【導(dǎo)讀】用于高壓應(yīng)用的動力導(dǎo)軌通常需要低噪聲和緊負(fù)荷的線路調(diào)節(jié)。本文討論了“精度”和“準(zhǔn)確度”是如何分開考慮的，以及它們在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計中通常是如何實現(xiàn)的。
用于高壓應(yīng)用的動力導(dǎo)軌通常需要低噪聲和緊負(fù)荷的線路調(diào)節(jié)。本文討論了“精度”和“準(zhǔn)確度”是如何分開考慮的，以及它們在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計中通常是如何實現(xiàn)的。
根據(jù)它們的正式定義，“準(zhǔn)確”和“精確”這兩個術(shù)語在日常語言中并不總是準(zhǔn)確無誤地使用。在科學(xué)界，它們確實有不同的含義，在評估設(shè)備性能或行動或測量結(jié)果時會仔細(xì)使用。“準(zhǔn)確度”定義為動作或數(shù)量與“真實或可接受”值的接近程度，“精度”是指連續(xù)動作之間的接近程度。這兩個參數(shù)通常可以量化為百分比或絕對值的方差，但可以完全獨立。通常給出的例子是對目標(biāo)進(jìn)行射擊；如果所有物體都均勻的分布在周圍，但遠(yuǎn)離中心，這是準(zhǔn)確的，但不精確。如果所有這些都偏離了中心，但緊密地組合在一起，這是精確的，但并不準(zhǔn)確。圖1給出了這個想法。
圖1：準(zhǔn)確度和精度之間的差異
作為一位射手只會對右上角感到滿意，但當(dāng)環(huán)境是提供高壓電源導(dǎo)軌時，根據(jù)應(yīng)用情況，任何不同的組合都是可以接受的。例如，在半導(dǎo)體加工中用于拾取晶片的靜電吸盤在其高壓電源中需要相對較低的準(zhǔn)確度（在目標(biāo)值的百分之幾以內(nèi)），但需要一致性，這意味著高精度。
當(dāng)需要高準(zhǔn)確度和高精度時
有一些電源應(yīng)用需要在負(fù)載和線路變化、多個單元、時間和不斷變化的環(huán)境條件下精確和準(zhǔn)確的輸出。例如，一個具有高電壓輸出的部件為敏感設(shè)備供電，如用于掃描電子顯微鏡、質(zhì)譜儀和醫(yī)學(xué)成像的光電倍增管（PMT）。PMT可能需要1200V的幾微安電壓，并將電壓放大1億倍，以檢測非常低水平的光電子。由于工作電壓直接影響PMT輸出，并最終影響圖像的焦點清晰度，因此其絕對值（準(zhǔn)確度）和測量在環(huán)境溫度變化和校準(zhǔn)間隔之間的一致性（精度）是非常重要的。
質(zhì)譜儀同樣需要高性能的電源來進(jìn)行有效的測量。電源輸出電壓的靜態(tài)值和長期穩(wěn)定性在這些應(yīng)用中至關(guān)重要，但任何疊加的噪聲也可能是有問題的，例如“淹沒”PMT信號。此外，使用不同設(shè)備以及隨時間和溫度變化（精度）的可重復(fù)性對于一致和有意義的結(jié)果至關(guān)重要。高壓電源通常與高靈敏度的測量和操作相關(guān)，還有更多的例子，例如半導(dǎo)體制造中電子束光刻應(yīng)用的電源和用于透鏡/反射鏡定位的壓電驅(qū)動器等。
電源設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)
通用電源(包括AC-DC和DC-DC)具有典型的規(guī)格，幾十年來已被終端用戶接受。這些可能是+/-2%的初始電壓準(zhǔn)確度，從10%負(fù)載到全輸出的0.5%調(diào)節(jié)，以及線路電壓從最小到最大變化的0.1%輸出變化。紋波和噪聲一起通常被指定為在20MHz帶寬下測量的輸出峰間最大值的1%。這些價值源于在電源設(shè)計中使用成本低且易于獲得的實用組件，這對制造商和用戶都有好處。例如，輸出設(shè)置電壓由內(nèi)部參考電壓和來自輸出的電阻器分壓器鏈定義。添加公差后，即使是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的組件通常也必須在+/-0.5%以內(nèi)，因此比通常的+/-1%類型更貴。在邏輯級電壓下，這會產(chǎn)生以毫伏為單位的偏差，但如果輸出為2kV，則為數(shù)十伏，這對敏感設(shè)備來說是一個問題。
