一种高精度电源驱动模块
阅读说明：本技术 一种高精度电源驱动模块 (High-precision power supply driving module ) 是由 王志刚 钱森 陈育新 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高精度电源驱动模块。该电源驱动模块包含用于SiPM工作的高精度电源、温度补偿电路、信号输出电路。高精度电源的作用是将外接电源的+5V电压提高到硅光电倍增管需要的工作电压。考虑到为了适应不同的厂家的光电倍增管工作电压,电压输出范围在20-90V之间。温度补偿电路的作用是修正由于温度变化导致的增益不稳定性。SiPM的增益随着温度的升高而减低会导致测量误差增大。而SiPM的增益会随着工作电压的提高而增大,温度补偿电路的原理是在探测到SiPM温度变化时,按照预知的温度-电压修正参数及时调整SiPM的工作电压来抵消由温度变化引起的增益变化。通过这个电路的调节功能,大大减小了硅光电倍增管在数据测量中的电荷误差。信号输出电路的作用是将硅光电倍增管信号经过一定程度放大后,以特定的接口和阻抗输出。(The invention provides a high-precision power supply driving module. The power driving module comprises a high-precision power supply for SiPM work, a temperature compensation circuit and a signal output circuit. The high-precision power supply has the function of improving the +5V voltage of an external power supply to the working voltage required by the silicon photomultiplier. The voltage output range is 20-90V considering the photomultiplier working voltage for adapting to different manufacturers. The effect of the temperature compensation circuit is to correct for gain instability due to temperature variations. Decreasing the gain of the SiPM with increasing temperature leads to increased measurement errors. The principle of the temperature compensation circuit is that when the temperature change of the SiPM is detected, the working voltage of the SiPM is timely adjusted according to a predicted temperature-voltage correction parameter to counteract the gain change caused by the temperature change. The charge error of the silicon photomultiplier in data measurement is greatly reduced through the adjusting function of the circuit. The signal output circuit is used for amplifying the silicon photomultiplier signal to a certain degree and outputting the amplified signal through a specific interface and impedance.)
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种电源驱动模块。
背景技术
