一种适用于SiPM的可调节高分辨率电源输出模块的制作方法

本发明涉及辐射探测器供电技术领域，具体涉及一种适用于sipm的可调节高分辨率电源输出模块。

背景技术：

传统的光电倍增管已经广泛应用于各种辐射探测器中，但是传统的光电倍增管其存在体积大、容易受到磁场干扰，同时工作电压要达到几百上千伏等缺点。目前，新型的硅基光电倍增管(sipm,siliconphotomultiplier)与传统的光电倍增管的工作原理不同，但有着类似的输出增益和探测效率，而且存在着抗磁场干扰强、工作电压低(工作在几十伏)体积小等优良性能。目前已应用在pet、快速γ成像等领域。但是sipm的温漂严重，影响后端的信号采集和处理，造成数据不可靠。

目前用于调节sipm供电模块的方法有以下两种：(1)、利用可调电阻，手动调节电阻值，改变反馈电路，进而来影响输出电压；该方法调节粗糙，费时费工；(2)、在反馈电路中，并联负热敏电阻，利用热敏电阻随着温度增高而阻值减小的特性，来改变输出电压；该方法可以实现随温度自动调节，但是负热敏电阻的选型和与实际电路的匹配，需要多次试验，并且负热敏电阻随工作时间的增加，其性能改变，影响整体电路性能。有鉴于此，对于寻找一种能够适用于不同温度下，通过精细化高分辨率调节工作电压的供电模块来稳定sipm的输出增益方法，保证数据真实性就显得尤为重要。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于sipm的可调节高分辨率电源输出模块，该电源输出模块其可以根据实际sipm的工作电压需要，精细、灵活的调节输出电压。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于sipm的可调节高分辨率电源输出模块，所述电源输出模块包括sipm，所述电源输出模块包括pwm单元、输入电压、储能电感、开关管、二极管、电阻反馈电路、低通滤波器以及软件调节单元，所述pwm单元、开关管、二极管、低通滤波器以及sipm依次串联相连，所述储能电感两端分别与所述输入电压和开关管相连，所述电阻反馈电路连接在所述二极管电压输出端与pwm单元之间，用于将输出电压反馈至所述pwm单元，所述软件调节单元与所述电阻反馈电路相连，用于调节所述电阻反馈电路的电压反馈值。

进一步，所述软件调节单元包括温敏元件、微处理器以及数模转换模块，其中所述温敏元件与所述微处理器相连，用于接收所述温敏单元产生的温度模拟信号，所述微处理器与所述数模转换模块相连，所述数模转换模块与所述电阻反馈电路相连，用于改变所述电阻反馈电路的分压值。

进一步，所述pwm单元还包括误差比较器和误差放大器，其中所述电阻反馈电路依次通过所述误差放大器和误差比较器与所述pwm单元相连。

进一步，所述低通滤波器采用clc型滤波电路。

进一步，所述电源输出模块还包括串联连接在所述二极管与低通滤波器之间的限流电阻。

进一步，所述pwm单元通过设置有的门驱动电路与所述开关管相连。

本方案具有的有益技术效果为：本方案中的上述电源输出模块通过采用pwm单元、储能电感、开关管、二极管、低通滤波器、电阻反馈电路以及软件调节单元，工作时，通过电阻反馈电路反馈回的电压值相应调节pwm脉冲的占空比，对应的调节输出电压值，实现对sipm的工作电压进行调整；同时为了可以更加方便灵活地调节输出电压，通过软件调节单元调整电阻反馈电路上的电压值，进而通过pwm单元调节sipm的工作电压，以达到分辨率更高的电压调节功能。

附图说明

图1为本发明中电源输出模块的工作原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本实施例为针对现有的sipm的供电模块调节方法存在费时费力以及调节后电路性能不稳定的问题，进而提出的一种适用于sipm的可调节高分辨率电源输出模块，该电源输出模块其可以根据实际sipm的工作电压需要，精细、灵活的调节输出电压。

参见附图1所示，本实施例中的适用于sipm的可调节高分辨率电源输出模块，其包括sipm、pwm单元(脉冲宽度调制单元)、输入电压、储能电感、n沟道mos开关管、二极管、电阻反馈电路、低通滤波器以及软件调节单元，pwm单元、开关管、二极管、低通滤波器以及sipm依次串联相连，储能电感两端分别与输入电压和开关管相连，电阻反馈电路连接在二极管电压输出端与pwm单元之间，用于将输出电压反馈至pwm单元，软件调节单元与电阻反馈电路相连，用于调节电阻反馈电路的电压反馈值。其中，输入电压(一般为3至5v)其上的电压加载到储能电感上；pwm单元产生300khz的脉冲，使得开关管连续的打开和闭合，pwm单元产生的固定频率的脉冲的占空比可调，从而调整输出电压。当脉冲处于高电位时，开关管导通，储能电感开始储能，二极管反向截止，由滤波电容对负载放电；当脉冲处于低电位时，开关截止，储能电感产生感应电动势，与原来的输入电压相加后对滤波电容充电，进而为负载提供能量，该种方式可以使得输出电压高于输入电压。滤波电容的容值需要足够的大，才能使得输出电压平缓，满足sipm的供电要求；限流电阻将输出的电阻值在一定的范围内，以免损坏sipm器件。本实施例中的电阻反馈电路其为将输出电压进行分压，并反馈至pwm单元，将分压后的电压值输到误差放大器上，与参考电压比较放大，该输出电压再输入至误差比较器，与固定频率的锯齿波进行比较输出，进而调节pwm脉冲的占空比，随之调节开关管的开关时间，使得输出电压得到改变，最终形成闭环调节输出电压。