對于電子束顯微鏡或電子束光刻等高壓應(yīng)用，線路和負(fù)載調(diào)節(jié)的可接受值更接近0.02%-0.0001%（200ppm–1ppm），對于峰間紋波和噪聲，可能為額定電壓的0.0005%/5ppm，例如2kVDC中的100mVpp。
這些數(shù)字只能通過仔細(xì)的電源設(shè)計獲得，電源設(shè)計使用精確的溫度補償電壓參考、實驗室質(zhì)量的電阻器和固有低噪聲的轉(zhuǎn)換拓?fù)洌绻β收袷幤骰蛑C振型。
內(nèi)部換流變壓器的設(shè)計對于實現(xiàn)高絕緣和低噪聲也特別重要。為了實現(xiàn)低噪聲，通常需要仔細(xì)放置多個屏幕，而屏幕本身也帶來了隔離和絕緣方面的挑戰(zhàn)。甚至繞組的“開始”和“結(jié)束”的相對位置對于實現(xiàn)一定程度的自屏蔽也很重要。模塊化轉(zhuǎn)換器通常位于金屬外殼中，并保證從輸入到輸出以及從輸入和輸出到外殼的安全絕緣。
高壓的實際注意事項
對于高電壓，高傳感阻抗對于最小化損耗是必要的。因此，漏電流也必須小心控制，因為PCB上指紋的最輕微污染可能足以影響輸出，甚至引發(fā)表面電弧。爬電和間隙距離必須與高電壓成比例，以符合安全標(biāo)準(zhǔn)，PCB布線必須在沒有銳角的情況下進(jìn)行，以避免高電場強度點導(dǎo)致?lián)舸Ｔ跇O高的電壓下，PCB材料本身需要仔細(xì)考慮，F(xiàn)R4通常被BT環(huán)氧樹脂、酚醛固化剛性層壓板或高壓TeflonTM取代，從而提供更好的介電強度。
高壓模塊電源通常是封裝的，以緩解潛在的電弧污染問題，并提供用戶安全。然而，在某些情況下，封裝可以局部增加電場強度，因此必須謹(jǐn)慎實施。環(huán)氧樹脂和有機硅材料可以在機械強度、防潮性、耐化學(xué)性、附著力、返工能力和溫度范圍等方面進(jìn)行不同的權(quán)衡。在實踐中，類型通常受到安全機構(gòu)預(yù)先批準(zhǔn)的絕緣系統(tǒng)的限制。
如果您的功率轉(zhuǎn)換器要具有成本效益、非常緊湊和高效，所有這些考慮因素都是必要的。糟糕的設(shè)計選擇可能導(dǎo)致產(chǎn)品無法滿足市場對具有高可靠性和長壽命的小型、冷運行產(chǎn)品的需求。此外，還需要對短路、過載和過電壓進(jìn)行保護(hù)，同時通常需要對輸出狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，還需要對從零到全額定值的輸出電壓和電流限制進(jìn)行遠(yuǎn)程編程。
專家們已經(jīng)完成了這項艱巨的工作
專業(yè)的電源公司已經(jīng)完成了艱苦的工作，并提供了滿足高電壓要求的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。例如，XP Power的HCP產(chǎn)品（圖2）可在350W時提供高達(dá)300kV的電壓，具有低至1ppm的紋波和噪聲，0-100%額定負(fù)載的線路調(diào)節(jié)為0.001%/10ppm，負(fù)載調(diào)節(jié)為0.02%/200ppm。通過其“精細(xì)”電位計設(shè)置分辨率通常小于0.001%/10ppm。輸出電壓和電流可編程0-100%，模擬0-5V控制輸入，效率通常為90%。其他產(chǎn)品可提供各種封裝，包括封閉PCB安裝、臺式和機架安裝解決方案，額定電壓可達(dá)600kV，輸出功率可達(dá)600kW。
圖2:XP Power的HCP產(chǎn)品具有低至50ppm的紋波和噪聲，線路調(diào)節(jié)為0.001%/10ppm，變化幅度為+/-10%，負(fù)載調(diào)節(jié)為0.02%
結(jié)論
在DC電源設(shè)計中，實現(xiàn)高電壓應(yīng)用所需的精度和準(zhǔn)確度是一個艱巨的挑戰(zhàn)。購買預(yù)認(rèn)證的零件通常是最具成本效益的解決方案，從而可以降低設(shè)計風(fēng)險和縮短產(chǎn)品上市時間。
（來源：XP Power，作者：XP Power產(chǎn)品營銷總監(jiān)Hafiz Khalid）
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