离子泵电源的制作方法

本实用新型涉及离子泵，具体涉及离子泵电源。

背景技术：

溅射离子泵广泛用于细长型的密闭真空系统，如粒子加速器、同步辐射光源、材料表面分析设备、光阴极电子枪等。离子泵电源是溅射离子泵关键部件，真空系统主抽溅射离子泵，其自身的极限真空度通常要求比装置设计真空度高半个数量级到一个数量级，因此，要研发10^-10Pa的溅射离子泵，离子泵电源的输出特性、重量、体积和纹波是关键因素。

离子泵电源有电阻分压式、漏磁变压器式。电阻分压式，其输出特性较差，没有反馈调节，最大输出电压随输入电压变化而变化。漏磁变压器式离子泵电源，工作稳定,重复性好，但重量、体积和纹波等方面还不能令人满意。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提出了一种体积小、重量轻，具有反馈调节的离子泵电源。

本实用新型的技术方案是：一种离子泵电源，包括电源输入端、降压式变换电路、推挽电路、倍压整流电路和电源输出端，所述电源输入端电连接所述降压式变换电路的输入端；所述降压式变换电路的输出端连接所述推挽电路的输入端；所述推挽电路的输出端连接所述倍压整流电路的输入端；所述倍压整流电路的输出端连接所述电源输出端；该离子泵电源还包括输出电流采集反馈电路、设有±12V电压输入端的反馈控制电路和隔离驱动变压器电路；所述输出电流采集反馈电路的输入端连接所述倍压整流电路的输出端；所述输出电流采集反馈电路的输出端连接所述反馈控制电路的输入端；所述反馈控制电路的输出端连接所述隔离驱动变压器电路的输入端；所述隔离驱动变压器电路的输出端连接所述降压式变换电路的输入端。

进一步优选的是，所述降压式变换电路包括漏极与所述电源输入端相连的第一MOS管；所述第一MOS管的源极和栅极均与所述隔离驱动变压器电路连接；所述第一MOS管的源极还连接有电感和接地的二极管。

更进一步优选的是，所述推挽电路的变压器线路包括两个并联的第一主线圈和第二主线圈，以及相对应的一个副线圈；所述第一主线圈的一端连接有第二MOS管的源极，第一主线圈的另一端连接所述电感；所述第二主线圈的一端连接有第三MOS管的源极，第二主线圈的另一端连接所述电感；所述第二MOS管和第三MOS管的漏极均接地；所述第二MOS管和第三MOS管的栅极均连接所述反馈控制电路；所述副线圈的两端连接所述倍压整流电路的输入端。

更进一步优选的是，所述输出电流采集反馈电路包括第一输入端连接所述副线圈的第一运算放大器；所述第一运算放大器的输出端为电流遥测输出端；所述第一运算放大器的第二输入端连接有第二运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的第一输入端连接有第三运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的第二输入端接地；所述第二运算放大器的第一输入端和输出端之间并联有电阻；所述第三运算放大器的第一输入端通过电阻连接所述倍压整流电路的输出端；所述第三运算放大器的第二输入端连接其输出端；所述第一运算放大器的第一输入端和所述第三运算放大器的第一输入端之间并联有一个接地的电阻旁路；所述第三运算放大器的输出端还通过一个电阻连接有第四运算放大器的第一输入端；所述第四运算放大器的输出端为电压遥测输出端；所述第四运算放大器的第二输入端连接其输出端。

更进一步优选的是，所述反馈控制电路包括型号为UC1823A的第一PWM控制器，所述控制器的输入、输出端分别连接有第五运算放大器的输出端和型号为ICL7667的第一驱动芯片；所述第五运算放大器的第一输入端连接所述第三运算放大器的输出端；所述第五运算放大器的第二输入端连接有作为差压调理用的第六运算放大器的输出端；所述第六运算放大器的两个输入端为压控输入端口；所述第五运算放大器的第一输入端连接和输出端还并联有第一旁路和一个设有电容的旁路；所述第一旁路上设有串联的电容和电阻；所述第一驱动芯片通过所述隔离驱动变压器电路连接所述降压式变换电路的栅极和源极；所述反馈控制电路还包括型号为UC1825A的第二PWM控制器；所述第二PWM控制器通过一个型号为ICL7667的第二驱动芯片分别连接所述第二MOS管和第三MOS管的漏极与栅极。

