陳振生，胡詠梅，李長(zhǎng)青

（1．山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 電工電子實(shí)訓(xùn)中心，山東 濟(jì)南 250200；2．山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院 ，山東 濟(jì)南 250061）

電子束曝光機(jī)的高壓電源波動(dòng)直接影響制版精度，提高高壓電源的穩(wěn)定度和可靠性是電子束曝光機(jī)由實(shí)驗(yàn)階段走向?qū)嵱秒A段的必經(jīng)之路[1]。

為滿足我校研制的新型電子束曝光機(jī)對(duì)高壓電源技術(shù)指標(biāo)的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)和研制了最高輸出可達(dá)30 kV的精密高壓穩(wěn)壓電源。在電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了直接調(diào)整和間接調(diào)整相結(jié)合的復(fù)合調(diào)整方案，采用了集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償相結(jié)合的系統(tǒng)補(bǔ)償方式，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)采取了針對(duì)性的有效措施。通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)際工作運(yùn)行，證明該電源系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠，為電子束曝光機(jī)制版精度的提高提供了必備條件。

圖1 30 kV精密高壓電源原理框圖Fig．1 Fundamental diagram of 30 kV precision high voltage power supply

1 電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，其主要特點(diǎn)如下所述。

1.1 采用交流穩(wěn)壓器進(jìn)行前級(jí)交流預(yù)穩(wěn)

如圖1所示，220 V工頻電壓經(jīng)穩(wěn)壓變壓器交流預(yù)穩(wěn)壓后，再給電源系統(tǒng)各單元電路交流供電。穩(wěn)壓變壓器具有交流預(yù)穩(wěn)、抗干擾、抑制過(guò)載電流和輸出短路保護(hù)等功能，對(duì)電源的穩(wěn)定性和可靠性有重要作用。穩(wěn)壓變壓器的電壓調(diào)整率≤1%，負(fù)載穩(wěn)定度≤2%。

1.2 采用5 kHz正弦振蕩器作為逆變器

該電源系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是高精度、高穩(wěn)定性、低紋波和低漂移。通常高壓電源采用飽和式逆變器，其優(yōu)點(diǎn)是功耗低，但存在輸出方波疊加高幅度尖峰脈沖的缺點(diǎn)，從而使輸出高壓中出現(xiàn)很大紋波[2]。為滿足低紋波輸出的設(shè)計(jì)要求，設(shè)置了5 kHz正弦振蕩器作為該電源系統(tǒng)的逆變器，它把700 V直流電壓變換為振幅可達(dá)320 V的5 kHz正弦電壓。由于正弦振蕩器輸出不存在尖峰脈沖，所以有效地降低了輸出紋波。振蕩器的振蕩頻率越高，輸出紋波越小，并且便于升壓變壓器的小型化設(shè)計(jì)，在兼顧振蕩頻率穩(wěn)定的情況下，振蕩頻率設(shè)計(jì)為5 kHz。

1.3 采用雙閉環(huán)調(diào)整

為實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的要求，該電源系統(tǒng)采取了雙環(huán)閉調(diào)整。調(diào)整閉環(huán)I由圖1中的取樣分壓器、比較放大器（由K1、K2、K3組成）、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)I、倍壓整流濾波器和調(diào)整元件組成，這是在高壓回路內(nèi)采用的直接調(diào)整方式。直接調(diào)整具有調(diào)整速度快，動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓性好等優(yōu)點(diǎn)，可在高環(huán)路增益的情況下不自激，為提高電源的靜態(tài)精度提供了有利條件[3]。調(diào)整閉環(huán)Ⅱ由取樣分壓器、比較放大器（由 K1、K2、K3組成）、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Ⅱ、跟隨器、5 kHz振蕩器、升壓變壓器和倍壓整流濾波器組成，這是調(diào)整元件設(shè)在低壓側(cè)的間接調(diào)整，其作用是對(duì)整流濾波器的輸出進(jìn)行前期直流預(yù)穩(wěn)，使調(diào)整閉環(huán)I中的調(diào)整元件壓降有一個(gè)盡可能低的設(shè)計(jì)值，這既提高了電源的穩(wěn)定度，又延長(zhǎng)了調(diào)整元件的壽命。

