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用于大规模淬火的低复杂度电压电流源高温超导电缆的检测

1. Arpaia ,C. Baccigalupi ,A. Esposito

IMPALab, Instrumentation and Measurement for Particle Accelerator Laboratory, via Claudio 21, Naples, Italy

Department of Electrical Engineering and Information Technology, University of Naples Federico II, via Claudio 21, Naples, Italy

CERN, Technology Department, CH 1211, Geneva, Switzerland

Department of Electronics and Telecommunications (DET), Politecnico di Torino, Corso Duca degli Abruzzi 24, Turin, Italy

本文提出了一种用于超导电力电缆保护的新型失超检测系统的精密电压和电流源的设计。设计的关键优势在于它的低复杂度，这使得新探测器能够获得低成本和可靠的硬件实现。电压源输出从200 mV到800 mV，而电流源输出可在50 mA到1 A之间调节。源表征活动的实验结果验证了设计：电压源的24小时稳定度约为20 ppm，而电流源的最小电流为50 mA时，24小时稳定度低于1000 ppm电流源。此外，测量的叠加噪声小于minus;80 dBV，两个源的平均无故障时间（MTBF）估计约为2000万小时。通过进一步的实验验证了失超探测器特性的改善。所得结果验证了所提出的探测机制的有效性，为进一步研究高温超导电缆的大规模应用奠定了基础。

关键词：高温超导淬火检测、低成本、低复杂性、高可靠性、电子设计。

1、介绍

近十年来，人们对用超导材料建造输电线路的兴趣有了很大的提高。这项技术的目的是取代现有的电网，因为它显示出的优势，特别是减少电力损失[1,2]。俄罗斯政府支持的研发项目提供了一个有趣的例子，特别是在莫斯科启动的研发项目旨在利用高温超导体（HTS）建立交流和直流电缆线路[3,4]。另一个例子是欧洲核子研究中心（CERN）正在建设的高亮度大型强子对撞机升级项目中的超导链路，该项目将在未来几年内完成[5]。这条连接依靠几十根额定直流电流不同的MgB2超导电缆，以最小的功率损耗向加速器磁铁输送功率。

因此，相对于传统的低温超导体（lts），高温超导具有更高的工作温度和更高的电流密度，被广泛应用于电力线的建设中。随着超导体应用的发展，必须相应地制定预防故障所需的保护方案。在超导输电线的框架下，一个新的系统被构想用于检测失超，即材料从超导状态（理想情况下为零电阻）到正常导电状态的突然转变。

为了检测高温超导电缆中的淬火，淬火传播已被证明是至关重要的[6]。对于这类超导体，“法向区传播速度”（NZPV）被证明比LTS低[7]。因此，需要检测较小的电压累积，以防止破坏性热点。这意味着需要创新的探测器来测量小的可变电压[8]。欧洲核子研究中心（CERN）正在开发的一种新型失超探测器旨在通过测量与电压累积成比例的电流来解决这个问题。已经证明，导线引入的不确定度可以被限制，并且可以检测到较小的电压累积。通过与经典电压抽头检测方案的比较，证明了该系统的基本概念[9]。因此，有希望的结果导致了进一步的发展和研究[10]。通过适当的设计选择，可以检测到电压升高到几毫伏，相对不确定度低于10%。这将与检测几十毫伏量级电压的经典方案进行比较。

新型失超探测器的结构包括电压源和电流源。这些对探测器的性能至关重要。高温超导失超检测源的要求介于电源（通常精度和噪声性能较差）和基准（具有良好计量性能的低功率电路）之间[11]。

第3节详细介绍了现有电源的使用情况。尽管这里针对特定应用讨论了这些源，但它们的应用并不限于淬火检测。在一些应用中，如粒子探测器[12,13]或磁铁电源[14]，需要在机器长时间运行时具有良好稳定性的电压和电流源。如下文所深入讨论的，主要的科学原创性在于设计的低复杂性，使其适合应用于核研究仪器。

提出了一种新型超导电力电缆失超检测系统的精密电压源和电流源的设计。特别是，第2节侧重于计量要求，而在第3节中，显示了定制设计的需要。在第4节中，详细讨论了主要的设计选择。在第5节中，我们报告了实验结果来验证这两种设计。第6节通过进一步的实验结果讨论了探测器性能的改进。