更进一步优选的是，在所述电源输入端和降压式变换电路之间还串联有输入过流保护电路、开关机控制电路、状态指示电路和滤波电路。

更进一步优选的是，所述输入过流保护电路包括两个输入端分别连接于第一电阻前后的第七运算放大器；所述开关机控制电路包括调理电路、三极管、第二电阻和第四MOS管；所述第四MOS管的漏极和栅极之间并联有电阻旁路和电容旁路；所述调理电路的输入端为该离子泵电源的开关机指令输入端口；所述调理电路的输出端连接所述三极管的基极；所述三极管的发射极接地；所述第二电阻的两端分别连接所述三极管的集电极和所述第四MOS管的栅极；所述状态指示电路包括串联的第四电阻和第五电阻，所述第五电阻接地；所述第四电阻和第五电阻之间连接有接地的指示灯；所述滤波电路包括两个串联的L形电感电容滤波电路；所述滤波电路的两端分别连接所述第四MOS管的源极和降压式变换电路；所述第四电阻连接于所述第四MOS管的源极和滤波电路之间；所述第一电阻的两端分别连接所述电源输入端和第四MOS管的漏极；所述第七运算放大器的输出端连接所述第二PWM控制器。

更进一步优选的是，所述推挽电路和倍压整流电路外层涂有一层灌封胶，可以有效防止外界盐雾腐蚀、酸碱腐蚀、潮湿水分、振动等因素的影响，是阻挡外界影响因素侵蚀电路板的第一道大门，也是减少电路板损坏，延长电路板寿命的一道保障。

本实用新型的有益效果是：

1、采用高频开关电源原理实现离子泵电源，使得离子泵体积更小、重量更轻。通过可靠性预计及评估从而保证电源电路设计的高可靠、进行元器件降额设计保证元器件工作余量、进行元器件选用控制保证元器件质量可靠，实现电源的高可靠，实现皮实耐用。通过隔离采样技术实现离子泵电源电流的采集，实现可检测nA级电流及nA级的分辨。以便能用离子泵电流表征10^-9Pa以上真空度。实现一个电源多个输出，可给多个同规格离子泵同时供电，降低了使用成本，更加经济耐用。

2、输出电压最大6KV，采用常规变压器直接升压方式难以保证绝缘要求，采用多级倍压方式，有效分散各器件电应力，同时可以降低变压器副边输出电压，简化变压器绕制难度。

3、结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。

4、通过电流采集反馈电路实现过流保护功能，有效的避免变压器偏磁问题，减少器件烧毁现象，提高可靠性。

5、在反馈控制电路中使用集成UC1823A控制器和UC1825A控制器输出PWM信号，有别与传统的PWM发生电路，使设计使用元件更少，有利于节约成本和减小体积，增强电源的维护性。

6、通过过流保护功能，减小损耗，提升响应速度；通过开关机控制电路控制离子泵电源的启和停，做到及时安全的电路控制；通过状态指示电路显示电路的状态，以做到在紧急情况下的及时处理，提高安全性能；通过滤波电路减小产生的噪声，保证系统的正常工作。

7、状态指示电路对电源工作状态，实时故障检测，对输出电压遥测，采集6KV开关机状态，实现故障的有效隔离，降低故障检测难度，提高可靠性；在保证电源整机效率的前提下，对第一MOS管器件电路设计中，尽量加大门极限流电阻，降低第一MOS管的开关速率，减少开关噪声，对寄生电感、寄生电容引起的振铃现象进行有效抑制；在离子泵电源中设计有两级LC差模滤波，电感采用高磁通磁芯，电容使用陶瓷电容，频率响应特性好，对传导和发射均有很好的效果。

8、可以有效防止外界盐雾腐蚀、酸碱腐蚀、潮湿水分、振动等因素的影响，是阻挡外界影响因素侵蚀电路板的第一道大门，也是减少电路板损坏，延长电路板寿命的一道保障。

附图说明

图1为本实用新型的离子泵电源的电路图；

图2为本实用新型的降压式变换电路和推挽电路结合部分的放大电路图；

图3为本实用新型的倍压整流电路的整体效果电路图；

图4为本实用新型的开关机控制电路和状态指示电路结合在一起时的整体电路图；

图5为本实用新型的输入过流保护电路的整体效果电路图；

图6为本实用新型的滤波电路的整体效果电路图。

附图标记：1-电源输入端，2-降压式变换电路，3-推挽电路，4-倍压整流电路，5-电源输出端，6-电流采集反馈电路，7-反馈控制电路，8-隔离驱动变压器电路，9-第一MOS管，10-第二MOS管，11-第三MOS管，12-第一运算放大器，13-第二运算放大器，14-第三运算放大器，15-第四运算放大器，16-第一PWM控制器，17-第五运算放大器，18-第一驱动芯片，19-第六运算放大器，20-第二PWM控制器，21-第二驱动芯片，22-输入过流保护电路，23-开关机控制电路，24-滤波电路，25-第七运算放大器，26-调理电路，27-三极管，28-所述第四MOS管。

