门控电源论文：小议当前微光像与门控电源技能

作者：邓广绪 延波 智强 杨晔 李军国 王钰 杜木林 刘术林 单位：北方夜视科技集团有限公司微光器件中心 微光夜视技术重点实验室

通过光电阴极电压正负极性的控制，就能控制光电阴极到MCP输入端电子的流动，起到电子快门的作用。利用光电阴极发射的宽束电子可控这一特性，可以设计一种脉冲开关，让正负脉冲电压受控地加在光电阴极到MCP输入端之间。如果施加的光电阴极电压极性周期性变化，负电压时间宽度（脉冲宽度、脉宽）就决定了在一个周期内能够到达MCP输入端的光电子数量；再如果光电阴极负电压脉冲宽度随光电阴极光照度增加而减小，就能够做到使光电阴极发射并到达MCP输入端的光电子的时间平均值保持不变。在MCP电压不变的情况下，其入射电子数量不变，其输出到荧光屏的电子数量亦不变，因此，在荧光屏电压恒定的情况下，荧光屏的输出亮度保持不变。为了进一步详细阐述上述理论，正常工作状态和脉冲工作状态下，微光像增强器的工作原理。说明光电阴极在低照度下采用恒定的电压工作，单位时间较少的光子可连续激发较多的电子到MCP输入端；图2(b)说明光电阴极在高照度下采用占空比可控的脉冲电压工作，单位时间可间歇发射较少的电子到MCP输入端。尽管两者采用不同的阴极电压工作方式都实现了MCP的输入电子和输出电子数量不变，但后者较前者光电阴极的照度适应范围从低照度过渡到了高照度。由于系统应用和使用环境的需要，要求微光像增强器具有自动亮度控制功能，因此，光电阴极的电压脉冲宽度控制要根据荧光屏亮度随光电阴极的照度变化自动完成，实现自动门控。决定光电阴极高照度适用范围的外部因素是阴极脉宽的占空比。受到实施方案和选用器件的影响，这个占空比的极限一般在10－4左右。如果要求光电阴极的照度适应范围从10－4lx到105lx，显然只有光电阴极的脉宽控制是不够的，还必须将光电阴极电压脉冲控制技术和MCP电压模拟控制技术相结合，才能达到使荧光屏输出亮度在大动态范围内保持不变。采用微通道板电压模拟控制和阴极电压脉冲控制的混合自动亮度控制方案，实现的自动门控电源技术的一种电路框图设计（图略）。

电路分13个单元。外部供电通过电压分配器供给振荡器、各功能控制器和波形发生器工作电压及参考电压。ABC分配器将取样信号分配给模拟控制回路和脉冲控制回路。VMCP控制、VMCP调整单元构成模拟控制回路，波形发生器、脉宽控制、阴极电压脉冲开关单元构成脉冲控制回路。振荡器输出分别供给阳极倍压器、MCP倍压器、阴极正负电压倍压器。阳极倍压输出接荧光屏，VMCP调整输出接MCP输出极，阴极脉冲开关输出接光电阴极，MCP输入端接控制电路地。在本方案中，为了保证大照度范围下自动门控电源对微光管的自动亮度控制性能，保证荧光屏亮度在某个照度值后保持不变，在整个照度范围内，荧光屏电压始终保持不变，阴极电压和MCP电压与光电阴极输入照度、荧光屏输出亮度四者之间实现的关系。中(a)是阴极电压曲线，在光照度低于1lx的区间里保持在－200V，光照度大于1lx时负脉冲电压时间逐渐变窄，并随光照度继续增加一直到输出最小脉冲宽度。图4(b)是MCP电压曲线，当光照度低于10－2lx保持在初始设定值800V，当光照度大于10－2lx时其值逐步减小，直到光照度达到100lx左右，其值稳定在400V，并不随照度的继续增加而变化。图4(C)是荧光屏输出亮度曲线，在阴极照度低于10－2lx区间，其值随阴极照度增加而增大，当阴极照度高于10－2lx时，其值保持不变。阴极照度曲线，从左到右照度依次增加。上述标注数据在系统调试时会有变化。采用本方案实际研制的自动门控电源的一组实验数据。方案设计脉冲频率250Hz，MCP初始电压840V，ABC预设亮度5cd/m2，外部供电3V/16mA，阴极电压脉冲开关单元采用了不同于文件[6]的MOSFET对管。可以看出，实验数据基本与设计曲线相吻合，说明了方案的合理性。由于测试条件的限制，更高照度下的相关数据没有测试。MCP电压控制和阴极脉宽控制的工作时序：微光管在低照度条件下其电子光学有很好的性能，这些性能是基于微光管各电极施加直流工作电压，因此，低照度区微光管应工作在直流状态，以避免系统增加新的噪声或干扰。在高照度条件下再开启阴极脉宽控制，以拓展ABC控制范围，这个光照度衔接点在1～100lx之间。光电阴极脉冲频率的选择：对于人眼观察来说，荧光屏图像不能有闪烁感，即施加固定电压的荧光屏脉冲电流频率不应小于100Hz。从荧光粉的余辉特性看，一般微光管荧光屏所用的荧光粉的余辉时间为ms级，脉冲频率应该与此相当或者更高，因为，过低的重复频率当脉冲变窄时会降低荧光屏的平均亮度。

考虑微封装器件的开关速度和脉冲占空比调节范围要求，阴极脉冲频率不应小于200Hz。光电阴极的强光保护：微光管常规电源中BSP是通过限流电阻完成的。阴极电压采用脉宽控制后，电阻式限流保护会显著降低阴极脉冲电压的上升和下降速度。自动门控电源中，阴极施加正负脉冲电压并通过脉宽控制，光电阴极是间歇式发射电子的，平均电流被控制并保持不变。由于光照度越强负电压脉宽越窄正电压脉宽越宽，正脉宽期间阴极的发射电子能力得到恢复。瞬间强闪光下，光电阴极的脉宽控制电路反应速度就决定了此时对阴极的保护效果。实用性及可靠性：自动门控电源和常规电源一样，都是与微光管灌封成一体使用，同时在系统应用中要求可互换。因此，对自动门控电源的总体要求依然是小体积、微功耗、高可靠性。在设计电路结构和选择器件参数时要充分考虑这些实际要求。提供多组稳定高压的振荡电路所用高压变压器占体积较大，要充分考虑微型化设计和制作工艺的可靠性。