用于PCB微切片清洗的高壓開關電源

【摘要】依據在低氣壓下由輝光放電產生等離子體的方法，開發(fā)了一種用于PCB微切片清洗的等離子體清洗機的高壓開關電源。該高壓開關電源采用脈寬調制集成電路TL494作為電源的核心控制電路。文章圍繞TL494對高壓開關電源系統(tǒng)的整體設計及使用作出了詳細的介紹。

【關鍵詞】等離子體;輝光放電;PCB微切片;高壓開關電源

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

等離子體清洗機利用氣體作為清洗介質，有效地避免了因液體清洗介質對被清洗物帶來的二次污染。等離子清洗機外接一臺真空泵，當真空清洗腔中的工作氣體在高壓電場作用下發(fā)生電離時，產生相當數(shù)量的高能電子、離子和自由基等活性粒子，這些活性粒子很容易與固體表面分子反應生成產物分子，產物分子解析形成氣相;同時使固體表面會受到化學轟擊及物理轟擊，在真空和瞬時高溫狀態(tài)下，使污染物分子在極短的時間內發(fā)生分解、蒸發(fā)從而脫離固體表面。同時污染物在各種高能量粒子的沖擊下被擊碎并被真空泵抽走，其清洗程度可達到分子級。

作為現(xiàn)代電子信息工業(yè)的重要元件——印制板[1]（PCB），集成電路（IC）的電氣互連及裝配離不開它;高新技術產品要靠它連接各類電子元器件和實現(xiàn)電氣互連?？梢哉f如果沒有PCB今天將沒有手提電話、計算機、因特網、GPS、醫(yī)學上的CT等等。而PCB的質量關系到電子設備穩(wěn)定性和電子儀器的準確度。如果PCB和電子元件組裝后才發(fā)現(xiàn)電子產品的質量問題，就會浪費掉大量的材料和人工費用，所以有必要在PCB裝上元件前對其質量做出評判，而對PCB產品檢測最好靠的是金相剖切檢測。為了對PCB的質量進行監(jiān)控，專門開發(fā)了用于PCB質量檢查的等離子體清洗機，對PCB微切片進行清洗，使PCB微切片的金相顯微組織圖像清晰，易于觀察。

該等離子體清洗機直接利用空氣作為工作氣體，主要由真空泵、電阻真空表、真空系統(tǒng)、高壓開關電源組成，。

2.真空系統(tǒng)與輝光放電

由圖1見真空系統(tǒng)主要由真空腔、放電電極、真空微調閥、放空閥、手動角閥、樣品固定座、電阻真空規(guī)、真空觀察窗等組成。

圖1 真空系統(tǒng)結構示意圖

（圖例說明：1.高壓電源接頭;2.變徑接頭;3.基座4真空盲板;5.真空腔;6.放電電極;7.擋板;8.樣品固定座;9.真空觀察窗;10.真空微調閥;11.三通;12.放空閥;13.卡箍14.數(shù)顯電阻真空表接頭;15.電阻真空規(guī);16.手動角閥;17.真空泵連接軟管）

清洗機開啟電源后，真空泵啟動開始抽取真空。當真空腔內真空度下降到設定真空度時，定時器被觸動將高壓電源的直流高壓輸出到電極上。電極間的空氣在高壓電場作用下發(fā)生電離，電離產生的次級電子再被高壓電場加速與氣體分子碰撞，使更多氣體分子電離，正負離子復合過程中會有光子釋放，即產生輝光放電。

輝光放電是產生等離子體的一種有效方式，一般在低氣壓情況下進行。低氣壓輝光放電的擊穿機制是：從陰極發(fā)射電子，在放電空間引起電子雪崩，由此產生的正離子再轟擊陰極使其發(fā)出更多的電子。它是由電子雪崩不斷發(fā)展而引起的放電[2]。輝光放電須在低氣壓下才能穩(wěn)定放電，因此等離子體清洗機在工作時通過手動角閥及真空微調閥的配合將真空清洗腔的真空度控制在12～22Pa之間。由圖1見輝光放電主要是在放電電極6和擋板7之間發(fā)生，放電電極6為直流高壓電源的陰極（即負極），擋板7為另一電極也就是電源的地。PCB微切片安裝時將要清洗的表面對著擋板7的通孔，清洗機工作時等離子體穿過擋板7的通孔，到達PCB微切片的表面進行清洗。