具体实施方式

以下对本实用新型的技术方案进行详细的说明，应当说明的是，以下仅是本实用新型的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些应当都属于本实用新型的保护范围。

如图1～6所示，一种离子泵电源，包括电源输入端1、降压式变换电路2、推挽电路3、倍压整流电路4和电源输出端5，所述电源输入端1电连接所述降压式变换电路2的输入端；所述降压式变换电路2的输出端连接所述推挽电路3的输入端；所述推挽电路3的输出端连接所述倍压整流电路4的输入端；所述倍压整流电路4的输出端连接所述电源输出端5；该离子泵电源还包括输出电流采集反馈电路6、设有±12V电压输入端的反馈控制电路7和隔离驱动变压器电路8；所述输出电流采集反馈电路6的输入端连接所述倍压整流电路4的输出端；所述输出电流采集反馈电路6的输出端连接所述反馈控制电路的输入端；所述反馈控制电路7的输出端连接所述隔离驱动变压器电路8的输入端；所述隔离驱动变压器电路8的输出端连接所述降压式变换电路2的输入端。

离子泵电源输入端经降压式变换电路后，通过推挽电路变压器进行升压隔离，最后通过二极管电容组成的倍压整流处理后达到±6KV输出，±6KV经过限流电阻后直接使用高压导线引出。离子泵电源将输出电流信号转换成电压信号，送至输出电流采集反馈电路进行采集；采集范围为10uA～5mA。通过采集流过采样电阻产生的压差来采集输出电流，由于此采集电流还包括了流经内部分压电阻的电流，因此在设计上，通过运放放大器进行调理，减去此部分电流，以此反映精确的输出电流大小，以此达到反馈控制以调节占空比的目的，通过采集输出分压信号与系统控制给的电压信号误差值来调节反馈控制电路输出，误差放大器通过PID补偿网络环路中的相位和增益，通过调整降压式变换电路的导通时间来稳定输出。

采用高频开关电源原理实现离子泵电源，使得离子泵体积更小、重量更轻。通过可靠性预计及评估从而保证电源电路设计的高可靠、进行元器件降额设计保证元器件工作余量、进行元器件选用控制保证元器件质量可靠，实现电源的高可靠，实现皮实耐用。通过隔离采样技术实现离子泵电源电流的采集，实现可检测nA级电流及nA级的分辨。以便能用离子泵电流表征10^-9Pa以上真空度。实现一个电源多个输出，可给多个同规格离子泵同时供电，降低了使用成本，更加经济耐用。

进一步优选的是，所述降压式变换电路2包括漏极与所述电源输入端1相连的第一MOS管9；所述第一MOS管9的源极和栅极均与所述隔离驱动变压器电路8连接；所述第一MOS管9的源极还连接有电感和接地的二极管。

降压式变换电路工作在200KHz±10％频率，推挽电路始终工作在固定占空比的开环状态，通过控制降压式变换电路变换器MOSFET的开通与关断时间，使输出电压Vo满足Vo＝Vin×D的关系(其中Vin为输入电压，D为占空比)；利用推挽电路的变压器升压设计，最后经过倍压整流后，实现所需输出电压的目的。输出电压最大6KV，采用常规变压器直接升压方式难以保证绝缘要求，采用多级倍压方式，有效分散各器件电应力，同时可以降低变压器副边输出电压，简化变压器绕制难度。

更进一步优选的是，所述推挽电路3包括两个并联的第一主线圈和第二主线圈，以及相对应的一个副线圈；所述第一主线圈的一端连接有第二MOS管10的源极，第一主线圈的另一端连接所述电感；所述第二主线圈的一端连接有第三MOS管11的源极，第二主线圈的另一端连接所述电感；所述第二MOS管10和第三MOS管11的漏极均接地；所述第二MOS管10和第三MOS管11的栅极均连接所述反馈控制电路7；所述副线圈的两端连接所述倍压整流电路4的输入端。

推挽电路变换器占空比设计有重叠区域(约200ns)，使开关管工作在零电压关断状态，有效的减小了管子关断时的应力，降低了EMI干扰，在每个开关周期都强制进行一次磁复位，避免了推挽电路的磁通不平衡问题。结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。

