專利名稱：智能濺散離子泵電源控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子泵電源控制器。
濺散離子泵(Sputter-ion pump)是超高真空獲得系統(tǒng)中使用最多的一種真空泵，廣泛應(yīng)用于加速器、可控?zé)岷朔磻?yīng)、空間環(huán)境模擬、鍍膜技術(shù)以及其它要求無(wú)污染的環(huán)境。在眾多的化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬元素中，由于鈦有強(qiáng)烈的吸氣能力，在室溫下性質(zhì)穩(wěn)定、不易燃爆炸、易于加工成型，大量應(yīng)用于真空技術(shù)中。濺散離子泵是靠電磁場(chǎng)的作用產(chǎn)生潘寧放電而使氣體分子電離，利用電離產(chǎn)生的離子轟擊并濺散陰極板(鈦板)，使電離了的氣體分子收附于其中或利用濺散的吸氣劑膜層(鈦膜)來(lái)抽氣的真空泵。
離子泵工作時(shí)需要的磁場(chǎng)一般為1000-2000高斯，由附加在離子泵體上的永磁體形成，電場(chǎng)則由陽(yáng)極和鈦陰極之間的3-7千伏的電壓形成。目前濺散離子泵主要有二級(jí)泵和三級(jí)泵，二級(jí)泵使用正高壓電源控制器，三級(jí)泵使用負(fù)高壓電源控制器。
在幾十年的離子泵的發(fā)展過(guò)程中，國(guó)外近十年來(lái)變化最大的是離子泵電源控制器，主要表現(xiàn)在采用高頻開(kāi)關(guān)電源代替陳舊的50Hz功頻變壓器。但是它的放大器與CPU的支撐電源仍采用50Hz功頻變壓器。輸入電壓范圍不夠?qū)挕?br> 目前我國(guó)有四個(gè)生產(chǎn)離子泵和電源控制器的廠家，基本延用國(guó)外上世紀(jì)70---80年代的方案，同國(guó)外相比，最落后的表現(xiàn)在離子泵電源控制器。近幾年來(lái)，離子泵電源控制器稍有改進(jìn)，主要表現(xiàn)在將過(guò)去的指針式電壓電流表頭，變?yōu)閿?shù)字顯示。完全基于開(kāi)關(guān)電源的離子泵電源控制器國(guó)內(nèi)還沒(méi)有見(jiàn)到。
本發(fā)明的目的在于提供一種基于開(kāi)關(guān)電源方式的智能濺散離子泵電源控制器。
本發(fā)明的目的采用以下方式實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明由高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊、高壓信號(hào)處理及反饋模塊、微控制器模塊和系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊構(gòu)成。高壓信號(hào)處理及反饋模塊的一端與高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊相連接，另一端與微控制器模塊相連接，系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊的一端與高壓信號(hào)處理及反饋模塊相連接，另一端與微控制器模塊相連接。來(lái)自高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊的取樣和控制信號(hào)經(jīng)高壓信號(hào)處理及反饋模塊處理后，輸入到微控制器模塊。微控制器模塊將接收到的電壓、電流、狀態(tài)信號(hào)與所設(shè)定值比較，控制高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊通斷，以及報(bào)警。
本發(fā)明的系統(tǒng)電源模塊全部采用開(kāi)關(guān)電源。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是·全面使用開(kāi)關(guān)電源替代過(guò)去的功頻電源，重量輕、體積小、輸入電壓范圍寬、高效節(jié)能。
·使用直焊式AC-DC小型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源模塊和DC-DC隔離變換器模塊，使得整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)功耗小于5瓦，大大減小體積和重量。
·高壓功率輸出，前端采用降壓變換器，提供一個(gè)可調(diào)電壓輸出，供給其后端的開(kāi)關(guān)占空比固定的推挽電路和高壓倍壓電路，使得輸出功率在3×10-5瓦------150瓦變化的范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的高壓輸出。
·采用微控制器和A/D、D/A轉(zhuǎn)換等技術(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制、顯示、通訊更加智能化。RS232/RS485微機(jī)通訊接口，便于聯(lián)網(wǎng)控制。
·整個(gè)系統(tǒng)軟件用工程C語(yǔ)言編寫(xiě)，移植性好，易于實(shí)現(xiàn)多種功能。
·電磁兼容性(EMC)及安全防護(hù)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
附

圖1.智能濺散離子泵電源控制器方框圖。其中，1--高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊電路，2--高壓信號(hào)處理及反饋模塊，3--微控制器模塊，4--系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊。5-濺散離子泵。
