Development and Verification of SiPM High Voltage Power Supply

低温高密核物质测量谱仪(CSR External-target Experiment，CEE)将是我国第一台运行于GeV能区的、自主研制的、基于国内核物理大科学装置。图1为CEE的概念性设计图，其中零度角量能器(ZDC)的功能是测量旁观者核子的总能量，确定核核碰撞的对心程度，并辅助反应平面的确定。为了满足高集成度、低偏置电压等工程要求，ZDC预计大规模采用硅光电倍增管(SiPM)^[1]完成光信号到电信号。

SiPM是新一代的半导体光子探测器，具有高增益、光子分辨能力强、偏置电压低、探测效率高、体积较小等优点^[2]。SiPM与光电倍增管(PMT)对比，体积较小，工作电压低^[3]，配置电路简单，具有替代PMT的潜力,所以SiPM被广泛应用在高能物理、核医学成像及核物理等领域。

SiPM对电压的稳定性，抗噪性要求较高^[4]，而且SiPM的增益与SiPM的偏置电压和温度有密切关系^[5-6]。由于目前商用电源不具备温度修正功能，集成度低，也无法实现在线控制，并且成本也高^[7]。而这些问题恰恰在ZDC中是需要考虑的，所以需要设计一款自适应温度、高集成度、低成本且同时在线可控的高压电源。其中，利用DC/DC模块产生高压，电压可调范围是2.5 ~ 200 V；进行温度读取，根据预设温度实时输出指令，调整输出电压；可实现多路供电。通过性能测试，并将设计的高压电源与商用电源进行能谱对比测试^[8]，验证高压板的性能指标基本达到设计要求。

图2和图3分别为高压电源整体设计框图和高压电源实物图。高压电源主要由FPGA主控单元、串口模块、DC/DC模块、温度检测模块和电压检测模块组成。高压由DC/DC模块产生^[8]。DC/DC模块选用APS系列，数字电位计为MCP4018，温度传感器为TMP125，电压检测选用TLV2548。DC/DC转换模块具有高稳定性，通过改变DC/DC模块的输入电压来实现高压变化，进而达到设计要求。系统采用FPGA作为中央处理器，由于SiPM受温度影响较大，通过温度检测模块，对温度进行检测，当温度发生改变时，实时调整偏置电压，实现温度自适应设计；高压电路工作时需要监测产生的高压值是否正常，系统是否正常工作，所以设计电压检测模块，检测产生的电压值，来判断高压电路板是否正常工作；低压电源接口为各个模块提供稳定的工作电源；通过串口模块调节电位计的阻值，改变DC/DC模块的输入电压，进而控制输出高压的大小。

相比较与商用电源，本设计采用了多个技术来抑制纹波噪声，得到高稳定性的输出电压，主要包括采用高精度DC/DC模块、关键电路屏蔽保护、减少关键信号回路面积等，同时本设计结构紧凑，集成度高，并具备在线远程控制功能。

图4为高压产生电路，主要由左边的可调电阻和右边的DC/DC模块组成。可调电阻与电阻R₀组成分压电路，通过改变可调电阻的阻值进行分压。可调电阻选择数字电位计，可以通过数控方式调节电阻值，其具有精度高、低噪声等优点。电压转换采用DC/DC高压模块，具有高稳定性，且该DC/DC模块的金属外壳可以屏蔽最低的电磁干扰、降低输出电压的纹波和噪声。高压产生电路中输出电压由DC/DC模块的模拟控制电压(VSET)决定。数字电位计U6的脚3、脚4与主控芯片相连，通过数控方式改变阻值进行分压，使DC/DC模块的模拟控制电压输入端(VSET)的电压发生改变，进而使DC/DC模块的控制电路输出不同的电压值，实现高压产生。

