高壓穩(wěn)壓電源的設(shè)計與應(yīng)用

高壓穩(wěn)壓電源的設(shè)計與應(yīng)用

由于電子束暴露裝置的高壓電源波動，對曝光裝置的光束流、光束直徑和掃描尺寸有直接影響。因此，提高壓電源的穩(wěn)定性和可靠性，減少壓電源的波形，是電子束發(fā)布圖形的高精度步驟。為了滿足新型電子束曝光機(jī)對高壓電源高精度的要求,在電源系統(tǒng)的設(shè)計中,采用了直接調(diào)整和間接調(diào)整相結(jié)合的系統(tǒng)調(diào)整方案,還采用了集中補償和分散補償相結(jié)合的系統(tǒng)補償方式,對關(guān)鍵技術(shù)采取了針對性的有效措施,研制出了輸出電壓高達(dá)30kV的精密高壓穩(wěn)壓電源。1主要設(shè)計特點30kV精密高壓電源原理框圖如1所示。主要設(shè)計特點體現(xiàn)在以下幾個方面。1.1變壓器穩(wěn)定性分析如圖1所示,220V工頻電壓經(jīng)穩(wěn)壓變壓器交流預(yù)穩(wěn)壓后再給高壓電源系統(tǒng)各單元電路進(jìn)行交流供電。穩(wěn)壓變壓器的電壓調(diào)整率小于等于1%,負(fù)載穩(wěn)定度小于等于2%,它對甚低頻、音頻和高頻干擾都有比較強(qiáng)的抑制作用。穩(wěn)壓變壓器還有過載保護(hù)特性,當(dāng)輸出電流達(dá)到保護(hù)值時,輸出電壓急聚下降。穩(wěn)壓變壓器的采用,對電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性和可靠性起到重要的保證作用。本電源系統(tǒng)有5個前級穩(wěn)壓電源,分別為各相應(yīng)單元電路提供直流電源。這些穩(wěn)壓電源必須有足夠高的穩(wěn)定性,才能保證高壓輸出高技術(shù)指標(biāo)要求。其中,基準(zhǔn)電壓源和前置放大器K1的工作電源性能指標(biāo)要求最高,電壓調(diào)整率小于等于2×10-4,負(fù)載調(diào)整小于等于5×10-4,紋波電壓有效值小于等于1mV,溫度系數(shù)小于等于5×10-5℃-1。1.2流濾波器和調(diào)整管組成復(fù)合調(diào)整方案指直接調(diào)整和間接調(diào)整相結(jié)合的電源系統(tǒng)調(diào)整方案。直接調(diào)整是在高壓回路內(nèi)進(jìn)行的直接調(diào)整方式。它的調(diào)整閉合環(huán)路由圖1中的取樣分壓器、比較放大器(K1,K2,K3)、補償網(wǎng)絡(luò)Ⅰ、倍壓整流濾波器和調(diào)整管組成。直接調(diào)整具有調(diào)整速度快,動態(tài)穩(wěn)定性好的優(yōu)點,可在高環(huán)路增益和具有交流負(fù)反饋的情況下不自激,從而有利于實現(xiàn)高靜態(tài)精度的要求。間接調(diào)整是調(diào)整器件設(shè)置在低壓側(cè)的調(diào)整方式,調(diào)整閉合環(huán)路由取樣分壓器、比較放大器、補償網(wǎng)絡(luò)Ⅱ、跟隨器、5kHz振蕩器和倍壓整流濾波電路等組成。間接調(diào)整通過調(diào)整5kHz正弦振蕩器的輸出幅度,進(jìn)而使倍壓整流濾波器的輸出電壓得到前級預(yù)穩(wěn),使直接調(diào)整環(huán)路中調(diào)整管有一個盡可能低的管壓降設(shè)計值。這樣既能改善系統(tǒng)性能,又能延長調(diào)整管的使用壽命。間接調(diào)整環(huán)路是一個大閉環(huán)系統(tǒng),為防止自激,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,間接調(diào)整環(huán)路增益應(yīng)適當(dāng)?shù)汀?.3比較放大器網(wǎng)絡(luò)特點復(fù)合補償是指集中補償和分散補償相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu),其目的是為了解決因直接調(diào)整環(huán)路的高增益設(shè)計而帶來的動態(tài)穩(wěn)定問題。