【摘要】依据在低气压下由辉光放电产生等离子体的方法，开发了一种用于PCB微切片清洗的等离子体清洗机的高压开关电源。该高压开关电源采用脉宽调制集成电路TL494作为电源的核心控制电路。文章围绕TL494对高压开关电源系统的整体设计及使用作出了详细的介绍。
【关键词】等离子体;辉光放电;PCB微切片;高压开关电源
Abstract：A type of high voltage witching power supply of plasma cleaning machine for cleaning of PCB microsection was developed by using the method to produce plasma through glow discharge at low atmospheric pressure.The high voltage switching power supply adopts pulse width TL494 of modulation integrated circuit as the core control circuit of the power supply.The article makes detailed introduction to integrated design and use of high voltage switching power supply by centering on TL494.
Key words：plasma;glow discharge;PCB microsection;high voltage switching power supply
1.引言
等离子体清洗机利用气体作为清洗介质，有效地避免了因液体清洗介质对被清洗物带来的二次污染。等离子清洗机外接一台真空泵，当真空清洗腔中的工作气体在高压电场作用下发生电离时，产生相当数量的高能电子、离子和自由基等活性粒子，这些活性粒子很容易与固体表面分子反应生成产物分子，产物分子解析形成气相;同时使固体表面会受到化学轰击及物理轰击，在真空和瞬时高温状态下，使污染物分子在极短的时间内发生分解、蒸发从而脱离固体表面。同时污染物在各种高能量粒子的冲击下被击碎并被真空泵抽走，其清洗程度可达到分子级。
作为现代电子信息工业的重要元件——印制板[1]（PCB），集成电路（IC）的电气互连及装配离不开它;高新技术产品要靠它连接各类电子元器件和实现电气互连。可以说如果没有PCB今天将没有手提电话、计算机、因特网、GPS、医学上的CT等等。而PCB的质量关系到电子设备稳定性和电子仪器的准确度。如果PCB和电子元件组装后才发现电子产品的质量问题，就会浪费掉大量的材料和人工费用，所以有必要在PCB装上元件前对其质量做出评判，而对PCB产品检测最好靠的是金相剖切检测。为了对PCB的质量进行监控，专门开发了用于PCB质量检查的等离子体清洗机，对PCB微切片进行清洗，使PCB微切片的金相显微组织图像清晰，易于观察。
该等离子体清洗机直接利用空气作为工作气体，主要由真空泵、电阻真空表、真空系统、高压开关电源组成，。
2.真空系统与辉光放电
由图1见真空系统主要由真空腔、放电电极、真空微调阀、放空阀、手动角阀、样品固定座、电阻真空规、真空观察窗等组成。
图1 真空系统结构示意图
（图例说明：1.高压电源接头;2.变径接头;3.基座4真空盲板;5.真空腔;6.放电电极;7.挡板;8.样品固定座;9.真空观察窗;10.真空微调阀;11.三通;12.放空阀;13.卡箍14.数显电阻真空表接头;15.电阻真空规;16.手动角阀;17.真空泵连接软管）
清洗机开启电源后，真空泵启动开始抽取真空。当真空腔内真空度下降到设定真空度时，定时器被触动将高压电源的直流高压输出到电极上。电极间的空气在高压电场作用下发生电离，电离产生的次级电子再被高压电场加速与气体分子碰撞，使更多气体分子电离，正负离子复合过程中会有光子释放，即产生辉光放电。
辉光放电是产生等离子体的一种有效方式，一般在低气压情况下进行。低气压辉光放电的击穿机制是：从阴极发射电子，在放电空间引起电子雪崩，由此产生的正离子再轰击阴极使其发出更多的电子。它是由电子雪崩不断发展而引起的放电[2]。辉光放电须在低气压下才能稳定放电，因此等离子体清洗机在工作时通过手动角阀及真空微调阀的配合将真空清洗腔的真空度控制在12～22Pa之间。由图1见辉光放电主要是在放电电极6和挡板7之间发生，放电电极6为直流高压电源的阴极（即负极），挡板7为另一电极也就是电源的地。PCB微切片安装时将要清洗的表面对着挡板7的通孔，清洗机工作时等离子体穿过挡板7的通孔，到达PCB微切片的表面进行清洗。
3.高压开关电源系统
3.1 设计方案及原理
辉光放电需要比较高的放电电压U（几百～几千V），但电流I（mA量级）比较小;当两电极的直流电压调节到等于气体着火电压时，两电极就会从非自持放电过渡到自持放电，此时放电电流I会继续增大，管压降U下降，进入辉光放电区。由于真空系统在工作过程中真空度会发生微小的变化，其形成的等离子体等效阻抗也是变化的，而且清洗的效果跟高压电场的强度也有关系，所以设计的高压直流电源的直流电压须在一定范围内可调，以适应负载的变化。因为开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点，所以该高压直流电源采用开关电源技术。
