概述

在质谱分析等精密分析应用中，设备需要精确指定和设计的高压电源。

• 根据应用的不同，对光谱电源有不同的要求——需要一种基于解决方案的方法。

• 在同一设备中部署多个电源会带来额外的挑战。

• 我们分享如何解决质谱中高压电源最常见的设计问题。

1. 电源以外的纹波降低 

在质谱应用中，需要高压电源以最小的纹波和噪声提供高压。在高压 DC-DC 转换器中，纹波频率与电源的开关频率有关。我们在产品数据表中指定了器件的频率。  

威思曼 提供各种具有低纹波和噪声的高压电源。为了进一步降低与开关频率相关的输出纹波，客户可以使用额外的滤波组件。 

它由并联模式连接的电阻器和电容器组成。RC 低通滤波器设置截止频率，允许较低频率的信号通过，同时降低较高频率的信号。

图 1：低通 RC 滤波器

2. 设计 RC 低通滤波器 

首先，我们确定必须滤除哪些频率。在下面的示例中，我们在此电路设置中选择了 120kHz，即 威思曼 的 高压模块 C80N的开关频率。

截止频率应该与要过滤的频率有足够的差异，以允许对振荡进行足够的阻尼。

图 2：低通 RC 滤波器的计算   

我们选择了一个 150kOhm 的电阻和一个 2nF 的电容。以下示波器图显示了纹波和噪声水平如何显着降低。

图 3. 测量：不带低通 RC 滤波器                     图 4. 测量：使用低通 RC 滤波器

3. 设置级联高压电源 

质谱中的高压电源可能在与大地不同的电位下工作。这意味着一个电源“悬浮”在另一个电源的参考电位上。 

悬浮在下边电位上的检测器就是这种布置的一个例子。最好的解决方案是使用隔离式高压电源，其中高电位电源的隔离额定值必须至少等于浮动电压。 

如果是稳压电源，这种电流隔离是由变压器和其他设备实现的。下图显示了我们如何安排级联高压模块。

图 5：悬浮正高压                                                                图 6：悬浮负高压

4. 设计过零的双极高压电源

在电离子透镜中，通常需要双极高压电源。在这些电光应用中，可能需要从负高压摆动到正高压，干净地通过零。下图显示了实现这一目标的最简单和最具成本效益的方法。

   图 7：双极高压配置

第一个模块的输出电压设置为-1kV。第二个模块的输出可以参考这个-1kV。隔离的 2 kV 模块在模块上串联设置，并在 0 至 2 kV 范围内进行控制。 

该模块将产生一个可以从 -1 kV 到 +1 kV 线性控制的电压，在从负到正的转换过程中没有明显的非线性或不稳定性。

重要的是不要让输出部分在通电时悬空，因为输出可能会静电充电至高于隔离额定值的电压——这可能会导致损坏。

这种方法避免了典型的现成双极电源的费用和空间，为 OEM 设计提供了具有成本效益的解决方案。

下图显示了高压如何以线性方式通过 0 并且每个值都可以精确调整，甚至接近于零。

图 8. 测量：+1kV 至 -1kV 线性通过 0        图 9. 测量：+1kV 至 -1kV 范围内的输出电压

5. 保护高压电源免受电压瞬变 

在质谱仪中，许多不同的电势可能并列，因此高压电源之间可能会发生相互作用。 

我们建议具有多个高压电源的系统包括每个电源的补充保护电路，以防止出现故障。 

如果两个输出电压不同但极性相同的高压电源之间发生电弧，则标称电压较低的电源可能会因过电压而损坏。 

高压电弧可能是具有较低标称电压的模块标称电压的倍数，这可能导致电源故障。一个好的解决方案是在标称电压较低的高压电源的输出端增加一个高压保护二极管。

图 10：电压瞬变保护

上图显示了如何通过高压二极管保护具有较低输出电压的电源。

 二极管应该有一个反向击穿电压，这是可以电弧到模块的最高电压。额定电流应高于系统中的最高电流。

6.保护高压电源免受反向电流 

当具有不同极性的高压模块之间存在电弧时，每个电源都会尝试提供其额定电流。这会将输出暴露给具有较高相反极性电流的电源。 

电流较小的电源可能被迫提供或吸收超出其能力的电流，这可能导致过载和电源损坏。

为了避免这个问题，我们可以在高压电源输出端使用一个反向偏置二极管返回。二极管必须能够承载具有相反极性的高压电源的电流。

图 11：针对不同极性的保护                                图 12：针对不同极性的保护

摘要：准确度、可靠性和额外的特定功能是质谱中高压的关键要求。现成的、具有成本效益的高压 DC-DC 转换器可以满足这些目标。