【導(dǎo)讀】用于高壓應(yīng)用的動(dòng)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?cè)诠β兽D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中通常是如何實(shí)現(xiàn)的。
用于高壓應(yīng)用的動(dòng)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?cè)诠β兽D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中通常是如何實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)它們的正式定義，“準(zhǔn)確”和“精確”這兩個(gè)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(shí)有不同的含義，在評(píng)估設(shè)備性能或行動(dòng)或測(cè)量結(jié)果時(shí)會(huì)仔細(xì)使用?！皽?zhǔn)確度”定義為動(dòng)作或數(shù)量與“真實(shí)或可接受”值的接近程度，“精度”是指連續(xù)動(dòng)作之間的接近程度。這兩個(gè)參數(shù)通?？梢粤炕癁榘俜直然蚪^對(duì)值的方差，但可以完全獨(dú)立。通常給出的例子是對(duì)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(gè)想法。
圖1：準(zhǔn)確度和精度之間的差異
作為一位射手只會(huì)對(duì)右上角感到滿意，但當(dāng)環(huán)境是提供高壓電源導(dǎo)軌時(shí)，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(duì)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(shí)
有一些電源應(yīng)用需要在負(fù)載和線路變化、多個(gè)單元、時(shí)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(gè)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(cè)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(diǎn)清晰度，因此其絕對(duì)值（準(zhǔn)確度）和測(cè)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(cè)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(hào)。此外，使用不同設(shè)備以及隨時(shí)間和溫度變化（精度）的可重復(fù)性對(duì)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(cè)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(dòng)器等。
電源設(shè)計(jì)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(cè)量的輸出峰間最大值的1%。這些價(jià)值源于在電源設(shè)計(jì)中使用成本低且易于獲得的實(shí)用組件，這對(duì)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(jí)電壓下，這會(huì)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(duì)敏感設(shè)備來說是一個(gè)問題。
對(duì)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(duì)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(jì)獲得，電源設(shè)計(jì)使用精確的溫度補(bǔ)償電壓參考、實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量的電阻器和固有低噪聲的轉(zhuǎn)換拓?fù)?，如功率振蕩器或諧振型。
內(nèi)部換流變壓器的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高絕緣和低噪聲也特別重要。為了實(shí)現(xiàn)低噪聲，通常需要仔細(xì)放置多個(gè)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(duì)位置對(duì)于實(shí)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(shí)際注意事項(xiàng)
對(duì)于高電壓，高傳感阻抗對(duì)于最小化損耗是必要的。因此，漏電流也必須小心控制，因?yàn)镻CB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(chǎng)強(qiáng)度點(diǎn)導(dǎo)致?lián)舸?。在極高的電壓下，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(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度，因此必須謹(jǐn)慎實(shí)施。環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅材料可以在機(jī)械強(qiáng)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(shí)踐中，類型通常受到安全機(jī)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(jì)選擇可能導(dǎo)致產(chǎn)品無法滿足市場(chǎng)對(duì)具有高可靠性和長壽命的小型、冷運(yùn)行產(chǎn)品的需求。此外，還需要對(duì)短路、過載和過電壓進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)通常需要對(duì)輸出狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)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(xiàng)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(shí)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(jì)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(tái)式和機(jī)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(jì)中，實(shí)現(xiàn)高電壓應(yīng)用所需的精度和準(zhǔn)確度是一個(gè)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(jì)風(fēng)險(xiǎn)和縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
（來源：XP Power，作者：XP Power產(chǎn)品營銷總監(jiān)Hafiz Khalid）
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