概述

在質(zhì)譜分析等精密分析應(yīng)用中，設(shè)備需要精確指定和設(shè)計(jì)的高壓電源。

• 根據(jù)應(yīng)用的不同，對(duì)光譜電源有不同的要求——需要一種基于解決方案的方法。

• 在同一設(shè)備中部署多個(gè)電源會(huì)帶來(lái)額外的挑戰(zhàn)。

• 我們分享如何解決質(zhì)譜中高壓電源最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1. 電源以外的紋波降低 

在質(zhì)譜應(yīng)用中，需要高壓電源以最小的紋波和噪聲提供高壓。在高壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，紋波頻率與電源的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)。我們?cè)诋a(chǎn)品數(shù)據(jù)表中指定了器件的頻率。  

威思曼 提供各種具有低紋波和噪聲的高壓電源。為了進(jìn)一步降低與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的輸出紋波，客戶可以使用額外的濾波組件。 

它由并聯(lián)模式連接的電阻器和電容器組成。RC 低通濾波器設(shè)置截止頻率，允許較低頻率的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)降低較高頻率的信號(hào)。

圖 1：低通 RC 濾波器

2. 設(shè)計(jì) RC 低通濾波器 

首先，我們確定必須濾除哪些頻率。在下面的示例中，我們?cè)诖穗娐吩O(shè)置中選擇了 120kHz，即 威思曼 的 高壓模塊 C80N的開(kāi)關(guān)頻率。

截止頻率應(yīng)該與要過(guò)濾的頻率有足夠的差異，以允許對(duì)振蕩進(jìn)行足夠的阻尼。

圖 2：低通 RC 濾波器的計(jì)算   

我們選擇了一個(gè) 150kOhm 的電阻和一個(gè) 2nF 的電容。以下示波器圖顯示了紋波和噪聲水平如何顯著降低。

圖 3. 測(cè)量：不帶低通 RC 濾波器                     圖 4. 測(cè)量：使用低通 RC 濾波器

3. 設(shè)置級(jí)聯(lián)高壓電源 

質(zhì)譜中的高壓電源可能在與大地不同的電位下工作。這意味著一個(gè)電源“懸浮”在另一個(gè)電源的參考電位上。 

懸浮在下邊電位上的檢測(cè)器就是這種布置的一個(gè)例子。最好的解決方案是使用隔離式高壓電源，其中高電位電源的隔離額定值必須至少等于浮動(dòng)電壓。 

如果是穩(wěn)壓電源，這種電流隔離是由變壓器和其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。下圖顯示了我們?nèi)绾伟才偶?jí)聯(lián)高壓模塊。

圖 5：懸浮正高壓                                                                圖 6：懸浮負(fù)高壓

4. 設(shè)計(jì)過(guò)零的雙極高壓電源

在電離子透鏡中，通常需要雙極高壓電源。在這些電光應(yīng)用中，可能需要從負(fù)高壓擺動(dòng)到正高壓，干凈地通過(guò)零。下圖顯示了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最簡(jiǎn)單和最具成本效益的方法。

   圖 7：雙極高壓配置

第一個(gè)模塊的輸出電壓設(shè)置為-1kV。第二個(gè)模塊的輸出可以參考這個(gè)-1kV。隔離的 2 kV 模塊在模塊上串聯(lián)設(shè)置，并在 0 至 2 kV 范圍內(nèi)進(jìn)行控制。 

該模塊將產(chǎn)生一個(gè)可以從 -1 kV 到 +1 kV 線性控制的電壓，在從負(fù)到正的轉(zhuǎn)換過(guò)程中沒(méi)有明顯的非線性或不穩(wěn)定性。

重要的是不要讓輸出部分在通電時(shí)懸空，因?yàn)檩敵隹赡軙?huì)靜電充電至高于隔離額定值的電壓——這可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。

這種方法避免了典型的現(xiàn)成雙極電源的費(fèi)用和空間，為 OEM 設(shè)計(jì)提供了具有成本效益的解決方案。

下圖顯示了高壓如何以線性方式通過(guò) 0 并且每個(gè)值都可以精確調(diào)整，甚至接近于零。

圖 8. 測(cè)量：+1kV 至 -1kV 線性通過(guò) 0        圖 9. 測(cè)量：+1kV 至 -1kV 范圍內(nèi)的輸出電壓

5. 保護(hù)高壓電源免受電壓瞬變 

在質(zhì)譜儀中，許多不同的電勢(shì)可能并列，因此高壓電源之間可能會(huì)發(fā)生相互作用。 

我們建議具有多個(gè)高壓電源的系統(tǒng)包括每個(gè)電源的補(bǔ)充保護(hù)電路，以防止出現(xiàn)故障。 

如果兩個(gè)輸出電壓不同但極性相同的高壓電源之間發(fā)生電弧，則標(biāo)稱電壓較低的電源可能會(huì)因過(guò)電壓而損壞。 

高壓電弧可能是具有較低標(biāo)稱電壓的模塊標(biāo)稱電壓的倍數(shù)，這可能導(dǎo)致電源故障。一個(gè)好的解決方案是在標(biāo)稱電壓較低的高壓電源的輸出端增加一個(gè)高壓保護(hù)二極管。

圖 10：電壓瞬變保護(hù)

上圖顯示了如何通過(guò)高壓二極管保護(hù)具有較低輸出電壓的電源。

 二極管應(yīng)該有一個(gè)反向擊穿電壓，這是可以電弧到模塊的最高電壓。額定電流應(yīng)高于系統(tǒng)中的最高電流。

6.保護(hù)高壓電源免受反向電流 

當(dāng)具有不同極性的高壓模塊之間存在電弧時(shí)，每個(gè)電源都會(huì)嘗試提供其額定電流。這會(huì)將輸出暴露給具有較高相反極性電流的電源。 

電流較小的電源可能被迫提供或吸收超出其能力的電流，這可能導(dǎo)致過(guò)載和電源損壞。

為了避免這個(gè)問(wèn)題，我們可以在高壓電源輸出端使用一個(gè)反向偏置二極管返回。二極管必須能夠承載具有相反極性的高壓電源的電流。

圖 11：針對(duì)不同極性的保護(hù)                                圖 12：針對(duì)不同極性的保護(hù)

摘要：準(zhǔn)確度、可靠性和額外的特定功能是質(zhì)譜中高壓的關(guān)鍵要求。現(xiàn)成的、具有成本效益的高壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以滿足這些目標(biāo)。