1.4 采取集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償相結(jié)合

該電源系統(tǒng)是兩級(jí)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 而且環(huán)路增益設(shè)計(jì)得足夠高以滿足靜態(tài)精度的要求，這就存在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的問(wèn)題。為解決這一矛盾，采取了集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償相結(jié)合的補(bǔ)償方式。集中補(bǔ)償通過(guò)把圖I中的放大器K2設(shè)計(jì)為PID放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路如圖2所示。為了減少各參數(shù)之間的影響，使 C2＞C1，R1＞R2，電路的傳輸函數(shù)為[4]：

式中：T1、T2為微分時(shí)間常數(shù)，T1=C1R1，T2=C2R2；T0為積分時(shí)間常數(shù)，T0=C1R0。

圖2 PID放大器原理圖Fig．2 Fundamental diagram of PID amplifier

分散補(bǔ)償由圖1中的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Ⅰ和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Ⅱ來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分別對(duì)兩調(diào)整環(huán)路進(jìn)行相位補(bǔ)償，以保證電源系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。兩補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)相同，但電路參數(shù)不同，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其傳輸函數(shù)為：

式中：T′1=R2C，是微分時(shí)間常數(shù)；T′2=（R1+R2）C，是積分時(shí)間常數(shù)。

圖3 分散補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig．3 Network of dispersed compensation

1.5 比較放大器設(shè)計(jì)為雙通道放大器

直流通道由圖1中的K1和K2組成，交流通道由K3和K2組成，這樣可兼顧直流增益和交流增益的不同要求，電源系統(tǒng)的環(huán)路增益在低頻段很高，而在高頻段相對(duì)很低，這樣便于處理高靜態(tài)精度和高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的矛盾，并有利于低紋波輸出。

1.6 采用交流平衡器

通常高壓穩(wěn)壓電源的紋波電壓幅度主要由工頻電壓分量決定，難以達(dá)到高精度穩(wěn)壓電源對(duì)輸出低紋波的要求。為了抑制高壓電源輸出的工頻紋波電壓，采用了交流平衡器。圖1中的交流平衡器的輸出為幅度和相位均可調(diào)的工頻交流電壓，該交流電壓經(jīng)比較放大器放大后傳遞到電源輸出端，大大抑制了輸出電壓中的工頻紋波。

2 高穩(wěn)定度設(shè)計(jì)

決定穩(wěn)壓電源穩(wěn)定度的關(guān)鍵因素是基準(zhǔn)電壓源精度、比較放大器增益及其穩(wěn)定性、取樣分壓比穩(wěn)定性[5]。為此進(jìn)行了如下針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2.1 比較放大器的設(shè)計(jì)

1）增益核算

由于該電源系統(tǒng)采取了前級(jí)交流預(yù)穩(wěn)和直流預(yù)穩(wěn)，所用的比較放大器是高精度高穩(wěn)定放大器，基準(zhǔn)電壓源是高精度基準(zhǔn)源，并且比較放大器和基準(zhǔn)電壓源置于電磁屏蔽恒溫槽內(nèi)，取樣分壓器電阻采用絕緣油冷卻，所以輸入工頻電壓和環(huán)境溫度對(duì)輸出電壓的影響可忽略，輸出電壓的變化主要由輸出電流的變化決定。為此，采用電源系統(tǒng)的負(fù)載效應(yīng)來(lái)核算比較放大器的增益。

該電源系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)調(diào)整，調(diào)整閉環(huán)Ⅰ是決定電源穩(wěn)定度的主要因素，為此根據(jù)調(diào)整閉環(huán)Ⅰ來(lái)核算比較放大器的增益。由調(diào)整閉環(huán)Ⅰ可得如圖4所示的信號(hào)流圖[3]。圖中，Rd為調(diào)整元件內(nèi)阻，Ri為由倍壓整流濾波器內(nèi)阻，ΔU0為輸出電壓變化量，μ為調(diào)整元件的放大系數(shù)，n為取樣分壓比，K為比較放大器的增益絕對(duì)值，P為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)衰減系數(shù)，ΔUg為調(diào)整元件柵陰電壓變化量，ΔIh為負(fù)載電流變化量。滿足μ knp＞μ＞1，Ri＞Rd，由圖 4 可推出 K 的表達(dá)式為