硅光电倍增管(SiliconPhotoMultiplier,SiPM)是由多个在盖革模式下工作的雪崩二极管组成。虽然硅光电倍增管本质上是一个光半导体器件，但是它具有优良的光子计数能力，可用于极弱光检测的场合。其可在低电压下工作，并具有高增益、高光子探测效率、快速响应以及优良的时间分辨率和宽光谱响应范围等特点。它在光子计数水平的测量中有很好的表现，并且有较强的抗磁场干扰和耐机械冲击特性。另外硅光电倍增管的放射性本底低，在中微子以及暗物质探测等低本底实验中受到了越来越多的重视。目前，国际上正在开展硅光电倍增管在高能粒子探测器中的应用研究，已被列入BELLE(RICH)、T2K(ND280)、KLOE(QCAL)、ILC(HCAL)、CEPC(ECAL、HCAL)等粒子物理实验及MAGIC、EUSO、HERD等粒子天体物理实验的探测器升级、预研计划。由于制造工艺的限制，硅光电倍增管具有个体性差异。因此在大规模应用硅光电倍增管时，通常要求对每个硅光电倍增管进行详细的测试，以得到它们各自的性能参数信息，筛选出性能参数不达标的元件，从而利用性能合格的硅光电倍增管构造大面积的探测器阵列。因此面临着大批量筛选硅光电倍增管的困难。例如根据正在处于预研阶段的环形正负电子对撞机(CircularElectronPositronCollider,CEPC)的概念设计报告，其使用的电磁量能器，端盖和桶部的读出面积约为2430平方米，对应约需要使用1100万个通道硅光电倍增管；强子量能器，端盖和桶部的读出面积约为6000平方米，粗略估计需要使用6000万个通道硅光电倍增管。国外目前正在处于预研阶段的无中微子双贝塔衰变实验nEXO实验，正打算采用面积多达4-5m2的硅光电倍增管阵列构造液氙探测器，读出通道数目高达4万多路。以上这些基于硅光电倍增管的应用表明了使用硅光电倍增管构建大面积探测器是未来发展的一个趋势。但是当前国内用于测试硅光电倍增管设备主要面向单芯片测试，其系统结构复杂，测试效率低，人工参与的程度高，无法实现快速有效的自动化测试，导致测试单芯片花费时间较长，也难以有效的扩展成多通道测试装置，因此难以克服批量测试硅光电倍增管遇到的困难，从而制约了硅光电倍增管的大规模应用。
硅光电倍增管作为新近发展起来的光电探测器件，它的缺点也是非常明显的，比如暗噪声计数率高、串扰系数大、后脉冲率大等。这些参数不仅是硅光电倍增管性能测试中需要重点研究的对象，也是批量测试时筛选硅光电倍增管的依据。同时硅光电倍增管的性能受环境影响较大，为了保证硅光电倍增管增益稳定性，需要对硅光电倍增管进行电压-温度修正。
发明内容
本发明提供一种电源驱动模块。该电源驱动模块包含用于SiPM工作的高精度电源、温度补偿电路、信号输出电路。高精度电源的作用是将外接电源的+5V电压提高到硅光电倍增管需要的工作电压。考虑到为了适应不同的厂家的光电倍增管工作电压，电压输出范围在20-90V之间。温度补偿电路的作用是修正由于温度变化导致的增益不稳定性。SiPM的增益随着温度的升高而减低会导致测量误差增大。而SiPM的增益会随着工作电压的提高而增大，温度补偿电路的原理是在探测到SiPM温度变化时，按照预知的温度-电压修正参数及时调整SiPM的工作电压来抵消由温度变化引起的增益变化。通过这个电路的调节功能，大大减小了硅光电倍增管在数据测量中的电荷误差。信号输出电路的作用是将硅光电倍增管信号经过一定程度放大后，以特定的接口和阻抗输出。
本发明的技术方案为：
一种电源驱动模块，其特征在于，包括一微控制器、电源模块、D/A转换器、DC/DC控制器、倍压整流滤波电路、电流检测模块、电压检测模块、温度检测模块和E2PROM参数存储模块，其中
该微控制器，用于根据环境温度修正电源模块的输出电压VOUT，然后根据电压VOUT与设定值的偏差产生一数字控制量并将其发送给D/A转换器；
D/A转换器，用于将收到的数字控制量转换成模拟量作用到DC/DC控制器的反馈电压输入端；
DC/DC控制器，用于根据收到的模拟量信号改变PWM的占空比使输出电压稳定到设定数值后发送给倍压整流滤波电路；
倍压整流滤波电路的输出端经电流检测模块与SiPM连接；
电流检测模块，用于将检测到的电流信息发送给该微控制器；
电压检测模块，用于监控SiPM的电压，并将电压信号发送给该微控制器；
温度检测模块，用于检测SiPM所处环境的温度并将其发送给该微控制器；
E2PROM参数存储模块，与该微控制器连接，用于存储SiPM的设定工作电压、参考温度、温度-电压修正系数。
进一步的，输出电压VOUT＝VSET+ΔT×TC；其中，VSET是SiPM的设定工作电压，ΔT是参考温度与实测环境温度的偏差，TC是SiPM的温度-电压修正系数。
进一步的，釆用单电源低电压作为该微控制器的工作电压。
进一步的，该微控制器内设置若干CPU定时器，其中一CPU定时器用于为数据采集、控制周期定时。
进一步的，该微控制器内设置一SCI模块，用于将微控制器数据传送给上位PC机。
进一步的，该SCI模块通过RS-422串行通信总线将微控制器的数据传送给上位PC机。
进一步的，所述D/A转换器为多输入通道的模数转换器，其中采用一输入通道用于接收该微控制器是测量温度，采用一输入通道用于接收该微控制器的负载电流。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明驱动模块可以修正由于温度变化导致的增益不稳定性；本发明通过脉冲宽度调制(PWM，PulseWidthModulation)方式，调整占空比使电源输出工作范围更宽：20–90V(滨松50–90V)，因此电源模块可适用于更多厂家的硅光电倍增管。
目前的评估板只适用于单路测试，本项目研制多路集成测试系统，多路可调，配合上位机实现自动控制完成电压扫描。
