專利名稱：一種emccd的電子倍增驅動電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種CCD的電源技術，具體涉及一種EMCCD的高速高壓驅動信號的供 電電源。
背景技術：
對較暗目標進行成像時，如果CCD的讀出放大器噪聲比較大，常常會掩蓋有用信 號，尤其是在讀出速度較高的情況下，讀出噪聲會隨著讀出速度的提高而增大。隨著CCD制 作工藝的不斷發展，EMCCD的問世使得微小的信號也能克服讀出放大器的噪聲，而且此類 CCD在不需要任何附加結構的情況下，能夠得到與ICCD差不多的圖像質量；EMCCD的基本結 構與傳統的幀轉移CCD大致相同，但在讀出寄存器和讀出放大器之間加入了數百個增益寄 存器，它的電極結構不同于轉移寄存器，信號在這里得到了增益。在增益寄存器中，實現雪 崩倍增所需的高壓電場是在增益寄存器中由相鄰電極間大電位差形成的，通常一個電極上 約20 50V的高幅值信號而另一個電極保持低直流偏壓，通過調節高幅值脈沖的高電平來 改變兩電極之間的電位差從而調控倍增因子。EMCCD電子倍增成像要求供電電源效率高、紋 波低、輸出數字可調、上電初始狀態可控且與CCD讀出時鐘同步。
如何將模擬電子技術和計算機的數字化技術結合起來，為EMCCD的驅動供電提供 新的技術手段是本發明所要解決的技術問題。發明內容
本發明為解決現有DC-DC電源紋波大、工作時鐘不與EMCXD的讀出時鐘同步、無上 電初始狀態控制及模擬線性電源效率低問題，提供一種EMCCD的高速高壓驅動信號的供電 電源。
一種EMCCD的高速高壓驅動信號的供電電源，包括可調DC-DC電源部分、可調模擬 線性電源部分、控制器和外部輸入電源；
可調DC-DC電源部分包括第一低壓DAC電路、負向檢波電路、邏輯電路、低壓電源 電路、采樣反饋電路、DC-DC芯片及外圍電路、帶雙次級線圈的變壓器、第一整流濾波電路和 第二整流濾波電路；
可調模擬線性電源部分包括第二低壓DAC電路、第三低壓DAC電路、第一帶光耦 的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路；所述外部輸入電源向控制器、可調DC-DC 電源部分和可調模擬線性電源部分供電；所述采樣反饋電路包含光耦一、光耦二和光耦三； 所述光稱一與光稱二和光稱三相連，所述第二整流濾波電路輸出的電壓送入光稱一，然后 經光耦一輸出控制信號對DC-DC芯片及外圍電路進行控制；光耦二和光耦三中的三極管并 聯；所述低壓電源電路向采樣反饋電路中的光耦二輸出控制電壓，所述第一低壓DAC電路 與采樣反饋電路中的光耦三相連；
控制器在上電配置第一低壓DAC電路、第二低壓DAC電路和第三低壓DAC電路的 參數信息前，不輸出方波信號給負向檢波電路，同時不輸出邏輯電平信號給邏輯電路，邏輯電路使能低壓電源電路輸出控制電壓，第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓接 近DC-DC電源芯片的參考電壓；控制器配置第一低壓DAC電路、第二低壓DAC電路和第三低 壓DAC電路的參數信息后，控制器輸出方波信號給負向檢波電路和輸出邏輯電平信號給邏 輯電路，邏輯電路禁止低壓電源電路輸出控制電壓，第一整流濾波電路和第二整流濾波電 路輸出電壓受第一低壓DAC電路控制；第一低壓DAC電路控制第一整流濾波電路和第二整 流濾波電路輸出的電壓，經第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出的電壓分別傳送至 第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路，所述第二低壓DAC電路和第三 低壓DAC電路控制第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路輸出的電壓， 第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路輸出的電壓串聯后作為最終輸 出電壓。
本發明的工作原理外部輸入電源加電，控制器開始自身上電配置；在外部輸入 電源加電到控制器自身配置好輸出方波信號給負向檢波電路和邏輯電平信號給邏輯電路 前，低壓電源電路輸出使能，使帶光耦一、二和三的采樣反饋電路中的光耦二內部三極管集 電極與射級間的電壓接近0V，使兩整流濾波電路輸出接近電源芯片的參考電壓；其中光耦 一實現整流濾波后輸出電壓向變壓器初級的電源芯片反饋，光耦三實現輸出電壓的調整； 當控制器自身配置好按默認參數配置好三個低壓DAC電路后，輸出方波信號給負向檢波電 路和邏輯電平信號給邏輯電路，禁止低壓電源電路輸出，光耦二的集電極和發射極高阻，兩 整流濾波電路輸出受低壓DAC電路一控制；最終的輸出電壓由可調模擬線性電源部分中的 低壓DAC電路二和三決定；在接收到外部的倍增參數值后，開始重新配置三個DAC電路，最 后把第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路輸出的電壓串聯得到最終 的輸出電壓。控制器輸出的信號經小變壓器及相關電路后，輸入到DC-DC芯片，保證EMCXD 電子倍增驅動電源與成像電路同步工作，減小干擾；僅在EMCCD信號讀出階段輸出當前倍 增增益所需的高壓，在非讀出階段輸出僅滿足信號轉移要求的接近20V的低壓，可進一步 降低電源功耗。