集中補償是通過將放大器K2設(shè)計為PID放大器而實現(xiàn)的,電路見圖2所示。為了減小各參數(shù)之間的影響,使C2>>C1,R1>>R2,PID放大器的傳輸函數(shù)為:G1(s)≈(T1s+1)(T2s+1)T0s(1)G1(s)≈(Τ1s+1)(Τ2s+1)Τ0s(1)式中:T1,T2為微分時間常數(shù),T1=C1R1,T2=C2R2;T0為積分時間常數(shù),T0=C1R0。分散補償是指在比較放大器的輸出端(K2的輸出端)分別對兩調(diào)整環(huán)路設(shè)置兩個電路結(jié)構(gòu)相同,但參數(shù)不同的補償網(wǎng)絡(luò),其電路如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)為:G2(s)≈T1′s+1T2′s+1(2)G2(s)≈Τ1′s+1Τ2′s+1(2)式中:T1′為微分時間常數(shù),T1′=R2C;T2′為積分時間常數(shù),T2′=(R1+R2)C。1.4高壓分散器通常,高壓電源均采用高效率的飽和式逆變器,但它不適合高精度高壓穩(wěn)壓電源,原因是輸出波形中有大的尖峰脈沖,會使高壓輸出呈現(xiàn)出很大的紋波電壓。為此,采用5kHz正弦振蕩器,將700V直流電壓變換為振幅高達(dá)320V的5kHz正弦電壓。正弦電壓再經(jīng)升壓變壓器升壓、倍壓整流濾波器后,可獲得33kV的高電壓。由于正弦振蕩器輸出不存在尖峰脈沖,這就有效地降低了高壓輸出中的紋波電壓。1.5平衡器輸出幅度和相位均可控的工頻電壓為了抑制高壓電源輸出工頻紋波,采用了交流平衡器,它可輸出幅度和相位均可調(diào)的工頻電壓。該電壓經(jīng)比較放大器放大后,傳遞到電源輸出端,可有效地抑制抵消輸出端的工頻紋流電壓。1.6采用admm控制器直流通道由K1,K2構(gòu)成,交流通道由K3,K2構(gòu)成。采用雙通道放大器可兼顧直流增益和交流增益的不同要求,使電源系統(tǒng)既有高的靜態(tài)精度和好的動態(tài)穩(wěn)定性,又能有效地降低輸出紋波電壓。2提高穩(wěn)定性的措施穩(wěn)壓電源的精密度和穩(wěn)定性主要取決于基準(zhǔn)電壓的精度、比較放大器的增益高低及其穩(wěn)定性、取樣分壓比的穩(wěn)定性。為此,采取了以下針對性措施。2.1輸出電壓分析由于電源系統(tǒng)采取前級交流預(yù)穩(wěn)和直流預(yù)穩(wěn),并且比較放大器前置級和基準(zhǔn)電壓源都置于電磁屏蔽恒溫槽內(nèi),再加上采樣電阻采用絕緣油冷腳,因此輸出電壓受輸入工頻電壓和溫度的影響可以忽略。這樣放大器的增益僅由電源的負(fù)載效應(yīng)核算即可。根據(jù)直接調(diào)整環(huán)路Ⅰ,可得圖4所示的信號流圖。圖中:Rd為調(diào)整管內(nèi)阻;Ri為整流濾波器內(nèi)阻;ΔUo為輸出電壓變化量;μ為調(diào)整管放大系數(shù);n為取樣分壓比;K為比較放大器增益絕對值;P為補償網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù);ΔUg為調(diào)整管柵陰電壓變化量;ΔIh為負(fù)載電流變化量;ΔId為整流電路輸出電流變化量;圖4中,μKnP?μ?1,Ri?Rd。由圖4可推出:K≈Ri|ΔIh|μnPUo|ΔUo|/Uo(3)Κ≈Ri|ΔΙh|μnΡUo|ΔUo|/Uo(3)設(shè)計要求在|ΔIh|=100μA時,|ΔUoUo|≤2×10?5,K|ΔUoUo|≤2×10-5,Κ應(yīng)滿足下式:K≥Ri|ΔIh|2×10?5μnP|Uo|(4)Κ≥Ri|ΔΙh|2×10-5μnΡ|Uo|(4)由式(4)計算出輸出電壓為20kV的K值應(yīng)滿足K≥3×105。為留有余量,K的設(shè)計值為6×105。2.2運算放大器電路對多級直流放大器來說,零點漂移、噪聲系數(shù)、增益穩(wěn)定性等重要技術(shù)指標(biāo)主要由前置級決定,并且前置級增益越高,其決定作用就越強(qiáng)。因此前置級放大器的精密度對比較放大器的精度起決定作用。前置放大器電路如圖5所示。