圖4 調(diào)整閉環(huán)Ⅰ的信號(hào)流圖Fig．4 Signal flowchart of regulation loopⅠ

式中Uo為電源輸出電壓。設(shè)計(jì)要求在時(shí)，所以 K 應(yīng)滿足

輸出電壓分 30、25、20 kV 3檔。由（4）式可求出 3檔輸出對(duì)K的要求。K的實(shí)際設(shè)計(jì)值為5×105，滿足各檔輸出對(duì)K的要求，加之還有調(diào)整閉環(huán)Ⅱ的調(diào)整作用，使K具有足夠大的裕量。

2）低漂移低噪聲設(shè)計(jì)

要得到高壓電源低漂移和低紋波的高精度設(shè)計(jì)，必須設(shè)計(jì)低漂移、低噪聲比較放大器。對(duì)于多級(jí)直流放大器，其漂移、噪聲以及增益的穩(wěn)定性主要由前置級(jí)決定，前置級(jí)增益越高，決定作用越強(qiáng)[6]。圖1中的放大器K1為比較放大器的前置級(jí)，其具體電路如圖5所示。電路中的運(yùn)放選用高精度低漂移低噪聲運(yùn)放ICL7650[7]，電阻均用高精密低噪聲線繞電阻 RX70-0．5 型，電阻 RP滿足補(bǔ)償條件 Rp=RF∥Rf。

圖5 前置級(jí)直流放大器Fig．5 First stage amplifier

對(duì)于圖5所示放大器可推導(dǎo)出放大器的等效輸入漂移電壓ΔV sr為[8]

式中，ΔT 為溫度變化量，?V0S/?T 和 ?I0S/?T 分別為運(yùn)放失調(diào)電壓和失調(diào)電流的溫度系數(shù)，為閉環(huán)增益絕對(duì)值，即由（6）式可見，要減小漂移，要大，ΔT要小。取RF=5MΩ，Rf=500Ω。為減小溫度變化量ΔT，把前置放大器K1置于恒溫槽內(nèi)。為進(jìn)一步降低放大器噪聲，對(duì)恒溫槽進(jìn)行可靠的電磁屏蔽設(shè)計(jì)。

2.2 采用高精度電壓基準(zhǔn)源

采用REF102型高精度電壓基準(zhǔn)源，其輸出電壓為10 V，溫漂≤2．5 ppm／℃， 長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定度為 10 ppm/100 h， 在 0．1～10 kHz的頻率范圍內(nèi)噪聲電壓為6μVP-P[9]，并對(duì)REF102的外圍電路進(jìn)行精心的低噪聲低漂移設(shè)計(jì)，以保證基準(zhǔn)電壓源的高度穩(wěn)定性。將基準(zhǔn)電壓源設(shè)置在電磁屏蔽恒溫槽內(nèi)，以減少基準(zhǔn)電壓的溫漂和電磁干擾。

2.3 保證取樣分壓比的高穩(wěn)定性

取樣分壓器的高壓臂電阻全部選用4 MΩ、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，并把它們?nèi)糠湃腚姶牌帘魏銣夭蹆?nèi)。

分壓器的電暈放電將影響分壓比的穩(wěn)定性，進(jìn)而使高壓輸出產(chǎn)生嚴(yán)重波動(dòng)。因此防止分壓器產(chǎn)生電暈放電是保證高壓輸出穩(wěn)定必不可缺的重要技術(shù)措施。為此，分壓器的高壓端裝有直徑為400mm、表面光潔度在Δ7以上的橢圓球，使高壓端的最大場(chǎng)強(qiáng)小于2．6 kV/cm。這一措施有效地消除了電暈放電，保證了分壓比的穩(wěn)定性。

2.4 保證前級(jí)穩(wěn)壓電源有足夠的精度

該電源系統(tǒng)共有5個(gè)前級(jí)直流穩(wěn)壓電源，它們分別給電源系統(tǒng)的各相關(guān)單元電路供電，這些穩(wěn)壓電源必須要有足夠高的穩(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)電壓源和前置級(jí)放大器K1的供電電源的技術(shù)指標(biāo)要求最高，是獨(dú)立專用直流電源，不對(duì)其他單元電路供電，其電壓調(diào)整率≤2×10-4，負(fù)載調(diào)整率≤5×10-4，紋波電壓有效值≤1 mV，溫度系數(shù)≤5×10-5/℃。

