高压稳压电源的设计与应用

高压稳压电源的设计与应用

由于电子束暴露装置的高压电源波动，对曝光装置的光束流、光束直径和扫描尺寸有直接影响。因此，提高压电源的稳定性和可靠性，减少压电源的波形，是电子束发布图形的高精度步骤。为了满足新型电子束曝光机对高压电源高精度的要求,在电源系统的设计中,采用了直接调整和间接调整相结合的系统调整方案,还采用了集中补偿和分散补偿相结合的系统补偿方式,对关键技术采取了针对性的有效措施,研制出了输出电压高达30kV的精密高压稳压电源。1主要设计特点30kV精密高压电源原理框图如1所示。主要设计特点体现在以下几个方面。1.1变压器稳定性分析如图1所示,220V工频电压经稳压变压器交流预稳压后再给高压电源系统各单元电路进行交流供电。稳压变压器的电压调整率小于等于1%,负载稳定度小于等于2%,它对甚低频、音频和高频干扰都有比较强的抑制作用。稳压变压器还有过载保护特性,当输出电流达到保护值时,输出电压急聚下降。稳压变压器的采用,对电源系统的稳定性、抗干扰性和可靠性起到重要的保证作用。本电源系统有5个前级稳压电源,分别为各相应单元电路提供直流电源。这些稳压电源必须有足够高的稳定性,才能保证高压输出高技术指标要求。其中,基准电压源和前置放大器K1的工作电源性能指标要求最高,电压调整率小于等于2×10-4,负载调整小于等于5×10-4,纹波电压有效值小于等于1mV,温度系数小于等于5×10-5℃-1。1.2流滤波器和调整管组成复合调整方案指直接调整和间接调整相结合的电源系统调整方案。直接调整是在高压回路内进行的直接调整方式。它的调整闭合环路由图1中的取样分压器、比较放大器(K1,K2,K3)、补偿网络Ⅰ、倍压整流滤波器和调整管组成。直接调整具有调整速度快,动态稳定性好的优点,可在高环路增益和具有交流负反馈的情况下不自激,从而有利于实现高静态精度的要求。间接调整是调整器件设置在低压侧的调整方式,调整闭合环路由取样分压器、比较放大器、补偿网络Ⅱ、跟随器、5kHz振荡器和倍压整流滤波电路等组成。间接调整通过调整5kHz正弦振荡器的输出幅度,进而使倍压整流滤波器的输出电压得到前级预稳,使直接调整环路中调整管有一个尽可能低的管压降设计值。这样既能改善系统性能,又能延长调整管的使用寿命。间接调整环路是一个大闭环系统,为防止自激,保证系统的稳定性,间接调整环路增益应适当低。1.3比较放大器网络特点复合补偿是指集中补偿和分散补偿相结合的电路结构,其目的是为了解决因直接调整环路的高增益设计而带来的动态稳定问题。集中补偿是通过将放大器K2设计为PID放大器而实现的,电路见图2所示。为了减小各参数之间的影响,使C2>>C1,R1>>R2,PID放大器的传输函数为:G1(s)≈(T1s+1)(T2s+1)T0s(1)G1(s)≈(Τ1s+1)(Τ2s+1)Τ0s(1)式中:T1,T2为微分时间常数,T1=C1R1,T2=C2R2;T0为积分时间常数,T0=C1R0。分散补偿是指在比较放大器的输出端(K2的输出端)分别对两调整环路设置两个电路结构相同,但参数不同的补偿网络,其电路如图3所示。网络的传输函数为:G2(s)≈T1´s+1T2´s+1(2)G2(s)≈Τ1´s+1Τ2´s+1(2)式中:T1′为微分时间常数,T1′=R2C;T2′为积分时间常数,T2′=(R1+R2)C。1.4高压分散器通常,高压电源均采用高效率的饱和式逆变器,但它不适合高精度高压稳压电源,原因是输出波形中有大的尖峰脉冲,会使高压输出呈现出很大的纹波电压。为此,采用5kHz正弦振荡器,将700V直流电压变换为振幅高达320V的5kHz正弦电压。正弦电压再经升压变压器升压、倍压整流滤波器后,可获得33kV的高电压。由于正弦振荡器输出不存在尖峰脉冲,这就有效地降低了高压输出中的纹波电压。1.5平衡器输出幅度和相位均可控的工频电压为了抑制高压电源输出工频纹波,采用了交流平衡器,它可输出幅度和相位均可调的工频电压。该电压经比较放大器放大后,传递到电源输出端,可有效地抑制抵消输出端的工频纹流电压。1.6采用admm控制器直流通道由K1,K2构成,交流通道由K3,K2构成。采用双通道放大器可兼顾直流增益和交流增益的不同要求,使电源系统既有高的静态精度和好的动态稳定性,又能有效地降低输出纹波电压。2提高稳定性的措施稳压电源的精密度和稳定性主要取决于基准电压的精度、比较放大器的增益高低及其稳定性、取样分压比的稳定性。为此,采取了以下针对性措施。2.1输出电压分析由于电源系统采取前级交流预稳和直流预稳,并且比较放大器前置级和基准电压源都置于电磁屏蔽恒温槽内,再加上采样电阻采用绝缘油冷脚,因此输出电压受输入工频电压和温度的影响可以忽略。这样放大器的增益仅由电源的负载效应核算即可。