本發明的有益效果
一、通過控制器輸出的數字信號和模擬檢波電路共同控制輸出電壓，保證上電初 始的狀態，避免倍增增益過大特別是輸入光太強時對EMCCD性能造成影響；
二、采用DC-DC和模擬兩級調壓，通過使DC-DC輸出與模擬輸出保持恒定低壓差來 實現高效率；利用低壓差電源芯片內部的紋波抑止功能實現輸出的低紋波；保證高效率的 同時輸出紋波低。
三、對輸出電壓的調整和DC-DC部分上電狀態的控制，均采用光耦與輸出電壓控 制電阻并聯方式；DAC和線性光耦結合來實現輸出數字調壓，且能實現控制與供電部分的 隔離；
四、采用小變壓器實現與讀出時鐘頻率同步，開關電源對輸出圖像的干擾相對固 定，可通過圖像處理的方法消除或者減少；電源在像素讀出階段輸出倍增所需的高壓，在非 讀出階段輸出僅滿足電荷轉移的低壓，進一步降低功耗。
圖1為本發明所述的一種EMCXD的電子倍增驅動電源原理圖2為本發明所述的一種EMCCD的電子倍增驅動電源的結構圖3為現有模擬電源調壓示意圖4為本發明所述的一種EMCCD的電子倍增驅動電源中模擬電源調壓示意圖5為本發明所述的一種EMCCD的電子倍增驅動電源中的DC-DC電源調壓與上電 控制示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一、結合圖1和圖2說明本實施方式，一種EMCCD的電子倍增驅動電 源，包括可調DC-DC電源部分、可調模擬線性電源部分、控制器和外部輸入電源；
可調DC-DC電源部分包括第一低壓DAC電路、負向檢波電路、邏輯電路、低壓電源 電路、小變壓器及相關電路、采樣反饋電路、DC-DC芯片及外圍電路、帶雙次級線圈的變壓 器、第一整流濾波電路和第二整流濾波電路；
可調模擬線性電源部分包括第二低壓DAC電路、第三低壓DAC電路、第一帶光耦的 模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路；
所述外部輸入電源向控制器、可調DC-DC電源部分和可調模擬線性電源部分供 電；所述米樣反饋電路包含光稱一、光稱二和光稱三；光稱一與光稱二和光稱三相連，所述 第二整流濾波電路輸出的電壓送入光I禹一，然后經光I禹一輸出控制信號來對DC-DC芯片及 外圍電路進行控制；光耦二和光耦三內部的三極管為并聯關系；所述低壓電源電路向采樣 反饋電路中的光耦二輸出控制電壓，當低壓電源電路輸出電壓時，光耦二的三極管中集電 極與發射極間的電壓接近0V，第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓接近DC-DC 電源芯片的參考電壓，當低壓電源電路輸出為高阻狀態無電壓輸出時，光耦二的三極管中 集電極與發射極間為高阻狀態，對電路無控制作用；所述的第一低壓DAC電路與采樣反饋 電路中的光耦二相連，對光耦3進行控制；當低壓電源電路輸出為高阻狀態無電壓輸出，光 耦二的三極管中集電極與發射極間為高阻狀態時，第一整流濾波電路和第二整流濾波電路 輸出電壓受第一低壓DAC電路控制；
控制器在上電配置第一低壓DAC電路、第二低壓DAC電路和第三低壓DAC電路的 參數信息前，不輸出方波信號給負向檢波電路，同時不輸出邏輯電平信號給邏輯電路，邏輯 電路使能低壓電源電路輸出控制電壓，第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓接 近DC-DC電源芯片的參考電壓；控制器配置第一低壓DAC電路、第二低壓DAC電路和第三低 壓DAC電路的參數信息后，控制器輸出方波信號給負向檢波電路和輸出邏輯電平信號給邏 輯電路，邏輯電路禁止低壓電源電路輸出控制電壓，第一整流濾波電路和第二整流濾波電 路輸出電壓受第一低壓DAC電路控制；第一低壓DAC電路控制第一整流濾波電路和第二整 流濾波電路輸出的電壓，經第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出的電壓分別傳送至 第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路，所述第二低壓DAC電路和第三 低壓DAC電路控制第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路輸出的電壓， 第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路輸出的電壓串聯后作為最終輸 出電壓。