其中DC-DC变换器主要由储能电感器、控制器、MOS开关管、整流滤波电路等组成^[9]。系统中输入电压到储能电感器，通过控制器电路产生矩形波控制MOS开关管的截止或导通，决定输出电压。矩形波经过小型变压器放大，然后通过二极管和电容滤波得到电源电压。

电压检测电路的主要功能是通过FPGA对SiPM的工作电压值进行实时监测和调整。

为了检测DC/DC模块是否正常工作，设计电压检测电路，如图5所示，电压检测电路主要由一个ADC芯片、外部基准电源、电阻和电容组成。检测芯片选用ADC芯片。ADC芯片具有低功耗、精度高等特点。将DC/DC模块的电压检测端(VMON)与ADC芯片的输入端脚6连接，系统工作产生高压时，ADC芯片将采集DC/DC模块电压检测端(VMON)的信号，将采集到的模拟电压信号转换成数字信号进行处理，最后通过串口RS232进行显示，进而实现电压检测。采用高稳定、高精度的外部基准电压源为ADC芯片提供稳定的+2.5 V基准电压。

温度检测电路的功能是当检测到温度变化时，根据主控中预设的电压值实时调节SiPM的偏置电压，从而实现SiPM的增益相对稳定。

温度检测电路图如图6所示，温度检测由电阻、电容和温度温度传感器组成。检测电路采用兼容SPI的数字温度传感器，其具有高精度、低功耗等特性。温度检测电路不需要外部元件，温度传感器连续地将温度转换成数字数据，中央处理器FPGA连接芯片的脚6，周期性地读取温度传感器的数字信号，然后对读取到的数据进行处理分析，最后将采集到的温度通过串口RS232显示，实现温度检测。

系统软件设计功能是通过软件对系统进行配置，实现在线控制高压输出，实时检测电压，根据温度变化实时调节SiPM的偏置电压。

如图7所示，控制系统主要由以下几部分组成：A/D模块、温度检测模块、IIC模块、串口RS232模块和时钟模块。系统选用Cyclone Ⅲ系列EP3C16F484作为核心控制器件。IIC模块用来控制数字电位计，通过串口RS232模块向IIC模块写入不同的数据，从而改变数字电位计的阻值进行分压，使得DC/DC模块输入端的电压发生改变，产生不同的电压。为了检测电压是否正常，用A/D模块采集模拟电压信号，并将电压信号转换成数字信号，存储在数据寄存器中，然后通过串口RS232模块将实时电压可视化。温度检测模块使用SPI控制温度传感器读取数字信号，然后将读取到的温度通过RS232模块进行显示。时钟模块的主要功能是利用PLL对系统的时钟信号进行转化，将系统40 MHz的时钟频率转换为50 MHz，然后分别为RS232模块、IIC模块、A/D模块、温度检测模块提供稳定的时钟信号。

首先对高压产生模块(DC/DC模块)进行稳定性测试，然后对自制高压板进行特性测试，高压电源达到性能指标后，分别与商用高压电源为SiPM提供偏置电压，通过测试，进行能谱图分辨率对比。

DC/DC模块将输入电压进行升压放大，通过不断改变DC/DC模块的输入电压，得到对应的电压输出值。结果如图8所示，横坐标是DC/DC模块的输入电压，单位为V。纵坐标是测量DC/DC模块输出的电压值(其纵坐标为左边的纵坐标)。对DC/DC模块的输入电压和输出电压进行线性拟合(如图中红线所示)，经过线性拟合，得到DC/DC模块的放大倍数约为80.79，测量值与理论值最大差值为0.01，经计算得到其积分非线性为0.14‰，所以模块工作稳定。

图9为加入温度自适应后道数测试结果图，系统测试在高温箱中进行，将温度分别设置为30, 25, 20, 15, 10, 5, 0, –5, –10 ℃，增益越大其道数越大，测试时，以温度30 ℃，偏置电压55 V为基准。随着温度的降低，SiPM的增益升高。加入温度自适应后，在不同温度下调整偏置电压，使道数保持在一个相对恒定的水平。

