【導讀】用于高壓應用的動力導軌通常需要低噪聲和緊負荷的線路調節。本文討論了“精度”和“準確度”是如何分開考慮的，以及它們在功率轉換器設計中通常是如何實現的。
用于高壓應用的動力導軌通常需要低噪聲和緊負荷的線路調節。本文討論了“精度”和“準確度”是如何分開考慮的，以及它們在功率轉換器設計中通常是如何實現的。
根據它們的正式定義，“準確”和“精確”這兩個術語在日常語言中并不總是準確無誤地使用。在科學界，它們確實有不同的含義，在評估設備性能或行動或測量結果時會仔細使用。“準確度”定義為動作或數量與“真實或可接受”值的接近程度，“精度”是指連續動作之間的接近程度。這兩個參數通常可以量化為百分比或絕對值的方差，但可以完全獨立。通常給出的例子是對目標進行射擊；如果所有物體都均勻的分布在周圍，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給出了這個想法。
圖1：準確度和精度之間的差異
作為一位射手只會對右上角感到滿意，但當環境是提供高壓電源導軌時，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內），但需要一致性，這意味著高精度。
當需要高準確度和高精度時
有一些電源應用需要在負載和線路變化、多個單元、時間和不斷變化的環境條件下精確和準確的輸出。例如，一個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、質譜儀和醫學成像的光電倍增管（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清晰度，因此其絕對值（準確度）和測量在環境溫度變化和校準間隔之間的一致性（精度）是非常重要的。
質譜儀同樣需要高性能的電源來進行有效的測量。電源輸出電壓的靜態值和長期穩定性在這些應用中至關重要，但任何疊加的噪聲也可能是有問題的，例如“淹沒”PMT信號。此外，使用不同設備以及隨時間和溫度變化（精度）的可重復性對于一致和有意義的結果至關重要。高壓電源通常與高靈敏度的測量和操作相關，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，幾十年來已被終端用戶接受。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%。這些價值源于在電源設計中使用成本低且易于獲得的實用組件，這對制造商和用戶都有好處。例如，輸出設置電壓由內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，即使是標準產品的組件通常也必須在+/-0.5%以內，因此比通常的+/-1%類型更貴。在邏輯級電壓下，這會產生以毫伏為單位的偏差，但如果輸出為2kV，則為數十伏，這對敏感設備來說是一個問題。
對于電子束顯微鏡或電子束光刻等高壓應用，線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、實驗室質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現高絕緣和低噪聲也特別重要。為了實現低噪聲，通常需要仔細放置多個屏幕，而屏幕本身也帶來了隔離和絕緣方面的挑戰。甚至繞組的“開始”和“結束”的相對位置對于實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布線必須在沒有銳角的情況下進行，以避免高電場強度點導致擊穿。在極高的電壓下，PCB材料本身需要仔細考慮，FR4通常被BT環氧樹脂、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強度，因此必須謹慎實施。環氧樹脂和有機硅材料可以在機械強度、防潮性、耐化學性、附著力、返工能力和溫度范圍等方面進行不同的權衡。在實踐中，類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品無法滿足市場對具有高可靠性和長壽命的小型、冷運行產品的需求。此外，還需要對短路、過載和過電壓進行保護，同時通常需要對輸出狀態進行監測，還需要對從零到全額定值的輸出電壓和電流限制進行遠程編程。
專家們已經完成了這項艱巨的工作
專業的電源公司已經完成了艱苦的工作，并提供了滿足高電壓要求的標準產品。例如，XP Power的HCP產品（圖2）可在350W時提供高達300kV的電壓，具有低至1ppm的紋波和噪聲，0-100%額定負載的線路調節為0.001%/10ppm，負載調節為0.02%/200ppm。通過其“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產品具有低至50ppm的紋波和噪聲，線路調節為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，實現高電壓應用所需的精度和準確度是一個艱巨的挑戰。購買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險和縮短產品上市時間。
（來源：XP Power，作者：XP Power產品營銷總監Hafiz Khalid）
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