基于TPS40210的APD偏压温补电路设计

雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，简称APD)作为微弱光信号的探测器件，具有量子效率高、响应速度快、灵敏度高、线性范围广等优点，尤其是其内部雪崩倍增效应可将信号倍增上百倍，且倍增后的噪声仅与运放本底噪声水平相当，大大提高了系统的信噪比，因而被广泛应用于激光测距、精密检测、光纤传感及光纤通信网络等领域。本文设计了基于TPS40210的高压偏置电路，同时以AD590温度传感器对该电路进行自动温度补偿。实验结果表明，在不同温度下，该电路能根据APD温度特性自动改变偏置电压的大小，从而实现APD的增益稳定。

1 偏压及温度对APD增益的影响

APD工作时需要一个较高的反向偏置电压，其内部增益大小与偏置电压正相关。AD500—8为Silicon Sensor公司一款典型的APD，其内部增益GAIN由偏置电压UR跟击穿电压UBR的比值k(k1)决定，k越大，增益越大，如图1所示。

APD的击穿电压UBR受环境温度的影响。当环境温度变化引起UBR改变时，为了保持增益稳定，需要对偏置电压UR进行调整。设温度T0时APD击穿电压为UBR，温度系数为α，当温度变化至T时，为了使增益稳定在k处，则偏置电压UR应满足：

UB=k[UBR0+α(T-T0)] (1)

2 电路设计

2.1 TPS40210简介

TPS40210是TI公司推出的一款具有4.5～52 V宽输入范围的电流型异步DC/DC升压控制器，通过外接N—MOSFET功率管可实现包括升压、反激、SEPIC拓扑及LED驱动等多种设计，最高输出电压可达260 V。

TPS40210具有可编程软启动、振荡频率可调、内部斜坡补偿、过流保护及低电流禁用等特点。同时，芯片采用3 mm×3 mm的DRC贴片封装，加上外围电路简单，利于便携式、小型化设备的应用。其原理框图如图2所示。

DIS/*EN控制芯片功能的禁止或使能;RC通过外接电阻到VDD、电容到GND(或者外部时钟)来配置GDRV的输出频率(即外接N—MOSFET的开关频率);FB为内部误差放大器反相输入端，输出电压经电阻分压反馈至此端与内部基准电压VFB(700 mV)比较，可设置输出电压;COMP为误差放大器输出端，与FB之间接补偿控制网络;SS外接一个电容到地用于调节软启动时间兼过流放电：ISNS外接电阻进行电流监测，结果反馈内部斜坡补偿电路，同时兼过流保护作用，当ISNS端电压超过限流阈值电压VISNS(OC)(150 mV)时，控制器进入限流状态，同时SS端外接电容通过内部电阻放电;BP引脚为内部LDO输出端，外接电容到GND。

2.2 高压偏置电路

基于TPS40210的高压偏置电路如图3所示，其工作原理为：R1和G1决定N—MOSFET管Q1的开关频率;L1、Q1、D1与Cp1组成反激式直流开关电源拓扑结构，输出高压HV;R7为Q1源极电流采样电阻，采样结果经R6与C6滤波后用于电流回路控制和过电流保护;C5与R8用于滤除高频毛刺;C7、C8和R9构成滤波补偿控制网络，减小纹波;L2、C9、C10构成π型滤波网络，进一步减小输出纹波;电阻R2、R3、R4构成分压反馈，用于调节输出电压大小。

TPS40210输出频率占空比最大为95%，占空比D与输出电压HV与输入电压VIN之间的关系为：

其中，VD为D1两端正向压降，IOUT为输出电流，fSW为开关频率。根据最大输出高压值HVMAX可由式(2)估计输入电压VIN的最小值，一般情况下取D92%。

TPS40210内部基准电压VFB范围为686-714mV，典型值为700mV。在电路正常工作时，输出电压HV与VFB的关系如下。

式中VFB为常重，调节R4可得一定范围变化的偏置电压。分压反馈电阻应合理选择：

1)R4为零时，HV取最大值，且最大值受式(2)约束;

2)为了保持功耗和噪声之间的平衡，三个电阻之和在50～200 kΩ为宜。

2.3 温度补偿电路

AD590是一款电流输出型集成温度传感器，具有精度高、线性度好、灵敏度高、体积小、输出阻抗高等特点，因而被广泛应用于测温控制、温度补偿等领域。其原理是输出电流随温度同时同量变化，以绝对零度(-273℃)为基准，每增加1℃，输出电流增加1μA。

自动温度补偿APD偏置电路如图4所示，原理如下：在温度T0下调节R20，使v3=0，即v1=v2，同时调节R4使HV为目标值(kUBRO)，此时v4= v5=VFB。当温度升高时，v1增大，v2增大，故v5减小，反馈电压低于VFB，此时TPS40210调节输出占空比使HV升高，使v4增大，从而v5增大，维持反馈电压与芯片内部基准电压VFB相等;同理，当温度降低时，HV降低，从而实现了偏置电压HV的自动温度补偿。

根据图4，电路稳定工作后，有如下关系：

式中，σ为AD590的灵敏度且σ=1μA/K，T为热力学温度，v2为比较电压，v2=R10σT0，T0定义见式(1)。若令(R3+R4)/(R2+R3+R4)=β，R14/R13=R12/R11=γ，R1