3.高壓開關電源系統(tǒng)

3.1 設計方案及原理

輝光放電需要比較高的放電電壓U（幾百～幾千V），但電流I（mA量級）比較小;當兩電極的直流電壓調節(jié)到等于氣體著火電壓時，兩電極就會從非自持放電過渡到自持放電，此時放電電流I會繼續(xù)增大，管壓降U下降，進入輝光放電區(qū)。由于真空系統(tǒng)在工作過程中真空度會發(fā)生微小的變化，其形成的等離子體等效阻抗也是變化的，而且清洗的效果跟高壓電場的強度也有關系，所以設計的高壓直流電源的直流電壓須在一定范圍內可調，以適應負載的變化。因為開關電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點，所以該高壓直流電源采用開關電源技術。

清洗機由高壓電源通過向電極施加高壓直流電場來實現(xiàn)輝光放電。為了實現(xiàn)電壓調節(jié)及電流的保護，采用電壓控制脈寬型芯片TL494來設計高壓電源。高壓開關電源整體工作原理框圖見圖2。由圖2知電路實現(xiàn)可控高壓的關鍵是執(zhí)行DC-AC逆變的PWN驅動器TL494。

因為要從陰極發(fā)射電子所以高壓電源輸出電壓為負極性。開關電源的主要技術指標：輸出電壓由0V到2500V可調，最大輸出電流為10mA，負載調整率：≤0.5%。為了表述的方便，下面沒有特別說明的，輸出電壓都是指電壓絕對值的大小，不跟其負極性一齊表述。

考慮到安裝及調試的方便，該開關電源系統(tǒng)采用模塊式安裝結構主要分為AC-DC模塊（24V低壓直流）、DC-AC逆變模塊、AC-DC模塊（高壓直流）、DC-DC模塊（24V轉±5V，電壓電流測量用）、電壓、電流顯示模塊。為了減少外界供電的影響及隔離，電源輸入端用220V輸入，直流24V輸出的成品開關電源作為整個電源系統(tǒng)的工作電源。下面分別就DC-AC逆變電路、倍壓整流電路、電壓電流取樣反饋電路、電壓電流顯示電路、輸出過壓保護電路、輸出高壓控制電路作出說明。

圖2 電源系統(tǒng)原理框圖

3.2 DC-AC逆變電路

TL494是一種固定頻率脈寬調制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端式、推挽式、半橋式、全橋式開關電源[3]。內部集成了全部的脈寬調制電路。片內置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）。內置兩個誤差放大器，可實現(xiàn)輸出電壓和電流的雙重控制。內置5V參考基準電壓源?？烧{整死區(qū)時間。內置的功率晶體管可提供500mA的驅動能力，推或拉兩種輸出方式。

由TL494組成推挽式DC-AC變換電路如圖3所示。高壓電源采用推挽式電路實現(xiàn)24V直流低壓到交流高壓的輸出。5、6腳分別用于外接振蕩電阻C4和振蕩電容R7，用于設定電路的脈沖頻率，電路工作頻率f=1.1/（R7·C4）≈41kHz;誤差放大器的輸出端（3腳）接電阻R1、R2，和電容C1組成增益控制和相位校正網絡。14腳為5V基準電壓輸出端，由于采用推挽式輸出方式，所以輸出控制端13腳接14腳的5V基準電壓。1、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端，用于輸出電壓的反饋和設定輸出電壓。設定的電壓通過調節(jié)電位器VR1來分壓VREF實現(xiàn)，當VR1順時針旋轉即增加設定電壓Ug時，TL494的輸出脈沖寬度逐漸增大，令輸出電壓Uo逐漸上升。反之則輸出電壓下降;4腳為死區(qū)時間控制端，其上加0～3V電壓時可使脈沖占空比從最大線性變化到零，因此該引腳用于開關電源的開、關機控制;8、9腳和11、10腳分別為TL494內部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射極，由于是推挽式輸出，8腳、11腳接電源供電端12腳，而9腳、10腳交替輸出脈沖信號用以驅動VT1、VT2，繼而推動開關管VT3、VT4;R6和C3組成TL494的軟啟動電路，使PWM比較器輸出脈寬緩增大到額定脈寬，避免開機沖擊電流損壞開關管。因為VT3、VT4需要具有高頻的導通截止特性，為了保護VT3，VT4正常工作，分別并聯(lián)C5，R12和C6，R13;15、16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端，用于高壓電源的過流保護。