清洗机由高压电源通过向电极施加高压直流电场来实现辉光放电。为了实现电压调节及电流的保护，采用电压控制脉宽型芯片TL494来设计高压电源。高压开关电源整体工作原理框图见图2。由图2知电路实现可控高压的关键是执行DC-AC逆变的PWN驱动器TL494。
因为要从阴极发射电子所以高压电源输出电压为负极性。开关电源的主要技术指标：输出电压由0V到2500V可调，最大输出电流为10mA，负载调整率：≤0.5%。为了表述的方便，下面没有特别说明的，输出电压都是指电压绝对值的大小，不跟其负极性一齐表述。
考虑到安装及调试的方便，该开关电源系统采用模块式安装结构主要分为AC-DC模块（24V低压直流）、DC-AC逆变模块、AC-DC模块（高压直流）、DC-DC模块（24V转±5V，电压电流测量用）、电压、电流显示模块。为了减少外界供电的影响及隔离，电源输入端用220V输入，直流24V输出的成品开关电源作为整个电源系统的工作电源。下面分别就DC-AC逆变电路、倍压整流电路、电压电流取样反馈电路、电压电流显示电路、输出过压保护电路、输出高压控制电路作出说明。
图2 电源系统原理框图
3.2 DC-AC逆变电路
TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端式、推挽式、半桥式、全桥式开关电源[3]。内部集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置两个误差放大器，可实现输出电压和电流的双重控制。内置5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置的功率晶体管可提供500mA的驱动能力，推或拉两种输出方式。
由TL494组成推挽式DC-AC变换电路如图3所示。高压电源采用推挽式电路实现24V直流低压到交流高压的输出。5、6脚分别用于外接振荡电阻C4和振荡电容R7，用于设定电路的脉冲频率，电路工作频率f=1.1/（R7·C4）≈41kHz;误差放大器的输出端（3脚）接电阻R1、R2，和电容C1组成增益控制和相位校正网络。14脚为5V基准电压输出端，由于采用推挽式输出方式，所以输出控制端13脚接14脚的5V基准电压。1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端，用于输出电压的反馈和设定输出电压。设定的电压通过调节电位器VR1来分压VREF实现，当VR1顺时针旋转即增加设定电压Ug时，TL494的输出脉冲宽度逐渐增大，令输出电压Uo逐渐上升。反之则输出电压下降;4脚为死区时间控制端，其上加0～3V电压时可使脉冲占空比从最大线性变化到零，因此该引脚用于开关电源的开、关机控制;8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极，由于是推挽式输出，8脚、11脚接电源供电端12脚，而9脚、10脚交替输出脉冲信号用以驱动VT1、VT2，继而推动开关管VT3、VT4;R6和C3组成TL494的软启动电路，使PWM比较器输出脉宽缓增大到额定脉宽，避免开机冲击电流损坏开关管。因为VT3、VT4需要具有高频的导通截止特性，为了保护VT3，VT4正常工作，分别并联C5，R12和C6，R13;15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端，用于高压电源的过流保护。
3.3 倍压整流电路
倍压整流电路适用于输出直流高电压、小电流的场所，符合辉光放电的电压电流条件。而且倍压整流电路不仅可以使整机缩小体积、减轻重量，而且还具有输出电压稳定、脉冲幅度低、自动适应负载变化，即具有软的负载特性的优点。由图3可知：设计中采用2倍压整流电路将高频变压器T1输出的交流电压整流成负极性直流高压，电路由2个倍压电容器C7、C8，和2个高压整流二极管D2、D3组成。
3.4 电压电流取样反馈电路
电阻R14和R15组成输出电压反馈取样，为防止前后级电路互相影响用运放IC5作电压跟随器隔离。而高压电源输出电压为负极性，所以反馈电压先经运放IC5隔离再输入运放IC4反相放大。由图3知：放大倍数A=R18/R19=20，反馈电压变为正极性电压后再经电阻R3输入到1IN+（1脚），与1IN-（2脚）的设定电压Ug进行比较，令TL494的PWN输出合适的脉宽的信号去控制输出电压。当电位器VR1调到最大值时，Ug=UREF=5V，则最大输出直流电压UO=UREF（1+R14/R15）/A=5╳（1+24M/2.4k）/20=2500V。电阻R16跟负载串联作为回路电流的取样电阻，R5和R17将基准电压分压得到5╳2.2k/（110k+2.2k）=0.1V的偏置电压。此电压加到误差放大器II的反相输入端（15脚），其同相输入端（16脚）接地。当电流取样电阻流过大于10mA的电流时，将产生0.1V以下的电压与偏置电压抵消，使误差放大器II的反相输入端（15脚）电压低于0V，误差放大器II会输出高电平将输出关断，从而起到过流保护的作用。
3.5 电压和电流的显示电路