从测试结果看出，经过温度自适应调整，SiPM的增益随温度变化的程度减小，最大变化率为1.12%，系统增益保持相对稳定。

首先对高压电源的稳定性进行测试，选用日本滨松公司的SiPM(S13360-6050CS)，其偏置电压为+55 V，系统测试将高压模块输出电压调至+55 V，持续工作3 h^[10]，测量结果如图10所示。从图10中可以看出，电源在持续工作中，最大波动约为0.01 V，输出电压整体工作稳定。

使高压电源稳压后进行纹波测试，将示波器和测试电路板的干扰降至最低，示波器的探头选用1:1，示波器调至交流耦合，带宽调至20 MHz，避免电路中高频噪声的影响，然后对电压输出端进行测试。测得纹波噪声如图11所示，得到纹波有效值约为1.82 mV。通过调节电压，将电压升高，然后依次记录并进行纹波测试，由图12所示，电压升高至40 V，纹波参数在2 mV以下，经过计算纹波系数在0.02%以下，具有低纹波特性。

准备开始系统测试，要对系统进行验证。SiPM的增益与SiPM的偏置电压有密切关系。根据芯片手册推荐，该型号SiPM的工作偏置电压为55 V左右。为了保证其增益性能，采用了不同的偏置电压进行测试，如图13所示，横轴为ADC道值，纵轴为道值的计数。测试表明，偏置电压增高，SiPM的增益明显提高。符合SiPM供电与增益的关系。因此，在测试中采用了55 V作为偏置电压。

对高压电源的特性进行测试，其输出电压整体工作稳定，且纹波系数低。为了验证其优于商用电源，需要进行工作特性测试。如图14所示实验测试系统框图，测试环境主要由高压电源、电路读出系统、计算机等组成。测试时，需要用遮光布将SiPM、晶体和放射源遮住，将系统放置在一个黑暗环境中，高压电源给SiPM提供偏置电压，放射源打出的粒子经过晶体转换为光信号，然后光信号通过SiPM转化为电信号，通过电路读出系统输入到上位机中进行数据处理，得到放射源的能谱图。

测试选用Cs-137作为放射源，CSI作为晶体，分别使用商用电源(ORTEC-710)和自制高压电源为SiPM提供+55 V的电压，通过能谱分析，对自制高压电源的性能进行分析。

如图15所示测试能谱图，图中横坐标为道数，纵坐标为道值的计数。黑色为高压电源测试的能谱图，红色为商用电源测试的能谱图。通过计算，使用自制高压电源测试的全能峰分辨率为7.84%；使用商用电源测试的全能峰分辨率为9.88%。经过对比，在同一环境下，自制高压电源测到的分辨率低于商用电源测到的分辨率，自制高压电源的性能要优于商用电源。测试结果表明，采用上述创新设计，高压电源具有输出高压且在线可调、纹波噪声低、多路供电等优点，性能优于商用电源。

本文采用DC/DC模块来实现高压产生，通过数控方式调节数字电位计的阻值进行分压，进而改变DC/DC模块的输入电压。完成了DC/DC模块的稳定性测试、温度自适应测试，高压电源的性能及工作特性测试。测试结果表明，DC/DC模块的积分非线性为0.14‰，模块工作稳定；在不同温度下，系统增益的最大变化率为1.12%，系统增益保持相对稳定；自制的高压电源最大波动约为0.01 V，工作稳定；纹波系数在0.02%以下，具有低纹波特性；在同一环境下进行对比测试，采用同一放射源作为测试光源，自制高压电源与商用高压电源分别为同一个SiPM提供+55 V的偏置电压，将测得的放射源能谱图进行分辨率对比,自制高压电源测试的能量分辨率为7.84%，商用电源测试的能量分辨率为9.88%，自制高压电源的性能要优于商用电源的性能。本次设计基本可以满足实验要求，可以更精确、更稳定地为SiPM提供偏置电压。