2、计量要求

这两个源作为淬火测量过程的可调直流基准。不确定度分析表明，整个探测器的性能在很大程度上取决于所用源的质量和可靠性。特别是，用于检测淬火的电压阈值的不确定性取决于电压源输出和两个电压源输出。当源输出不确定度限制在0.1%时，相对不确定度限制在10%以内。因此，为了保证探测器的充分性能，源必须表现出优于1000 ppm满量程的稳定性，独立于操作条件和在所有探测器运行期间。这里考虑24小时。此外，叠加到电源上的噪声直接影响检测较小电压积聚的能力。因此，在0–50 kHz频带内，它必须保持在1000 ppm以下。

电压源需要提供数百毫伏的输出和200毫安的电流能力，用于源和陷。因此，对输出稳定性的要求转化为低于数百微伏的波动。相反，噪声必须低于minus;80 dBV。

电流源输出必须在50 mA到1 A之间，1000 ppm的稳定性导致输出波动低于50mu;A。值得注意的是，在正常工作条件下，电流源输出的典型电压降为0 V，因为该电源的负载通常是一个小电感。

3、电压和电流源背景

事实上，现成的电源不符合应用要求[15]。对于目前的应用，电源的现状首先被调查，但只考虑线性稳压器，而不是开关电路，因为开关噪声是不可接受的探测器应用。线性稳压器可用于提供直流稳压输出，为电子设备供电[16,17]。最近的研究趋势是降低输入电压电平，提高噪声性能和电源抑制比（PSRR），并将其功耗降至最低，使其适用于低功率应用[18–20]。通常，具有这些特性的调节器称为“低压差调节器”（LDO），原则上，它们可以满足上一节列出的要求。文献[21]中报告了商用LDO的一个例子，但这些器件都不能同时满足上述所有要求。因此，需要定制设计。例如，必须增强输出电流能力。

事实上，尽管市场上有可以轻易地产生和吸收高达数十安培电流的电源，但其精度很少超过1%，而且噪声也远远高于精密应用所需的噪声。另一方面，电压和电流基准可以非常精确，并且满足精度和噪声要求，但是它们在功率能力方面非常有限。

根据定义，电压和电流基准源的输出尽可能独立于设备负载、电源电压和温度变化。通常，这些电路是基于“带隙技术”的半导体集成器件[22]。采用这种传统技术，最小输出参考电压约为1.2v，该值与室温下的硅带隙有关。较低的电压输出可以通过电阻网络[23]或依靠不同于经典技术的技术获得，例如利用MOSFET的亚阈值区域。例如，偏移缩小可用于补偿低电压电平的温度系数[24]，或者如[25]中所建议的，低电压基准可在28nm CMOS技术中实现。然而，对低电压基准的兴趣与低功率应用有关，因此，这些器件的驱动能力较差。它们的输出电流通常低于经典的参考电流，后者已经被限制在几十毫安以内。这些考虑因素解释了为什么它们仅仅作为独立设备使用，对于大多数应用程序来说是不合适的。因此，总是需要额外的电路，至少是为了提高输出电流[26]。

对于当前的参考文献，也可以考虑类似的问题。这些器件是电路设计中有用的构件，其典型功能是在较宽的温度范围内提供恒定的偏置电流。文献中报告了几种解决方案，显示了低功率电流基准的最新趋势[27–29]。然而，定制设备通常基于电压基准，而基于电流基准的解决方案是不太常见的方法。

所考虑的应用的感兴趣的设备可以被称为精密源，因为如上所述，它们必须提供具有良好稳定性特征的输出，并且，同时，它们必须以一些W的数量提供功率，以实现良好的稳定性和噪声性能，可采用电压基准。一些能够满足应用需要的实验室仪器可以在市场上买到。横河GS200[30]就是一个例子，它具有高精度、高分辨率和低噪声。但是，这种解决方案不允许将探测器硬件作为一个整体集成到单个PCB上。一个不那么麻烦的现成解决方案是“PentaRef”[31]的电压基准，其特性也可以定制。但是，精度和稳定性要求没有得到满足和/或详尽的说明，而且似乎没有开源的原理图可用。因此，在下文中，提出了简单的定制设计，以低成本和可靠的电路取代用于探测器概念验证的昂贵电源。