清洗机将来需要和计算机通讯，实现程控，所以选用的模数转换器都带有BCD码输出的。高压开关电源输出电压测量采用4位半的模数转换器ICL7135，而ICL7135满量程为2.0000V。在这里将输出电压通过取样电阻R14和R15的分压来间接测量输出电压，为防止对测量电路的影响用运放IC5作电压跟随器隔离，可测量的最大电压为：Uo=2.0000/（R15/（R15+R14））=2.0000/0.0001=20000V，即满量程为20000V，满足电压测量要求。输出电流的测量则是通过测量回路电流取样电阻R16上的压降来显示电流值。采用3位半的模数转换器MC14433来实现电压的测量，而MC14433满量程为2.000V或200.0mV，这里采用2.000V量程。则当取样电阻R16的电阻值为10时，显示最大电流为：Io=2.000V/10=200.0mA，而高压电源输出最大电流为10mA，满足电流测量要求。ICL7135、MC14433的外围电路见[4]这里从略。
3.6 输出过压保护电路
输出电压的取样反馈电压经IC5隔离，IC6反相，输入电压比较器IC7的同相端。而IC7的反相端接电位器VR2分压过来的参考电压，由图3知参考电压由TL431基准源产生的2.5V电压获得，只要将IC7的反相端的参考电压设定为0.26V。当IC7的同相端输入电压值大于0.26V，即某种原因令到电源输出电压超过0.26V/（R15/（R15+R14））=2600V时，由于同相端电压大于反相端电压，比较器将翻转，输出低电平变为输出高电平，该电平经R22令光电耦合器IC2得电导通，结果TL494的4脚的死区电平升高达到最大，使TL494输出脉冲关断，导致输出电压归零，从而达到过压保护的目的。设置过压保护的电压为2600V，是为输出电压留出一定的裕量，可根据需要调节VR2设定其他保护电压。
3.7 高压输出控制电路
清洗机开启电源后，真空泵启动开始抽取真空。预先将真空表的真空度设定在22Pa的工作点，即当真空腔内真空度下降到22Pa时，电阻真空表将发出一个指令信号给定时器，定时器接受到信号后将常闭触点Kt打开，光电耦合器IC3失电关断，令到TL494的4脚由高电平变为低电平，TL494恢复输出脉冲，直流高压输出到电极6。使真空腔内空气在高压电场作用下发生电离，由此产生的正离子再轰击阴极使其发出更多的电子，引起电子雪崩即可实现辉光放电。定时器主要对辉光放电的时间进行设定，时间可精确到秒。对不同的清洗对象设置不同的放电时间，一般将放电时间设定在几十秒到几分钟以内。放电时间一到定时器将常闭触点Kt闭合，光电耦合器IC3得电导通，令TL494的4脚由低电平变为高电平，TL494关闭输出脉冲，电源无直流高压输出。
4.高压开关电源的使用及效果
4.1 高压开关电源的使用
将PCB微切片样品放置在样品固定座后，再将真空观察窗盖上。然后打开清洗机的电源，真空泵开始工作，同时电阻真空表显示的真空度逐渐下降。当真空度下降到22Pa时，由高压输出控制电路知，直流高压将输出到放电电极。同时可在电压表上看到实时的输出电压的示值。一般输出电压要在1000V以上才能在两电极间有效起辉。如发现电压在1000V以下时可顺时针旋转电位器VR1，令TL494输出脉宽增大，输出电压增大，输出电流增大。同时观察放电电极6和挡板7间有无辉光产生。当输出电压等于气体着火电压时，两电极的放电空间将发出辉光，形成等离子体对PCB微切片样品进行清洗，具体清洗时间可根据需要自行设定。如果在清洗过程中觉得电流偏小可适当升高输出电压。根据我们的经验，比较合适的输出电压在1500V左右，输出电流在3mA左右。当放电结束后关闭电源，打开放空阀，让真空腔内气压升至一个大气压。再将真空观察窗拿开，取出样品观察即可。高压电源工作时的辉光放电状态如图4所示。
图4 辉光放电
4.2 PCB微切片清洗的效果
需要检验的PCB经取样、灌胶、研磨、抛光、微蚀后，使用该等离子体清洗机做最后的清洗。
PCB微切片清洗后在显微镜下即可观察到清晰的图像。清洗前后PCB微切片的显微图片见图5：
a.清洗前 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; b.清洗后
图5 PCB微切片图片
5.结束语
该等离子体清洗机高压开关电源在清洗PCB微切片时运行稳定、适应负载能力强、稳压精度高、控制性能优良。只要选择合适的工作电压或工作电流和清洗时间，清洗后的PCB微切片显微图象逼真、颜色真实、边界分明、层次清晰，满足了生产中对PCB的质量监控，将电子产品的质量问题控制在萌芽阶段，节省了材料及人工的费用，有效地保证了电子产品的质量。
参考文献
[1]李乙翘，陈长生.印制电路[M].北京：化学工业出版社，2007.
[2]许根慧，姜恩永，盛京等.等离子体技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2006.
[3]马洪涛，沙占友，周芬萍.开关电源的制作与调试[M].北京：中国电力出版社，2010.
[4]沙占友等.LED数显仪表设计与应用实例[M].北京：中国电力出版社，2011.
作者简介：关自强（1974—），男，广东开平人，大学本科，广州半导体材料研究所工程师。
推荐访问： 开关电源 切片 高压 清洗 用于