本发明软件与硬件的所有连接均通过网络实现，避免驱动不兼容的问题；基于LabVIEW完成所有的程序开发，其中基于Python数据分析嵌入到LabVIEW执行；程序将分析结果写入质量控制数据库后，自动完成相关测量结果的统计分析，实现质量跟踪和后期检索。
附图说明
图1为硅光电倍增管驱动模块单元结构框图；
图2为多路控制软件数据流程图；
图3为SIPM多光子谱；
图4为驱动模块输出电压稳定性测试；
图5为驱动模块电压-温度修正测试图；
图6为计算机与多个SiPM电源连接图(RS-422)；其中，A、B是接收端，Z、Y是发送端；
图7为单路与多路模块多光子谱测试结果图；
(a)单路驱动模块多光子谱，(b)多路驱动模块多光子谱；
图8为多路模块能量分辨率稳定性测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。
硅光电倍增管驱动模块设计原理整体结构框图如图1所示。采用高精度高稳定性DC/DC转换芯片(升压型DC/DC控制器)，跟踪输出电压变化，采用闭环控制，达到设计指标。采用先进的微控制器作为中央处理器，它可工作在频率较宽范围内从40兆赫兹到60兆赫兹；釆用单电源低电压为其工作电压，实现低功耗；三个32位CPU定时器和16个输入通道、12位D/A转换器使该微处理器可以实现多通道快速信号采集的能力；通信采用隔离的串口通信芯片，还有一个SCI(uart)模块将微控制器数据方便可靠的传送给上位PC机，SCI(UART)模块位于微控制器内，有4级FIFO；SiPM电源是程控的，上位PC机与SiPM电源之间使用RS-422串行通信总线连接，实现一主多从式的通信，为了降低计算机及通信线路带来的外部干扰，故将SiPM电源与计算机进行电气隔离。通常情况下，硅光电倍增管所使用的偏置电源的电压范围为20V～90V直流；由于硅光电倍增管输出信号的幅值对所提供的偏置电压非常敏感，故要求电源的稳定性要好，同时电源电压的纹波要低的峰峰值，常规的线性稳压方法无法满足如此低的纹波要求，所以本发明采用业界最高功率的DC/DC升压电路，实现了5V到12V升压变换器，由于DC/DC电源固有的特性就是纹波大，因此本发明采用的是一款超低噪声DC/DC控制器，该控制器使用SilentSwitcher技术，具有高效率、高开关频率和低EMI性能，大大地降低了DC/DC转换环节的纹波和后续滤波环节元器件的尺寸，使得在不增加系统成本和体积的情况下满足电源输出纹波小于1mV的要求，因此此电路提供较高的输出电流，效率可达87％以上，同时此电路输出纹波相对较小。由于采用了体积小的倍压整流滤波电路使该电路面积较小，为实现多路控制提供了保证。如果该电路工作在更高频率下，可进一步减小电感器体积，使整体电路体积更小。
电源驱动模块，包括一微控制器，微控制器(MCU)根据环境温度修正电源模块的输出电压VOUT，根据电压VOUT与设定值的偏差通过控制算法产生一输出控制量，再将此数字控制量通过D/A转换器转换成模拟量(0～5V电压)作用到DC/DC控制器的反馈电压输入端，通过改变PWM的占空比使输出电压稳定到所需要的数值然后将其发送给倍压整流滤波电路。
其中，SiPM电压-温度补偿计算公式为：VOUT＝VSET+ΔT×TC；VOUT为电源模块修正后的输出电压，VSET是输出电压的设定值，ΔT是参考点温度与实测环境温度的偏差，TC是SiPM工作电压的温度修正系数。
倍压整流滤波电路输出端经电流检测模块与SiPM连接；
电流检测模块将检测到的电流信息发送给该微控制器；
电压检测模块监控SiPM的电压，并将电压信号发送给该微控制器；
温度检测模块用于检测SiPM所处环境的温度并将其发送给该微控制器；
该微控制器与一E2PROM参数存储模块连接，E2PROM参数存储模块用于存储SiPM的设定工作电压、参考温度、温度-电压修正系数等；其中设定工作电压为SiPM在参考温度下的基准工作电压，温度-电压修正系数为厂家给出的修正值。当温度检测模块检测到SiPM的环境温度相比于参考温度发生了变化时，及时根据上面给出的电压修正公式进行工作电压修正，以保证SiPM的增益恒定。
SiPM与一前置放大器连接，该前置放大器用于对SiPM的输出信号进行进一步信号放大，默认放大倍数20倍。经过放大后的信号输出到SMB信号输出接口。
硅光电倍增管驱动模块包括一个SMB信号输出接口,一个±5V包括地线的接线端子，和一个RS-422通讯端子，每块电源驱动模块都可以通过拨码开关进行地址设置。在上位PC机中可以使用应用程序通过RS422协议通讯，通过地址区分不同被连接的电源驱动模块，并输入预知的温度-电压修正参数及推荐工作电压，使得被测SiPM均工作于最大增益下，准确反映被测元器件的真实性能。同时，在进行测试的过程中，应用程序将实时反馈当前输出电压、输出电流和环境温度，以便用户进行实时的监测并及时做出调整。