4、精密光源的设计

4.1. 电压源

可以考虑几种拓扑结构来构建满足探测器需要的精密电压源。然而，在选择最终解决方案所依赖的设备时，已经考虑了商用组件。在集成基准电压源中，串联型带隙基准电压源是满足计量精度、稳定性和噪声要求的最佳选择。此外，还需要一个利用精密电阻的分压器，因为所选器件的输出电压高于1v。

在图1中，示出了所提出的原理。值得注意的是，分压器后面是一个电压缓冲器，以便将负载阻抗与精密分压器解耦。在输出级，电流缓冲器采用两个推挽结构的互补双极晶体管，由运算放大器驱动。配置确保输出精度仅取决于分压器以及缓冲器，而负载所需的电流通过NPN（源）或PNP（陷）提供。

图1 拟定电压源的原理方案

图2 有源低通滤波器，截止频率为1 kHz，阻带衰减为-40 dBV（4 kHz）

进行蒙特卡罗模拟以得出构成分压器的电阻器的要求。最终的实现采用独立的精密电阻器串联微调器，用于校准整个源。这种解决方案只允许一小部分高精度的电压，但这与探测器的需要是兼容的。产生的电压为200 mV、300 mV、500 mV和800 mV。如果需要更高的输出分辨率，可以使用数模转换器（DAC）代替精密分压器。该器件产生的电压可从LTC6655获得，LTC6655是一种低噪声、低漂移精度的带隙基准源，输出电压为1.25V。

分压器输出的缓冲器解耦如图2所示。它基于AD8676运算放大器，具有两个特点：（i）将精密分压器与负载输入阻抗解耦，以及（ii）过滤输出噪声以提高信噪比。考虑到预期的负载变化，确定了一个等于1khz的截止频率。滤波器设计为在四倍截止频率（4 kHz）下具有minus;40 dBV阻带衰减。值得注意的是，负荷变化预计不会特别快，因为它们与高温超导电缆中的正常区域传播速度有关。

所述缓冲级的输入可通过模拟多路复用器ADG704在四个分压器输出之一中选择。必须指出的是，为了限制缓冲区输入和输出之间的差异以及输出波动，多路复用器和缓冲组件的选择是非常谨慎的。特别是，AD8676运算放大器被认为是低输入电流和低温漂移。一旦输出漂移是可接受的，由于一个适当的选择的组成部分，最终的偏移可以纠正手段，上述微调。这将调节缓冲器输入以校准整个源。

如前所述，该电路由两个互补的bjt构成的输出电流缓冲器完成。这些晶体管包括在如图3所示的电压缓冲级的反馈回路中。运算放大器驱动BJTs基端，使整个电路的输出理想地等于电压缓冲级的输入，而不受期望范围内负载电流的影响。在BJTs集电极上增加了电阻，以限制晶体管的功耗。选择合适的电阻值可避免正常运行时的饱和。值得一提的是，两个BJT不能同时进行。最后，需要指出的是，驱动BJT的放大器必须具有高增益，以减少众所周知的交叉失真（典型的推挽缓冲器）。

4.2. 电流源

在设计电流源时，通常的方法是基于电压基准进行设计。基本思想如图4所示。值得注意的是，这里用DAC取代了电压基准设计中实现的分压器，以获得更高的调谐能力（更高的分辨率）。

LT1461被用作DAC的电压基准，其输出被适当缓冲。然后，通过BJT和精密电阻实现了电压-电流转换。DAC允许轻松控制输出，其分辨率的选择应确保输出可选择，步长小于50 mA的1000 ppm。为实现该电路，分析了电压电流转换级。

图3 电流通过运算放大器反馈链中的两个互补的BJT升压

图4 拟定电流源的架构

IL=VDAC/RP （1）

如前所述，电路的典型负载是一个小电感，可以将其视为直流运行期间的短路进行简化分析。式（1）描述了通过精密电阻器（??）的简单电压-电流转换。很容易理解，负载电流（??）的变化直接取决于DAC输出和精密电阻器。因此需要一个低温度系数的电阻，而电阻公差产生的增益误差可以通过作用在DAC输出电压上进行补偿。

其他需要考虑的方程有（2）、（3）和（4）。它们分别描述了NPN晶体管的功耗、集电极和发射极之间的电压降以及驱动BJT的运算放大器的输出电压值。

PBJT=

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