根据直接调整环路Ⅰ,可得图4所示的信号流图。图中:Rd为调整管内阻;Ri为整流滤波器内阻;ΔUo为输出电压变化量;μ为调整管放大系数;n为取样分压比;K为比较放大器增益绝对值;P为补偿网络的衰减系数;ΔUg为调整管栅阴电压变化量;ΔIh为负载电流变化量;ΔId为整流电路输出电流变化量;图4中,μKnP≫μ≫1,Ri≫Rd。由图4可推出:K≈Ri|ΔIh|μnPUo|ΔUo|/Uo(3)Κ≈Ri|ΔΙh|μnΡUo|ΔUo|/Uo(3)设计要求在|ΔIh|=100μA时,|ΔUoUo|≤2×10−5,K|ΔUoUo|≤2×10-5,Κ应满足下式:K≥Ri|ΔIh|2×10−5μnP|Uo|(4)Κ≥Ri|ΔΙh|2×10-5μnΡ|Uo|(4)由式(4)计算出输出电压为20kV的K值应满足K≥3×105。为留有余量,K的设计值为6×105。2.2运算放大器电路对多级直流放大器来说,零点漂移、噪声系数、增益稳定性等重要技术指标主要由前置级决定,并且前置级增益越高,其决定作用就越强。因此前置级放大器的精密度对比较放大器的精度起决定作用。前置放大器电路如图5所示。电路中运算放大器选用目前精密极高的斩波稳零集成运放ICL7650,其失调电压温漂小于等于0.01μV/℃,输入失调电流大于等于0.5pA,开环增益大于等于5×106,共模抑制比小于等于1×106。电路所用电阻均用精度为0.01%的Rx700.5W型高精密电阻。前置级增益设定值应尽可能高,设定值为2×104。把前置级电路置于电磁屏蔽恒温槽内,以减小增益温漂和电磁干扰。2.3噪声特性噪声采用REF102型高精度电压基准源,其输出电压10V,温漂小于等于2.5PPM/℃,长时间稳定为10PPM/100h,在0.1～10kHz频段内,噪声电压小于等于6μV。对REF102的外围电路进行严格的低温漂、低噪声设计,并将整个电压基准电路设置在电磁屏蔽恒温槽内,进一步减小基准电压的温漂和电磁干扰。2.4分压器高压端电阻的制作取样分压器的高压臂电阻全部选用4MΩ,2W的Rx70型精密电阻,并将其全部镶入密封的有机玻璃圆筒内,再把圆筒放入绝缘油箱内。低压臂电阻选用0.5W的Rx70型精密电阻。低压臂电阻全部放入电磁屏蔽恒温槽内。分压器高压端电阻的电晕放电将严重影响分压比的稳定性和可靠性。为防止分压器电晕放电发生,在分压器的高压端装有直径为400mm,表面光洁度在▽7以上的椭圆球,使高压端的最大场强小于2.6kV/cm。这一措施,切实有效地消除了电晕放电发生,保证了分压比的稳定性。3电子束曝光机电子枪的内容分析测试电路如图6所示。图中负载电阻RL的电流用来模拟电子束曝光机电子枪的束流。调整RL可调节高压电源负载电流。μA表用来检测电源负载电流;自耦变压器用来调整设定高压电源工频输入电压。3.1指标测试(1)纹波电压的测量电源输入电压Ei维持220V不变,在额定负载电流100μA情况下,高压输出经过0.035μF,35kV的高压电容隔直后,其交流分量耦合到10MΩ电阻上,用LM400型示波器测量其上的纹波电压。纹波的主要成份为5kHz分量,其次是50Hz分量。考虑高压电容的容抗以及示波器的输入阻抗,根据上述情况可由测得的4MΩ上的纹波电压换算出输出纹波系数。(2)高压分压器分压过程中低值电压的测量维持额定负载电流100μA不变,输入工频电压Ei改变±10%。输出高压经分压器分压得一低值电压。用7位半数字电压表HD3455A测量这一低值电压。由此可换算出电压调整率。(3)负载调整率的测量维持输入的工频电源电压Ei为220V不变,改变负载电流100μA,用数字电压表测量分压器的输出电压,由此换算出负载调整率。(4)长期稳定性的测量维持工频输入电压不变和额定负载电流不变。用数字电压表HD3455A连续测量9h,由此测算出长时间稳定度。3.2负载调整率vd输出电压:20kV,25kV,30kV。输出电流:额定值100μA,最大值300μA。电压调整率(～220V+10%):20kV:≤3.5×106;25kV:≤2×106;30kV:≤3×106。负载调整率(负载电流变化100μA):20kV:≤2×106;25kV:≤4×106;30kV:≤3×106。纹波系数(负载电流为100μA):U˜P−P/Uo≤5×10−6U˜Ρ-Ρ/Uo≤5×10-6长期稳定度(负载电流为100μA):≤2.5×105/h;≤4×105/4h。3.3实际应用效果高压电源给电子束曝光机电子枪提供加速电压。高压输出的正级与电子枪阳极相接、负极与电子枪阴极相接。投入实际应用1年多以来,性能稳定,效果良好,提高了电子束曝光机的制版精度。对于4mm×4mm的扫描场,因高压电源波动引起的扫描场波动仅有0.01μm,精度可达0.