3.3 倍壓整流電路

倍壓整流電路適用于輸出直流高電壓、小電流的場所，符合輝光放電的電壓電流條件。而且倍壓整流電路不僅可以使整機縮小體積、減輕重量，而且還具有輸出電壓穩(wěn)定、脈沖幅度低、自動適應負載變化，即具有軟的負載特性的優(yōu)點。由圖3可知：設計中采用2倍壓整流電路將高頻變壓器T1輸出的交流電壓整流成負極性直流高壓，電路由2個倍壓電容器C7、C8，和2個高壓整流二極管D2、D3組成。

3.4 電壓電流取樣反饋電路

電阻R14和R15組成輸出電壓反饋取樣，為防止前后級電路互相影響用運放IC5作電壓跟隨器隔離。而高壓電源輸出電壓為負極性，所以反饋電壓先經運放IC5隔離再輸入運放IC4反相放大。由圖3知：放大倍數(shù)A=R18/R19=20，反饋電壓變?yōu)檎龢O性電壓后再經電阻R3輸入到1IN+（1腳），與1IN-（2腳）的設定電壓Ug進行比較，令TL494的PWN輸出合適的脈寬的信號去控制輸出電壓。當電位器VR1調到最大值時，Ug=UREF=5V，則最大輸出直流電壓UO=UREF（1+R14/R15）/A=5╳（1+24M/2.4k）/20=2500V。電阻R16跟負載串聯(lián)作為回路電流的取樣電阻，R5和R17將基準電壓分壓得到5╳2.2k/（110k+2.2k）=0.1V的偏置電壓。此電壓加到誤差放大器II的反相輸入端（15腳），其同相輸入端（16腳）接地。當電流取樣電阻流過大于10mA的電流時，將產生0.1V以下的電壓與偏置電壓抵消，使誤差放大器II的反相輸入端（15腳）電壓低于0V，誤差放大器II會輸出高電平將輸出關斷，從而起到過流保護的作用。

3.5 電壓和電流的顯示電路

清洗機將來需要和計算機通訊，實現(xiàn)程控，所以選用的模數(shù)轉換器都帶有BCD碼輸出的。高壓開關電源輸出電壓測量采用4位半的模數(shù)轉換器ICL7135，而ICL7135滿量程為2.0000V。在這里將輸出電壓通過取樣電阻R14和R15的分壓來間接測量輸出電壓，為防止對測量電路的影響用運放IC5作電壓跟隨器隔離，可測量的最大電壓為：Uo=2.0000/（R15/（R15+R14））=2.0000/0.0001=20000V，即滿量程為20000V，滿足電壓測量要求。輸出電流的測量則是通過測量回路電流取樣電阻R16上的壓降來顯示電流值。采用3位半的模數(shù)轉換器MC14433來實現(xiàn)電壓的測量，而MC14433滿量程為2.000V或200.0mV，這里采用2.000V量程。則當取樣電阻R16的電阻值為10時，顯示最大電流為：Io=2.000V/10=200.0mA，而高壓電源輸出最大電流為10mA，滿足電流測量要求。ICL7135、MC14433的外圍電路見[4]這里從略。

3.6 輸出過壓保護電路

輸出電壓的取樣反饋電壓經IC5隔離，IC6反相，輸入電壓比較器IC7的同相端。而IC7的反相端接電位器VR2分壓過來的參考電壓，由圖3知參考電壓由TL431基準源產生的2.5V電壓獲得，只要將IC7的反相端的參考電壓設定為0.26V。當IC7的同相端輸入電壓值大于0.26V，即某種原因令到電源輸出電壓超過0.26V/（R15/（R15+R14））=2600V時，由于同相端電壓大于反相端電壓，比較器將翻轉，輸出低電平變?yōu)檩敵龈唠娖剑撾娖浇汻22令光電耦合器IC2得電導通，結果TL494的4腳的死區(qū)電平升高達到最大，使TL494輸出脈沖關斷，導致輸出電壓歸零，從而達到過壓保護的目的。設置過壓保護的電壓為2600V，是為輸出電壓留出一定的裕量，可根據需要調節(jié)VR2設定其他保護電壓。