更进一步优选的是，所述输出电流采集反馈电路6包括第一输入端连接所述副线圈的第一运算放大器12；所述第一运算放大器12的输出端为电流遥测输出端；所述第一运算放大器12的第二输入端连接有第二运算放大器13的输出端；所述第二运算放大器13的第一输入端连接有第三运算放大器14的输出端；所述第二运算放大器13的第二输入端接地；所述第二运算放大器13的第一输入端和输出端之间并联有电阻；所述第三运算放大器14的第一输入端通过电阻连接所述倍压整流电路4的输出端；所述第三运算放大器14的第二输入端连接其输出端；所述第一运算放大器12的第一输入端和所述第三运算放大器14的第一输入端之间并联有一个接地的电阻旁路；所述第三运算放大器14的输出端还通过一个电阻连接有第四运算放大器15的第一输入端；所述第四运算放大器15的输出端为电压遥测输出端；所述第四运算放大器15的第二输入端连接其输出端。

离子泵电源将输出电流信号转换成电压信号，送至输出电流采集反馈电路进行采集；采集范围为10uA～5mA。通过采集流过采样电阻产生的压差来采集输出电流，由于此采集电流还包括了流经内部分压电阻的电流，因此在设计上，通过运算放大器进行调理，减去此部分电流，以此反映精确的输出电流大小。由于采集电流范围宽，因此在采集输出电流时使用精度高的运算放大器进行调理。通过电流采集反馈电路实现过流保护功能，有效的避免变压器偏磁问题，减少器件烧毁现象，提高可靠性。

更进一步优选的是，所述反馈控制电路7包括型号为UC1823A的第一PWM控制器16，所述第一PWM控制器16的输入、输出端分别连接有第五运算放大器17的输出端和型号为ICL7667的第一驱动芯片18；所述第五运算放大器17的第一输入端连接所述第三运算放大器14的输出端；所述第五运算放大器17的第二输入端连接有作为差压调理用的第六运算放大器19的输出端；所述第六运算放大器19的两个输入端为压控输入端口；所述第五运算放大器17的第一输入端连接和输出端还并联有第一旁路和一个设有电容的旁路；所述第一旁路上设有串联的电容和电阻；所述第一驱动芯片18通过所述隔离驱动变压器电路8连接所述降压式变换电路2的栅极和源极；所述反馈控制电路7还包括型号为UC1825A的第二PWM控制器20；所述第二PWM控制器20通过一个型号为ICL7667的第二驱动芯片21分别连接所述第二MOS管10和第三MOS管11的漏极与栅极。

推挽电路由UC1825A产生两组相位相差180°的PWM控制信号，控制信号经过ICL7667驱动芯片后控制推挽电路开关MOS管的导通和关断。通过调整UC1825A电路的运放输入电压使推挽电路占空比有200ns±10％的重叠区域。

降压式变换电路由UC1823A组成，通过采集输出分压信号与系统控制给的电压信号误差值来调节第一PWM控制器输出，误差放大器通过PID补偿网络补偿环路中的相位和增益，以此达到稳定输出电压的目的。

为了减少开关电路的噪声，控制电路将UC1825A和UC1823A的震荡频率进行同步，将UC1825A的震荡频率调至200Khz±10％，按照如下图UC1825A推荐的同步电路进行同步设计，使降压式变换电路变换器的第二PWM控制器芯片UC1823A频率与UC1825A同步。在反馈控制电路中使用集成UC1823A控制器和UC1825A控制器输出PWM信号，有别与传统的PWM发生电路，使设计使用元件更少，有利于节约成本和减小体积，增强电源的维护性。

更进一步优选的是，在所述电源输入端1和降压式变换电路2之间还串联有输入过流保护电路22、开关机控制电路23、状态指示电路和滤波电路24。

通过过流保护功能，减小损耗，提升响应速度；通过开关机控制电路控制离子泵电源的启和停，做到及时安全的电路控制；通过状态指示电路显示电路的状态，以做到在紧急情况下的及时处理，提高安全性能；通过滤波电路减小产生的噪声，保证系统的正常工作。