3 性能指標(biāo)測(cè)試及測(cè)試結(jié)果

3.1 性能指標(biāo)測(cè)試

1）紋波電壓的測(cè)試

測(cè)試電路如圖6（a）所示，圖中RH為輸出負(fù)載電阻，用來(lái)模擬電子槍工作時(shí)的電子束流。Ei為可調(diào)的工頻輸入電壓。Ei維持220 V不變，在額定負(fù)載下 （100μA）高壓輸出經(jīng)過(guò)35 kV、0．035μF的隔直電容將交流分量耦合到4 MΩ測(cè)量電阻上，用LM4000型示波器測(cè)量4 MΩ電阻上的紋波電壓。紋波電壓的主要分量是5 kHz分量，其次是50 Hz分量?？紤]高壓電容的容抗以及示波器的輸入阻抗，由測(cè)得的4MΩ電阻的紋波電壓再換算出輸出電壓紋波系數(shù)。

2）電壓調(diào)整率的測(cè)試

測(cè)試電路如圖6（b）所示。圖中Ei為電壓可調(diào)的工頻交流輸入電壓，分壓器由精密電阻構(gòu)成﹐分壓比為1/3 000。在維持額定負(fù)載不變的情況下交流輸入電壓Ei改變±10%，由7位半數(shù)字電壓表HD3455A測(cè)量分壓器輸出電壓，由測(cè)量值可換算出輸出直流電壓。根據(jù)輸出電壓變化換算出電壓調(diào)整率。

圖6 性能參數(shù)測(cè)試電路Fig．6 Test circuit of performance index

3）負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試

測(cè)試電路如圖6（b）所示。維持交流輸入電壓Ei不變，負(fù)載電流由150μA上下變化100μA，由數(shù)字電壓表測(cè)量各種負(fù)載電流情況下的電壓。由測(cè)得結(jié)果計(jì)算出負(fù)載調(diào)整率

4）漂移的測(cè)試

測(cè)試電路如圖6（b）。維持交流輸入電壓及負(fù)載電流不變（室溫變化16～21℃）。用數(shù)字電壓表測(cè)量輸出電壓變化。連續(xù)測(cè)量9 h。由測(cè)量結(jié)果計(jì)算出輸出電壓的漂移，也就是輸出電壓的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3.2 測(cè)得的技術(shù)指標(biāo)

輸出電壓：20、25、30 kV

輸出電流：額定值100μA，最大值300μA

電壓調(diào)整率（～220 V±10%）

負(fù)載調(diào)整率（負(fù)載電流變化100μA）

紋波系數(shù)（負(fù)載電流為100μA）：

長(zhǎng)期穩(wěn)定度（負(fù)載電流為100μA）

3.3 高壓電源的應(yīng)用

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(jí)與電子槍陽(yáng)極相接、負(fù)極與電子槍陰極相接。投入實(shí)際應(yīng)用一年多以來(lái)，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(duì)于4×4mm的掃描場(chǎng)，因高壓電源波動(dòng)引起的掃描場(chǎng)波動(dòng)僅有0．01μm，精度可達(dá)0．3×10-5。由于加速電壓的長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，大大提高了電子束曝光機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的制版合格率。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）既采用直接調(diào)整與間接調(diào)整相結(jié)合，又采用集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)高壓穩(wěn)壓電源既有高靜態(tài)精度，又有高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的切實(shí)有效的設(shè)計(jì)方案。

2）對(duì)比較放大器的前置級(jí)、基準(zhǔn)電壓源和取樣分壓器的高精度設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)高壓電源高精密度的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

3）采用工頻交流平衡器、交流負(fù)反饋、前期交直流預(yù)穩(wěn)以及比較放大器低噪聲低漂移設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)低紋波輸出必不可少的措施。

[1]顧文琪．電子束曝光微納加工技術(shù)[M]．北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2004．

[2]周志敏，紀(jì)愛華．電磁兼容技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

[3]胡壽松 ．自動(dòng)控制原理[M]．北京：科學(xué)出版社，2007．

[4]丁天懷，李慶祥．測(cè)量控制與儀器儀表現(xiàn)代系統(tǒng)集成技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社， 2005．

[5]王增福．新編線性直流穩(wěn)壓電源[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

[6]蔡建新 ，張唯真．生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M]．北京：北京大學(xué)出版社，1997．

[7]張國(guó)雄．測(cè)控電路[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

[8]寇戈 ，蔣立平．模擬電路與數(shù)字電路[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008．

[9]楊振江，蔡德芳 ．新型集成電路使用指南與典型應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000．