3.7 高壓輸出控制電路

清洗機開啟電源后，真空泵啟動開始抽取真空。預先將真空表的真空度設定在22Pa的工作點，即當真空腔內真空度下降到22Pa時，電阻真空表將發(fā)出一個指令信號給定時器，定時器接受到信號后將常閉觸點Kt打開，光電耦合器IC3失電關斷，令到TL494的4腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，TL494恢復輸出脈沖，直流高壓輸出到電極6。使真空腔內空氣在高壓電場作用下發(fā)生電離，由此產生的正離子再轟擊陰極使其發(fā)出更多的電子，引起電子雪崩即可實現(xiàn)輝光放電。定時器主要對輝光放電的時間進行設定，時間可精確到秒。對不同的清洗對象設置不同的放電時間，一般將放電時間設定在幾十秒到幾分鐘以內。放電時間一到定時器將常閉觸點Kt閉合，光電耦合器IC3得電導通，令TL494的4腳由低電平變?yōu)楦唠娖剑琓L494關閉輸出脈沖，電源無直流高壓輸出。

4.高壓開關電源的使用及效果

4.1 高壓開關電源的使用

將PCB微切片樣品放置在樣品固定座后，再將真空觀察窗蓋上。然后打開清洗機的電源，真空泵開始工作，同時電阻真空表顯示的真空度逐漸下降。當真空度下降到22Pa時，由高壓輸出控制電路知，直流高壓將輸出到放電電極。同時可在電壓表上看到實時的輸出電壓的示值。一般輸出電壓要在1000V以上才能在兩電極間有效起輝。如發(fā)現(xiàn)電壓在1000V以下時可順時針旋轉電位器VR1，令TL494輸出脈寬增大，輸出電壓增大，輸出電流增大。同時觀察放電電極6和擋板7間有無輝光產生。當輸出電壓等于氣體著火電壓時，兩電極的放電空間將發(fā)出輝光，形成等離子體對PCB微切片樣品進行清洗，具體清洗時間可根據需要自行設定。如果在清洗過程中覺得電流偏小可適當升高輸出電壓。根據我們的經驗，比較合適的輸出電壓在1500V左右，輸出電流在3mA左右。當放電結束后關閉電源，打開放空閥，讓真空腔內氣壓升至一個大氣壓。再將真空觀察窗拿開，取出樣品觀察即可。高壓電源工作時的輝光放電狀態(tài)如圖4所示。

圖4 輝光放電

4.2 PCB微切片清洗的效果

需要檢驗的PCB經取樣、灌膠、研磨、拋光、微蝕后，使用該等離子體清洗機做最后的清洗。

PCB微切片清洗后在顯微鏡下即可觀察到清晰的圖像。清洗前后PCB微切片的顯微圖片見圖5：

a.清洗前;;;;;;;;;; b.清洗后

圖5 PCB微切片圖片

5.結束語

該等離子體清洗機高壓開關電源在清洗PCB微切片時運行穩(wěn)定、適應負載能力強、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良。只要選擇合適的工作電壓或工作電流和清洗時間，清洗后的PCB微切片顯微圖象逼真、顏色真實、邊界分明、層次清晰，滿足了生產中對PCB的質量監(jiān)控，將電子產品的質量問題控制在萌芽階段，節(jié)省了材料及人工的費用，有效地保證了電子產品的質量。

參考文獻

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[2]許根慧，姜恩永，盛京等.等離子體技術與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[3]馬洪濤，沙占友，周芬萍.開關電源的制作與調試[M].北京：中國電力出版社，2010.

[4]沙占友等.LED數(shù)顯儀表設計與應用實例[M].北京：中國電力出版社，2011.

作者簡介：關自強（1974—），男，廣東開平人，大學本科，廣州半導體材料研究所工程師。