【導讀】用于高壓應用的動(dòng)力導軌通常需要低噪聲和緊負荷的線(xiàn)路調節。本文討論了“精度”和“準確度”是如何分開(kāi)考慮的，以及它們在功率轉換器設計中通常是如何實(shí)現的。
用于高壓應用的動(dòng)力導軌通常需要低噪聲和緊負荷的線(xiàn)路調節。本文討論了“精度”和“準確度”是如何分開(kāi)考慮的，以及它們在功率轉換器設計中通常是如何實(shí)現的。
根據它們的正式定義，“準確”和“精確”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)在日常語(yǔ)言中并不總是準確無(wú)誤地使用。在科學(xué)界，它們確實(shí)有不同的含義，在評估設備性能或行動(dòng)或測量結果時(shí)會(huì )仔細使用?！皽蚀_度”定義為動(dòng)作或數量與“真實(shí)或可接受”值的接近程度，“精度”是指連續動(dòng)作之間的接近程度。這兩個(gè)參數通?？梢粤炕癁榘俜直然蚪^對值的方差，但可以完全獨立。通常給出的例子是對目標進(jìn)行射擊；如果所有物體都均勻的分布在周?chē)?，但遠離中心，這是準確的，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，但并不準確。圖1給出了這個(gè)想法。
圖1：準確度和精度之間的差異
作為一位射手只會(huì )對右上角感到滿(mǎn)意，但當環(huán)境是提供高壓電源導軌時(shí)，根據應用情況，任何不同的組合都是可以接受的。例如，在半導體加工中用于拾取晶片的靜電吸盤(pán)在其高壓電源中需要相對較低的準確度（在目標值的百分之幾以?xún)龋?，但需要一致性，這意味著(zhù)高精度。
當需要高準確度和高精度時(shí)
有一些電源應用需要在負載和線(xiàn)路變化、多個(gè)單元、時(shí)間和不斷變化的環(huán)境條件下精確和準確的輸出。例如，一個(gè)具有高電壓輸出的部件為敏感設備供電，如用于掃描電子顯微鏡、質(zhì)譜儀和醫學(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(diǎn)清晰度，因此其絕對值（準確度）和測量在環(huán)境溫度變化和校準間隔之間的一致性（精度）是非常重要的。
質(zhì)譜儀同樣需要高性能的電源來(lái)進(jìn)行有效的測量。電源輸出電壓的靜態(tài)值和長(cháng)期穩定性在這些應用中至關(guān)重要，但任何疊加的噪聲也可能是有問(wèn)題的，例如“淹沒(méi)”P(pán)MT信號。此外，使用不同設備以及隨時(shí)間和溫度變化（精度）的可重復性對于一致和有意義的結果至關(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，例如半導體制造中電子束光刻應用的電源和用于透鏡/反射鏡定位的壓電驅動(dòng)器等。
電源設計師面臨的挑戰
通用電源(包括AC-DC和DC-DC)具有典型的規格，幾十年來(lái)已被終端用戶(hù)接受。這些可能是+/-2%的初始電壓準確度，從10%負載到全輸出的0.5%調節，以及線(xiàn)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(jià)值源于在電源設計中使用成本低且易于獲得的實(shí)用組件，這對制造商和用戶(hù)都有好處。例如，輸出設置電壓由內部參考電壓和來(lái)自輸出的電阻器分壓器鏈定義。添加公差后，即使是標準產(chǎn)品的組件通常也必須在+/-0.5%以?xún)?，因此比通常?/-1%類(lèi)型更貴。在邏輯級電壓下，這會(huì )產(chǎn)生以毫伏為單位的偏差，但如果輸出為2kV，則為數十伏，這對敏感設備來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題。
對于電子束顯微鏡或電子束光刻等高壓應用，線(xiàn)路和負載調節的可接受值更接近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。
這些數字只能通過(guò)仔細的電源設計獲得，電源設計使用精確的溫度補償電壓參考、實(shí)驗室質(zhì)量的電阻器和固有低噪聲的轉換拓撲，如功率振蕩器或諧振型。
內部換流變壓器的設計對于實(shí)現高絕緣和低噪聲也特別重要。為了實(shí)現低噪聲，通常需要仔細放置多個(gè)屏幕，而屏幕本身也帶來(lái)了隔離和絕緣方面的挑戰。甚至繞組的“開(kāi)始”和“結束”的相對位置對于實(shí)現一定程度的自屏蔽也很重要。模塊化轉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
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，以符合安全標準，PCB布線(xiàn)必須在沒(méi)有銳角的情況下進(jìn)行，以避免高電場(chǎng)強度點(diǎn)導致?lián)舸?。在極高的電壓下，PCB材料本身需要仔細考慮，FR4通常被BT環(huán)氧樹(shù)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(wèn)題，并提供用戶(hù)安全。然而，在某些情況下，封裝可以局部增加電場(chǎng)強度，因此必須謹慎實(shí)施。環(huán)氧樹(shù)脂和有機硅材料可以在機械強度、防潮性、耐化學(xué)性、附著(zhù)力、返工能力和溫度范圍等方面進(jìn)行不同的權衡。在實(shí)踐中，類(lèi)型通常受到安全機構預先批準的絕緣系統的限制。
如果您的功率轉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。糟糕的設計選擇可能導致產(chǎn)品無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)對具有高可靠性和長(cháng)壽命的小型、冷運行產(chǎn)品的需求。此外，還需要對短路、過(guò)載和過(guò)電壓進(jìn)行保護，同時(shí)通常需要對輸出狀態(tài)進(jìn)行監測，還需要對從零到全額定值的輸出電壓和電流限制進(jìn)行遠程編程。
專(zhuān)家們已經(jīng)完成了這項艱巨的工作
專(zhuān)業(yè)的電源公司已經(jīng)完成了艱苦的工作，并提供了滿(mǎn)足高電壓要求的標準產(chǎn)品。例如，XP Power的HCP產(chǎn)品（圖2）可在350W時(shí)提供高達300kV的電壓，具有低至1ppm的紋波和噪聲，0-100%額定負載的線(xiàn)路調節為0.001%/10ppm，負載調節為0.02%/200ppm。通過(guò)其“精細”電位計設置分辨率通常小于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600kV，輸出功率可達600kW。
圖2:XP Power的HCP產(chǎn)品具有低至50ppm的紋波和噪聲，線(xiàn)路調節為0.001%/10ppm，變化幅度為+/-10%，負載調節為0.02%
結論
在DC電源設計中，實(shí)現高電壓應用所需的精度和準確度是一個(gè)艱巨的挑戰。購買(mǎi)預認證的零件通常是最具成本效益的解決方案，從而可以降低設計風(fēng)險和縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
（來(lái)源：XP Power，作者：XP Power產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監Hafiz Khalid）
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