本发明还提供了一种硅光电倍增管批量测试装置，多路硅光电倍增管驱动模块之间通过RS-422协议进行并联，使用Labview平台开发多路控制软件，实现对上百路驱动模块进行SiPM电压、温度补偿的设置以及实时的电压与环境温度的监控，从而实现多路控制。软件的数据流程图如图2所示。本项目将使用LabVIEW开发整个软件系统，整个测试过程是以电压扫描方式，自动完成的。批量测试系统启动时，首先进行测试系统的初始化，包括对慢控制程序初始化及各硬件工作状态的检查。慢控制程序的主要功能是远程调整电源输出电压和二极管光强。光源部分通过以太网连接及控制，通过慢控制程序中的光源部分对相应通道的驱动脉冲宽度和幅度值进行参数设置，或直接加载预先编辑好的包含多路参数的光源配置文件进行批量设置。电源部分由多个电源驱动模块组成，通过RS-422协议级联控制。每个驱动模块会在开始工作时加载保存有默认的驱动板电压和温度值配置文件，在该配置文件中根据实际情况可分配一个或多个RS-422串口，每个电源驱动模块将被分配于这些RS-422串口下。配置文件中还包含每个电源驱动模块的参数信息，包括使能状态、输出电压值、补偿温度值、是否使能闭环控制，及每个值的容差范围，这些数据将一次性设置到低压电源模块中，并通过程序一键控制。当电源部分及光源部分全部配置完毕后，待测SiPM开始工作，并产生信号传输至电源驱动模块上的读出电子学。数据获取程序的功能是获取读出电子学发送过来的数据，通过应用程序的波形实时显示界面确认待测SiPM、光源及电源均工作正常，测试系统初始化完成。主要测试阶段分为两个阶段，第一阶段中电源驱动软件根据要扫描的电压范围以预设的步长步进生成扫描表，每到一个电压扫描点，停留一定时间用于数据获取软件的波形取数，并传输至数据处理程序，并生成相应的直方图。数据处理程序主要是基于ROOT分析框架开发，实现构造直方图和拟合数据等功能。为了方便使用，需要将ROOT的Python代码嵌入到LabVIEW，从而快速得到分析结果。电压扫描阶段结束后，数据处理程序将输出电压和直方图一一对应地进行保存，并存入数据库中。数据库主要是基于LabVIEW开发，可以实现大规模的硅光电倍增管测试数据的管理、显示和分析，通过数据库筛选出每个被测元器件获得最佳分辨率的工作电压值，并自动保存为配置文件导出。第二阶段中，应用程序将第一阶段生成的配置文件按地址将最佳电压写入各个对应电源驱动模块中，数据获取程序通过波形取数获取原始波形保存并由数据处理程序进行进一步的计算。最后，将各个待测SiPM的最佳工作电压、计算结果及相应的图表存储至数据库中。此部分的代码开发和调试的工作量较大，特别是数据获取程序，在高计数率场合如何尽可能少丢失数据将是一个难点。传统的数据获取程序是单线程程序，运行在CPU一个核上，因此无法充分发挥多核CPU的性能，在高计数率场合有可能会出现数据丢失的现象。通过采用Labview的多线程技术，将读取数据这个步骤分配到多个核上并行完成，从而实现并行读取数据，极大提高系统数据吞吐量，减少数据丢失。
使用研制的硅光电倍增管驱动模块进行了SIPM多光子谱测试，测试结果如图3所示。测试结果表明该驱动模块可以实现SIPM多光子谱的清晰测试，分辨率达到了滨松商用产品水平，满足使用要求。
使用恒温箱对驱动模块输出电压的稳定性进行了测试，驱动模块工作在-50C-400C的环境中，关闭电压-稳定修正功能，其实际输出电压与设定电压结果如图4所示。测试结果表面该驱动模块输出电压具有非常好的温度稳定性，在不进行电压-温度修正的情况下，其输出不受环境温度的影响，始终保持固定值输出。
SIPM的输出信号幅度受温度影响较大，为了使SIPM性能温度，驱动模块进行了电压-温度修正。为了验证驱动模块的电压-稳定修正效果，打开电压-稳定修正功能，在不同温度下测试了驱动模块输出电压并与理论值进行了对比，测试结果如图5所示。驱动模块修正后的输出电压与理论输出电压一致，误差精度小于10mV。
在单板测试的基础上，同时级联八块驱动模块进行了性能测试，每块驱动模块用星形连接的方式独立供电，驱动模块间使用一个RS-422-USB串口并联接入PC进行级联控制，以达到批量测试的目的。
计算机与SiPM电源采用一主多从的总线连接方式组成通信网络，如图6所示，网络中的每一个SiPM电源都被分配一个唯一的地址(有点类似计算机网络的IP地址)。计算机是主机，负责管理网络的通信，各个SiPM电源是从机，负责响应主机的命令；由于RS-422是一种总线式结构，任何一个线路上在某一时刻只能有一个设备(主机或从机)处于发送状态，每次通信过程均由主机发起，只能有一个被主机指定的从机才能响应主机命令。首先，主机根据通信协议发送一帧数据，该数据帧中包含有从机的地址信息，总线上处于活动状态的从机都会接收到主机发送来的这一帧数据；接下来各个从机对数据包进行解析，获取地址信息并判断是否被寻址，如果是则根据命令完成相应功能并发送一帧数据(应答包)通知主机，否则丢弃。
多路模块并联之后进行了SIPM多光子谱测试，结果如图7所示，多路模块并联之后可以测到清晰的SIPM多光子谱。
多路模块并联之后，保持整套系统稳定不变，连续5天测试，得到能量分辨率稳定性数据，如图8所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施方法，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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