電路中運算放大器選用目前精密極高的斬波穩(wěn)零集成運放ICL7650,其失調(diào)電壓溫漂小于等于0.01μV/℃,輸入失調(diào)電流大于等于0.5pA,開環(huán)增益大于等于5×106,共模抑制比小于等于1×106。電路所用電阻均用精度為0.01%的Rx700.5W型高精密電阻。前置級增益設(shè)定值應(yīng)盡可能高,設(shè)定值為2×104。把前置級電路置于電磁屏蔽恒溫槽內(nèi),以減小增益溫漂和電磁干擾。2.3噪聲特性噪聲采用REF102型高精度電壓基準(zhǔn)源,其輸出電壓10V,溫漂小于等于2.5PPM/℃,長時間穩(wěn)定為10PPM/100h,在0.1～10kHz頻段內(nèi),噪聲電壓小于等于6μV。對REF102的外圍電路進(jìn)行嚴(yán)格的低溫漂、低噪聲設(shè)計,并將整個電壓基準(zhǔn)電路設(shè)置在電磁屏蔽恒溫槽內(nèi),進(jìn)一步減小基準(zhǔn)電壓的溫漂和電磁干擾。2.4分壓器高壓端電阻的制作取樣分壓器的高壓臂電阻全部選用4MΩ,2W的Rx70型精密電阻,并將其全部鑲?cè)朊芊獾挠袡C(jī)玻璃圓筒內(nèi),再把圓筒放入絕緣油箱內(nèi)。低壓臂電阻選用0.5W的Rx70型精密電阻。低壓臂電阻全部放入電磁屏蔽恒溫槽內(nèi)。分壓器高壓端電阻的電暈放電將嚴(yán)重影響分壓比的穩(wěn)定性和可靠性。為防止分壓器電暈放電發(fā)生,在分壓器的高壓端裝有直徑為400mm,表面光潔度在▽7以上的橢圓球,使高壓端的最大場強(qiáng)小于2.6kV/cm。這一措施,切實有效地消除了電暈放電發(fā)生,保證了分壓比的穩(wěn)定性。3電子束曝光機(jī)電子槍的內(nèi)容分析測試電路如圖6所示。圖中負(fù)載電阻RL的電流用來模擬電子束曝光機(jī)電子槍的束流。調(diào)整RL可調(diào)節(jié)高壓電源負(fù)載電流。μA表用來檢測電源負(fù)載電流;自耦變壓器用來調(diào)整設(shè)定高壓電源工頻輸入電壓。3.1指標(biāo)測試(1)紋波電壓的測量電源輸入電壓Ei維持220V不變,在額定負(fù)載電流100μA情況下,高壓輸出經(jīng)過0.035μF,35kV的高壓電容隔直后,其交流分量耦合到10MΩ電阻上,用LM400型示波器測量其上的紋波電壓。紋波的主要成份為5kHz分量,其次是50Hz分量?？紤]高壓電容的容抗以及示波器的輸入阻抗,根據(jù)上述情況可由測得的4MΩ上的紋波電壓換算出輸出紋波系數(shù)。(2)高壓分壓器分壓過程中低值電壓的測量維持額定負(fù)載電流100μA不變,輸入工頻電壓Ei改變±10%。輸出高壓經(jīng)分壓器分壓得一低值電壓。用7位半數(shù)字電壓表HD3455A測量這一低值電壓。由此可換算出電壓調(diào)整率。(3)負(fù)載調(diào)整率的測量維持輸入的工頻電源電壓Ei為220V不變,改變負(fù)載電流100μA,用數(shù)字電壓表測量分壓器的輸出電壓,由此換算出負(fù)載調(diào)整率。(4)長期穩(wěn)定性的測量維持工頻輸入電壓不變和額定負(fù)載電流不變。用數(shù)字電壓表HD3455A連續(xù)測量9h,由此測算出長時間穩(wěn)定度。3.2負(fù)載調(diào)整率vd輸出電壓:20kV,25kV,30kV。輸出電流:額定值100μA,最大值300μA。電壓調(diào)整率(～220V+10%):20kV:≤3.5×106;25kV:≤2×106;30kV:≤3×106。負(fù)載調(diào)整率(負(fù)載電流變化100μA):20kV:≤2×106;25kV:≤4×106;30kV:≤3×106。紋波系數(shù)(負(fù)載電流為100μA):U?P?P/Uo≤5×10?6U?Ρ-Ρ/Uo≤5×10-6長期穩(wěn)定度(負(fù)載電流為100μA):≤2.5×105/h;≤4×105/4h。3.3實際應(yīng)用效果高壓電源給電子束曝光機(jī)電子槍提供加速電壓。高壓輸出的正級與電子槍陽極相接、負(fù)極與電子槍陰極相接。投入實際應(yīng)用1年多以來,性能穩(wěn)定,效果良好,提高了電子束曝光機(jī)的制版精度。對于4mm×4mm的掃描場,因高壓電源波動引起的掃描場波動僅有0.01μm,精度可達(dá)0.