高压电源对精度和准确度的需求

作者：XP Power产品营销总监Hafiz Khalid

用于高压应用的动力导轨通常需要低噪声和紧负荷的线路调节。本文讨论了“精度”和“准确度”是如何分开考虑的，以及它们在功率转换器设计中通常是如何实现的。

根据它们的正式定义，“准确”和“精确”这两个术语在日常语言中并不总是准确无误地使用。在科学界，它们确实有不同的含义，在评估设备性能或行动或测量结果时会仔细使用。“准确度”定义为动作或数量与“真实或可接受”值的接近程度，“精度”是指连续动作之间的接近程度。这两个参数通常可以量化为百分比或绝对值的方差，但可以完全独立。通常给出的例子是对目标进行射击；如果所有物体都均匀的分布在周围，但远离中心，这是准确的，但不精确。如果所有这些都偏离了中心，但紧密地组合在一起，这是精确的，但并不准确。图1给出了这个想法。


图1：准确度和精度之间的差异

作为一位射手只会对右上角感到满意，但当环境是提供高压电源导轨时，根据应用情况，任何不同的组合都是可以接受的。例如，在半导体加工中用于拾取晶片的静电吸盘在其高压电源中需要相对较低的准确度（在目标值的百分之几以内），但需要一致性，这意味着高精度。

当需要高准确度和高精度时

有一些电源应用需要在负载和线路变化、多个单元、时间和不断变化的环境条件下精确和准确的输出。例如，一个具有高电压输出的部件为敏感设备供电，如用于扫描电子显微镜、质谱仪和医学成像的光电倍增管（PMT）。PMT可能需要1200V的几微安电压，并将电压放大1亿倍，以检测非常低水平的光电子。由于工作电压直接影响PMT输出，并最终影响图像的焦点清晰度，因此其绝对值（准确度）和测量在环境温度变化和校准间隔之间的一致性（精度）是非常重要的。

质谱仪同样需要高性能的电源来进行有效的测量。电源输出电压的静态值和长期稳定性在这些应用中至关重要，但任何叠加的噪声也可能是有问题的，例如“淹没”PMT信号。此外，使用不同设备以及随时间和温度变化（精度）的可重复性对于一致和有意义的结果至关重要。高压电源通常与高灵敏度的测量和操作相关，还有更多的例子，例如半导体制造中电子束光刻应用的电源和用于透镜/反射镜定位的压电驱动器等。

电源设计师面临的挑战

通用电源(包括AC-DC和DC-DC)具有典型的规格，几十年来已被终端用户接受。这些可能是+/-2%的初始电压准确度，从10%负载到全输出的0.5%调节，以及线路电压从最小到最大变化的0.1%输出变化。纹波和噪声一起通常被指定为在20MHz带宽下测量的输出峰间最大值的1%。这些价值源于在电源设计中使用成本低且易于获得的实用组件，这对制造商和用户都有好处。例如，输出设置电压由内部参考电压和来自输出的电阻器分压器链定义。添加公差后，即使是标准产品的组件通常也必须在+/-0.5%以内，因此比通常的+/-1%类型更贵。在逻辑级电压下，这会产生以毫伏为单位的偏差，但如果输出为2kV，则为数十伏，这对敏感设备来说是一个问题。

对于电子束显微镜或电子束光刻等高压应用，线路和负载调节的可接受值更接近0.02%-0.0001%（200ppm–1ppm），对于峰间纹波和噪声，可能为额定电压的0.0005%/5ppm，例如2kVDC中的100mVpp。

这些数字只能通过仔细的电源设计获得，电源设计使用精确的温度补偿电压参考、实验室质量的电阻器和固有低噪声的转换拓扑，如功率振荡器或谐振型。

内部换流变压器的设计对于实现高绝缘和低噪声也特别重要。为了实现低噪声，通常需要仔细放置多个屏幕，而屏幕本身也带来了隔离和绝缘方面的挑战。甚至绕组的“开始”和“结束”的相对位置对于实现一定程度的自屏蔽也很重要。模块化转换器通常位于金属外壳中，并保证从输入到输出以及从输入和输出到外壳的安全绝缘。

高压的实际注意事项

对于高电压，高传感阻抗对于最小化损耗是必要的。因此，漏电流也必须小心控制，因为PCB上指纹的最轻微污染可能足以影响输出，甚至引发表面电弧。爬电和间隙距离必须与高电压成比例，以符合安全标准，PCB布线必须在没有锐角的情况下进行，以避免高电场强度点导致击穿。在极高的电压下，PCB材料本身需要仔细考虑，FR4通常被BT环氧树脂、酚醛固化刚性层压板或高压TeflonTM取代，从而提供更好的介电强度。

高压模块电源通常是封装的，以缓解潜在的电弧污染问题，并提供用户安全。然而，在某些情况下，封装可以局部增加电场强度，因此必须谨慎实施。环氧树脂和有机硅材料可以在机械强度、防潮性、耐化学性、附着力、返工能力和温度范围等方面进行不同的权衡。在实践中，类型通常受到安全机构预先批准的绝缘系统的限制。

如果您的功率转换器要具有成本效益、非常紧凑和高效，所有这些考虑因素都是必要的。糟糕的设计选择可能导致产品无法满足市场对具有高可靠性和长寿命的小型、冷运行产品的需求。此外，还需要对短路、过载和过电压进行保护，同时通常需要对输出状态进行监测，还需要对从零到全额定值的输出电压和电流限制进行远程编程。

专家们已经完成了这项艰巨的工作

专业的电源公司已经完成了艰苦的工作，并提供了满足高电压要求的标准产品。例如，XP Power的HCP产品（图2）可在350W时提供高达300kV的电压，具有低至1ppm的纹波和噪声，0-100%额定负载的线路调节为0.001%/10ppm，负载调节为0.02%/200ppm。通过其“精细”电位计设置分辨率通常小于0.001%/10ppm。输出电压和电流可编程0-100%，模拟0-5V控制输入，效率通常为90%。其他产品可提供各种封装，包括封闭PCB安装、台式和机架安装解决方案，额定电压可达600kV，输出功率可达600kW。


图2:XP Power的HCP产品具有低至50ppm的纹波和噪声，线路调节为0.001%/10ppm，变化幅度为+/-10%，负载调节为0.02%

结论

在DC电源设计中，实现高电压应用所需的精度和准确度是一个艰巨的挑战。购买预认证的零件通常是最具成本效益的解决方案，从而可以降低设计风险和缩短产品上市时间。