。与分立的解决方案相比，商用模块是即用型的，经过安全认证，通常采用通用的PCB安装引脚，允许不同型号之间的互换。总的来说，由可靠供应商提供的具有良好记录的模块可以节省研发时间、成本和风险。 外部连接是实现最佳性能的关键 无噪音的电源线是敏感成像应用的先决条件，但在外部电源连接中仍有需要避免的陷阱；成像系统中的高性能信号放大器将有特殊的局部接地和屏蔽安排，以获得最佳性能，这应与电源地线仔细隔离。高压DC-DC转换器的输入、输出、任何低电压控制和监控以及图像信号都会有单独的接地返回路径。这些都应分开，任何公共连接都应采用 "星形接地 "技术，以避免相互影响。图3显示了一个典型的模块化转换器如何实现这一点。 
图3：'星型'接地连接，以避免相互影响 模块化高压DC-DC转换器可实现最佳传感器性能 当成像信号以个位数电子计数测量时，任何背景噪声都是一个问题。电子器件需要电源，而为应用产生高电压所需的专用转换器可能是EMI的来源。然而，良好的低噪声转换器设计技术，加上全面的筛选、滤波和外部连接的仔细隔离，可以产生最佳的探测器性能。制造商XP Power可提供具有正确规格的组件级、PC板安装的高压DC-DC转换器，并可随时从线上分销处采购，以具有竞争力的成本进行快速原型设计和后续批量生产。 |
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