本实施例中的软件调节单元包括温敏元件、微处理器以及数模转换模块，其中温敏元件与微处理器相连，用于接收温敏单元产生的温度模拟信号，所处理器与数模转换模块相连，数模转换模块与电阻反馈电路相连，用于改变电阻反馈电路的分压值。此外也可以通过设置的上位机软件通过串口发送预设的数值写入微处理器中，进而由数模转换模块产生相应的模拟电压值。

本实施例中的上述温敏单元用于感知sipm周围温度的变化，产生模拟电信号；微处理单元利用其自身携带的10位adc将模拟信号转换为数字信号；微处理器根据该温度信号，并结合事先做好的温度与sipm输出增益的变化关系，设置相应的数字电压值，通过spi通信由10位的dac转换为模拟电压值，加载在电阻反馈电路中，改变反馈电路中的分压值，来调节输出电压。

此外，本实施例中的上述低通滤波器优先采用clc型滤波电路，将滤波电容输出的电压纹继续降低，以满足实际使用要求。

工作时，由于sipm的工作电压一般小于70v，因此模块的电压输出范围为25-90v，满足实际的使用。该模块输出电压分辨率为毫伏级别，适用于sipm的输出增益稳定。输入电压一般为3-5v，可采用配套电路板的常规电压即可。为了获得目标电压，储能电感的数值要大，电感l的计算公式如下：

其中，vi输入电压，d为占空比，t为开关时间，η为能量转换效率，iout(max)为最大的输出电流，vout为输出电压。为了保证10％的公差，因此

只要根据需要的参数值即可得符合要求的电感值，为后续电路提供能量。

pwm单元将根据反馈回路信息，输出一定频率和占空比的锯齿脉冲波。当脉冲处于高电位时，开关管导通，储能电感开始储能，二极管反向截止，由滤波电容对后续放电。当脉冲处于低电位时，开关截止，储能电感产生感应电动势，与原来的输入电压相加后对滤波电容充电，进而为负载提供能量。在经过几个运行周期之后，输出电压将逐步升压至目标值。

滤波电容的容值要足够的大，才能将前端电路输出的脉冲电压进行平缓输出，满足sipm的供电要求。限流电阻将输出电流限值在一定的范围内，以免损坏sipm器件。由于pwm单元内的电流限值阀值电压为2v，因此限流电阻的选型为：

根据ilimit来确定限流电阻值。

电阻反馈网络主要通过电阻网络进行分压，将其中的一端分压值加载到pwm单元的反馈端。该电压值加至误差放大器的输入端，与参考电压比较放大，该误差放大器的输出电压再输入误差比较器，与固定频率的锯齿波进行阀值比较输出，进而输出为占空比一定的矩形脉冲，最终驱动开关管。

软件调节单元主要为将电阻分压网络的分压值在小尺度范围能进行微调，来实现高分辨率的电压输出调节。工作时，首先利用高精度电源加载至sipm上进行最优偏压测试。在恒温中，设置不同电压下，获取sipm的输出增益和能谱的全能峰峰位偏移关系；在恒定电压下，设置不同的温度，获取sipm的输出增益和能谱的全能峰峰位偏移关系。在两者实验的结论下，进行sipm的供电模块中的元件数值设置。

该sipm的工作电压在53.5-56v之间，因此根据电阻反馈网络将模块的大概输出范围调节至该范围。首先设置电阻分压反馈网络阻值，在基准电压为1.25v时，分压电阻的取值为：

其中voutmax为输出的最大电压，voutmin输出最小电压，r耦合为软件调节单元与电阻反馈网络之间的耦合电阻，

数模转换模块的输出电压为：

其中code为微处理器输出的数字信号值(0-1023).当输出的code＝0，时，最小的电压变化约为1mv,结合上述输出电压范围，输出电压的最小变化约在2mv,因此可以为稳定sipm增益实现高分辨率的电源输出。

温敏元件和上位机软件即可为微处理器提供相应的数值，只是应用场合不同。温敏元件主要应用在根据外部温度变化自动校正电源输出情况下，上位机控制输出电压变化应用于试验情况下；软件通过串口向微处理器发送预设code值，实时查看sipm输出增益变化情况和能谱的漂移。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。