更进一步优选的是，所述输入过流保护电路22包括两个输入端分别连接于第一电阻前后的第七运算放大器25；所述开关机控制电路23包括调理电路26、三极管27、第二电阻和第四MOS管28；所述第四MOS管28的漏极和栅极之间分别并联有电阻旁路和电容旁路；所述调理电路26的输入端为该离子泵电源的开关机指令输入端口；所述调理电路26的输出端连接所述三极管27的基极；所述三极管27的发射极接地；所述第二电阻的两端分别连接所述三极管27的集电极和所述第四MOS管28的栅极；所述状态指示电路包括串联的第四电阻和第五电阻，所述第五电阻接地；所述第四电阻和第五电阻之间连接有接地的指示灯；所述滤波电路24包括两个串联的L形电感电容滤波电路；所述滤波电路24的两端分别连接所述第四MOS管28的源极和降压式变换电路2；所述第四电阻连接于所述第四MOS管28的源极和滤波电路之间；所述第一电阻的两端分别连接所述电源输入端1和第四MOS管28的漏极；所述第七运算放大器25的输出端连接所述第二PWM控制器16。

如图3～图6所示，离子泵电源开启和关闭，受开关机控制电路控制，当开关机指令为高电平，通过差分处理后，将高电平传递至三极管V5的基极，使V5导通。此时28V输入通过R29和R35电阻分压，使第四MOS管V1门源级的压差为-10V左右，达到饱和导通条件；同理当开关机指令电平为低时，V5截止，此时V1的门源级压差为0V，第四MOS管关闭，实现开关机操作。当执行开机指令后，输入端通过输入过流保护电路采集28V输入电流来实现过流保护功能，在28V输入中串接一只采样电阻R28，通过采集R28电阻两端的压差来实现过流保护，当R28两端压差达到设计值时，通过OCP端连接第二PMW控制器，控制UC1825A芯片PMW输出，实现过流保护功能。开关电源的工作方式决定了自身是一个较大的EMC噪声源，因此在输入端设计有EMC滤波电路，滤波形式采用两级差模滤波，滤波电路中电感电容值均根据GJB151A中对CE102的要求计算得出。差模电感采用高磁通磁芯，电感量为30uH，电容选择陶瓷电容以及自愈电容组成，实现滤波功能。滤波后的28V电压信号经过降压式变换电路，UC1823A芯片输出PWM信号，通过控制场效应管的开通与关断时间，使输出电压V0满足V0＝Vin×D的关系(其中Vin为输入电压，D为占空比)，得到在200KHz±10％频率下，电压为+20V。推挽电路通过UC1825A输出相位为180°PWM控制信号，将电压转换为±20V，并通过铁氧体ETD型磁芯变压器，原边匝数10匝，副边匝数250，使±20V电压变换为±500V输出。倍压整流电路的变压器副边绕组异名端为参考，同名端电压为±500V频率为200KHz±10％，当电压为+500V时，V1二极管截止；电压变为-500V时，通过V1对C1电容充电，使电容两端电压为500V，电压再次变换为+500V时，由于C1两端电压差不能突变，也即C1的右端电压变为+1KV，此时C1通过V2对C7进行充电，充满电压后C7的电压为+1kV,此时完成了1级倍压，输出电压变为原来的2倍。后面的倍压电路工作原理与第1级相同，经过12个周期后，倍压电路的电容皆充满电后，可使输出电压达到±6KV。为使输出电压精确加入电流采集反馈电路，送至质谱控制器进行采集；采集范围为10uA～5mA。通过采集流过采样电阻产生的压差来采集输出电流，由于此采集电流还包括了流经内部分压电阻的电流，因此在设计上，通过运放进行调理，减去此部分电流，以此反映精确的输出电流大小。

状态指示电路通过V12对电源工作状态做出指示，实时故障检测，对输出电压遥测，采集6KV开关机状态，实现故障的有效隔离，降低故障检测难度，提高可靠性；在保证电源整机效率的前提下，对第一MOS管器件电路设计中，尽量加大门极限流电阻，降低第一MOS管的开关速率，减少开关噪声，对寄生电感、寄生电容引起的振铃现象进行有效抑制；在离子泵电源中设计有两级LC差模滤波，电感采用高磁通磁芯，电容使用陶瓷电容，频率响应特性好，对传导和发射均有很好的效果。

更进一步优选的是，所述推挽电路的变压器线路和倍压整流电路外层涂有一层灌封胶。

可以有效防止外界盐雾腐蚀、酸碱腐蚀、潮湿水分、振动等因素的影响，是阻挡外界影响因素侵蚀电路板的第一道大门，也是减少电路板损坏，延长电路板寿命的一道保障。

根据本说明书的记载即可较好的实现本实用新型的技术方案。