概述
在質譜分析等精密分析應用中，設備需要精確指定和設計的高壓電源。
根據應用的不同，對光譜電源有不同的要求——需要一種基于解決方案的方法。
在同一設備中部署多個電源會帶來額外的挑戰。
我們分享如何解決質譜中高壓電源最常見的設計問題。
1. 電源以外的紋波降低
在質譜應用中，需要高壓電源以最小的紋波和噪聲提供高壓。在高壓 DC-DC 轉換器中，紋波頻率與電源的開關頻率有關。我們在產品數據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。為了進一步降低與開關頻率相關的輸出紋波，客戶可以使用額外的濾波組件。
它由并聯模式連接的電阻器和電容器組成。RC 低通濾波器設置截止頻率，允許較低頻率的信號通過，同時降低較高頻率的信號。
圖 1：低通 RC 濾波器
2. 設計 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，我們在此電路設置中選擇了 120kHz，即 威思曼 的 高壓模塊 C80N的開關頻率。
截止頻率應該與要過濾的頻率有足夠的差異，以允許對振蕩進行足夠的阻尼。
圖 2：低通 RC 濾波器的計算
我們選擇了一個 150kOhm 的電阻和一個 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. 測量：不帶低通 RC 濾波器 圖 4. 測量：使用低通 RC 濾波器
3. 設置級聯高壓電源
質譜中的高壓電源可能在與大地不同的電位下工作。這意味著一個電源“懸浮”在另一個電源的參考電位上。
懸浮在下邊電位上的檢測器就是這種布置的一個例子。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電壓。
如果是穩壓電源，這種電流隔離是由變壓器和其他設備實現的。下圖顯示了我們如何安排級聯高壓模塊。
圖 5：懸浮正高壓 圖 6：懸浮負高壓
4. 設計過零的雙極高壓電源
在電離子透鏡中，通常需要雙極高壓電源。在這些電光應用中，可能需要從負高壓擺動到正高壓，干凈地通過零。下圖顯示了實現這一目標的最簡單和最具成本效益的方法。
圖 7：雙極高壓配置
第一個模塊的輸出電壓設置為-1kV。第二個模塊的輸出可以參考這個-1kV。隔離的 2 kV 模塊在模塊上串聯設置，并在 0 至 2 kV 范圍內進行控制。
該模塊將產生一個可以從 -1 kV 到 +1 kV 線性控制的電壓，在從負到正的轉換過程中沒有明顯的非線性或不穩定性。
重要的是不要讓輸出部分在通電時懸空，因為輸出可能會靜電充電至高于隔離額定值的電壓——這可能會導致損壞。
這種方法避免了典型的現成雙極電源的費用和空間，為 OEM 設計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 0 并且每個值都可以精確調整，甚至接近于零。
圖 8. 測量：+1kV 至 -1kV 線性通過 0 圖 9. 測量：+1kV 至 -1kV 范圍內的輸出電壓
5. 保護高壓電源免受電壓瞬變
在質譜儀中，許多不同的電勢可能并列，因此高壓電源之間可能會發生相互作用。
我們建議具有多個高壓電源的系統包括每個電源的補充保護電路，以防止出現故障。
如果兩個輸出電壓不同但極性相同的高壓電源之間發生電弧，則標稱電壓較低的電源可能會因過電壓而損壞。
高壓電弧可能是具有較低標稱電壓的模塊標稱電壓的倍數，這可能導致電源故障。一個好的解決方案是在標稱電壓較低的高壓電源的輸出端增加一個高壓保護二極管。
圖 10：電壓瞬變保護
上圖顯示了如何通過高壓二極管保護具有較低輸出電壓的電源。
二極管應該有一個反向擊穿電壓，這是可以電弧到模塊的最高電壓。額定電流應高于系統中的最高電流。
6.保護高壓電源免受反向電流
當具有不同極性的高壓模塊之間存在電弧時，每個電源都會嘗試提供其額定電流。這會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，這可能導致過載和電源損壞。
為了避免這個問題，我們可以在高壓電源輸出端使用一個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：針對不同極性的保護 圖 12：針對不同極性的保護
摘要：準確度、可靠性和額外的特定功能是質譜中高壓的關鍵要求。現成的、具有成本效益的高壓 DC-DC 轉換器可以滿足這些目標。