本實施方式所述的控制器輸出的信號經小變壓器及相關電路進行電平轉換后，作 為同步時鐘輸入到DC-DC芯片及外圍電路，使DC-DC電源部分的開關狀態和EMCCD的電荷轉移同步；DC_DC電源部分通過開關狀態把外部輸入電源的直流能量經過帶雙次級線圈的變壓器耦合到第一整流濾波電路和第二整流濾波電路，經整流濾波后變為直流電壓送入第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路進行輸出電壓調整和紋波抑止，最后把第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路輸出的電壓串聯后作為最終輸出電壓。
本實施方式中光耦二實現控制器在上電初始化階段DC-DC電源部分輸出電壓(第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓)的控制；光耦三實現控制器在上電初始化后DC-DC電源部分輸出電壓(第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓)的控制；光耦一實現DC-DC電源部分輸出電壓(第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓)的反饋，同時實現帶雙次級線圈的變壓器的初級線圈和次級線圈相關電路的隔離。
具體實施方式
二、結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式為具體實施方式
一所述的一種EMCCD的電子倍增驅動電源的實施例
對于傳統的DC-DC電源,效率高,但輸出紋波大,且輸出電壓固定；對于傳統的模擬可調電源，由于輸入端的電壓固定而輸出電壓變化，當輸出電壓低時電源效率低；結合圖1，本發明采用把可調的DC-DC電源與可調模擬線性電源結合，通過兩級紋波抑止，能大大降低輸出紋波；通過兩級電壓調整，能保證可調模擬線性電源的輸入和輸出壓差保持在一個較低的恒定壓差，實現高電源效率；圖中Vin為可調的DC-DC電源部分的輸入電壓，Vmid為可調的DC-DC電源部分的輸出電壓，同時也是可調模擬線性電源部分的輸入電壓;V0Ut為可調模擬線性電源部分的輸出電壓；nDC-DC為可調的DC-DC電源效率。V
總的電源效率η= Hdc-DC χ 7Γ^mid
總的電源效率為可調DC-DC電源部分和可調模擬線性電源部分效率的乘積，通過保持Vrat與Vmid之間一個較低的恒定壓差，則可以在整個調壓過程中保證較高的電源效率；
結合圖2，EMCXD電子倍增驅動電源主要由可調DC-DC電源部分、可調模擬線性電源部分和控制器及外部輸入電源構成。可調DC-DC電源部分包括第一低壓DAC電路、負向檢波電路、邏輯電路、低壓電源電路、小變壓器及相關電路、帶光耦一、二和三的采樣反饋電路、DC-DC芯片及外圍電路、帶雙次級線圈的變壓器、第一整流濾波電路和第二整流濾波電路組成；可調模擬線性電源部分由第二低壓DAC電路、第三低壓DAC電路、第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路組成；控制器完成電源電路各部分的協調控制； 外部輸入電源主要為控制器、可調DC-DC電源部分及其余電路供電。
一、上電電壓控制，主要是控制低壓電源電路的輸出使能端；使該控制信號無效的條件是負向檢波電路實時檢測到方波信號且邏輯電路接收到控制器輸入的高電平；即只要負向檢波電路檢測不到方波信號或邏輯電路接收到控制器輸入的低電平，則低壓電源電路的輸出端使能，使DC-DC部分輸出低壓；
二、模擬部分輸出調壓，結合圖3，模擬部分輸出電壓Vwt與模擬參考電壓VMfl及電阻Rl和R2的關系如下R2
Voul =Vrefl χ (I+·—)
通過改變電阻Rl和R2的阻值比例關系即可改變輸出的電壓；
結合圖4，設光耦Ul中的發光二極管正向電流為If，正向導通電壓為Vt，感光三極管集電極為電流Ip電流傳輸比為β ;則輸出電壓Vrat與模擬參考電壓Vrefl、輸入控制電壓 Vinl及電阻Rl、R2和R3的關系如下
權利要求
1.一種EMCXD的電子倍增驅動電源，包括可調DC-DC電源部分、可調模擬線性電源部分、控制器和外部輸入電源； 可調DC-DC電源部分包括第一低壓DAC電路、負向檢波電路、邏輯電路、低壓電源電路、采樣反饋電路、DC-DC芯片及外圍電路、帶雙次級線圈的變壓器、第一整流濾波電路和第二整流濾波電路； 可調模擬線性電源部分包括第二低壓DAC電路、第三低壓DAC電路、第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路；所述外部輸入電源向控制器、可調DC-DC電源部分和可調模擬線性電源部分供電；所述采樣反饋電路包含光耦一、光耦二和光耦三；所述光率禹一與光稱二和光稱三相連，所述第二整流濾波電路輸出的電壓送入光稱一，然后經光耦一輸出控制信號對DC-DC芯片及外圍電路進行控制；光耦二和光耦三中的三極管并聯；所述低壓電源電路向采樣反饋電路中的光耦二輸出控制電壓，所述第一低壓DAC電路與采樣反饋電路中的光耦三相連；其特征是， 控制器在上電配置第一低壓DAC電路、第二低壓DAC電路和第三低壓DAC電路的參數信息前，不輸出方波信號給負向檢波電路，同時不輸出邏輯電平信號給邏輯電路，邏輯電路使能低壓電源電路輸出控制電壓，第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓接近DC-DC電源芯片的參考電壓；控制器配置第一低壓DAC電路、第二低壓DAC電路和第三低壓DAC電路的參數信息后，控制器輸出方波信號給負向檢波電路和輸出邏輯電平信號給邏輯電路，邏輯電路禁止低壓電源電路輸出控制電壓，第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓受第一低壓DAC電路控制；第一低壓DAC電路控制第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出的電壓，經第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出的電壓分別傳送至第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路，所述第二低壓DAC電路和第三低壓DAC電路控制第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路輸出的電壓，第一帶光耦的模擬調壓電路和第二帶光耦的模擬調壓電路輸出的電壓串聯后作為最終輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的一種EMCCD的電子倍增驅動電源，其特征在于，光耦二實現控制器在上電初始化階段DC-DC電源部分輸出電壓的控制；光耦三實現控制器在上電初始化后DC-DC電源部分輸出電壓的控制；光耦一實現DC-DC電源部分輸出電壓的反饋，同時實現帶雙次級線圈的變壓器的初級線圈和次級線圈相關電路的隔離。
3.根據權利要求1所述的一種EMCCD的電子倍增驅動電源，其特征在于，所述低壓電源電路向采樣反饋電路中的光耦二輸出控制電壓時，光耦二的三極管中集電極與發射極間的電壓接近0V，第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓接近DC-DC電源芯片的參考電壓，當低壓電源電路輸出為高阻狀態無電壓輸出時，光耦二的三極管中集電極與發射極間為高阻狀態，第一整流濾波電路和第二整流濾波電路輸出電壓受第一低壓DAC電路控制。
4.根據權利要求1所述的一種EMCCD的電子倍增驅動電源，其特征在于，還包括小變壓器及相關電路，控制器輸出的信號經小變壓器及相關電路進行電平轉換后，作為同步時鐘輸入到DC-DC芯片及外圍電路，使DC-DC電源部分的開關狀態和EMCCD的電荷轉移同步。
全文摘要
一種EMCCD的電子倍增驅動電源，涉及一種CCD的電源技術，解決現有DC-DC電源紋波大、工作時鐘不與EMCCD的讀出時鐘同步、無上電初始狀態控制及模擬線性電源效率低問題，采用DC-DC變換和模擬轉換兩級調壓，通過使DC-DC輸出與模擬輸出保持恒定低壓差來實現高效率；利用低壓差電源芯片內部的紋波抑止功能實現輸出的低紋波；采用DAC和線性光耦結合來實現輸出數字調壓，且能實現控制與供電部分的隔離；采用小變壓器實現DC-DC電源工作頻率與讀出時鐘頻率同步，減小開關電源對輸出圖像的干擾；在像素讀出階段輸出倍增所需的高壓，在非讀出階段輸出僅滿足電荷轉移的低壓，進一步降低功耗。
文檔編號H02M1/36GK103001485SQ20121053640
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月12日 優先權日2012年12月12日
發明者余達, 劉金國, 郭永飛, 周懷得, 李廣澤, 翟巖, 梅貴 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所