附圖2.智能濺散離子泵電源控制器示意圖。其中，6-高壓設(shè)定，7-過(guò)流保護(hù)，8-最大輸出電流設(shè)定，9-電壓取樣，10-離子流取樣，11-數(shù)模轉(zhuǎn)換，12-模數(shù)轉(zhuǎn)換，13-微控制器，14-鍵盤(pán)/顯示，15-通訊，16-報(bào)警。
附圖3.高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊電路圖。其中，附圖3(a)—開(kāi)關(guān)電源功率模塊，附圖3(b)—高壓倍壓和取樣模塊。
附圖4.高壓信號(hào)處理及反饋模塊電路圖。
附圖5.微控制器模塊電路圖。
附圖6.系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊電路圖。
附圖7.為系統(tǒng)工作流程示意圖。
參見(jiàn)附圖3，高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊由開(kāi)關(guān)電源功率模塊和高壓倍壓模塊組成。附圖3(a)為開(kāi)關(guān)電源功率模塊，由系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊提供的經(jīng)過(guò)濾波220交流電由D1和C1獲得約300伏的未經(jīng)穩(wěn)壓調(diào)整的直流電。由Q1、D2、L1、C2、U1組成的典型降壓變換器向后端的推挽電路提供一個(gè)電壓可調(diào)的電源。U3(SG3525)為PWM(Pulse WidthModulation)專用開(kāi)關(guān)電源集成電路。設(shè)定高壓、最終的輸出高壓和離子流經(jīng)由高壓信號(hào)處理及反饋模塊處理和放大，接入U(xiǎn)3差分放大器的兩端，它們之間的相互比較通過(guò)U3、光偶ISO1和功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器U1，最終使得Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷占空比發(fā)生變化并達(dá)到一種平衡。U2同樣為SG3525，工作方式稍有不同，輸出兩路占空比恒定推挽脈沖，使得Q2、Q3輪流導(dǎo)通，最終在變壓器T1(變比1∶8)的次極(JP1、JP2)形成高壓方波。U2、U3的工作頻率同為40KHz。圖中的R6、C4、D3、D4、R12為尖峰脈沖抑制電路，R4、R26、R27、Q4、Q5、Q6和光偶U4組成開(kāi)關(guān)脈沖過(guò)流保護(hù)電路。
附圖3(b)為高壓倍壓和取樣模塊。經(jīng)T1輸出的高壓方波由JP9、JP10輸入，然后由C60、D20、C59、D18、C58、D16、C56、D15組成的四倍壓電路整流升壓，再由R82、L2輸出。R83-----R89組成輸出高壓、電流取樣網(wǎng)絡(luò)，K1----K4用于輸出電流的放大和量程切換。取樣和控制信號(hào)最終經(jīng)由JP8輸出至高壓信號(hào)處理及反饋模塊2。
參見(jiàn)附圖4，高壓信號(hào)處理及反饋模塊的三路取樣信號(hào)，經(jīng)由D5、R34、C26、D6、R36、C27、D7、R37、C28組成的濾波和尖峰脈沖抑制電路，分別送入由LM324構(gòu)成的跟隨器，阻抗隔離。隔離后的取樣信號(hào)，分別輸入差分放大器，通過(guò)微處理器模塊接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。反饋的高壓和電流信號(hào)經(jīng)由R51、R52相加，送入放大器同相輸入端，經(jīng)過(guò)處理后輸出的最大輸出功率限制信號(hào)與電壓信號(hào)通過(guò)LM1B共同接入SG3525的反相輸入端。R56用于最大輸出功率限制調(diào)整。它的目的是當(dāng)輸出功率小于最大輸出功率時(shí)，電路施行穩(wěn)壓控制，當(dāng)輸出功率增加并等于最大輸出功率時(shí)，輸出電流的增加將導(dǎo)致高壓的下降。U6為七路達(dá)靈頓陣列，用于控制圖3中K1----K4繼電器的開(kāi)關(guān)。
參見(jiàn)附圖5，微控制器模塊由六個(gè)部分組成微控制器由AT89C52擔(dān)任(U7)，與Intel公司的80C32兼容。A/D轉(zhuǎn)換由兩片TLC549串行輸出8位A/D轉(zhuǎn)換器擔(dān)任(U11、U12)，測(cè)量電壓、電流。D/A轉(zhuǎn)換由一片TLC7524并行輸入8位DAC轉(zhuǎn)換器擔(dān)任(U8)，用于輸出高壓設(shè)定。報(bào)警U9是一片將復(fù)位控制器、看門(mén)狗定時(shí)器和串行EEPROM接為一體的單片集成電路。它的串行EEPROM可用于離子流報(bào)警閾值上下限的設(shè)置以及一些系統(tǒng)關(guān)鍵配置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。實(shí)際采集的輸出離子流將實(shí)時(shí)同設(shè)定閾值比較，并同時(shí)檢測(cè)U10的PC2輸入口。報(bào)警時(shí)將關(guān)斷高壓電源。通訊接口支持RS232C協(xié)議，接口采用MAX202E。鍵盤(pán)/顯示由一片8155管理六只鍵盤(pán)和4位高亮度數(shù)碼管。鍵盤(pán)功能包括報(bào)警閾值設(shè)定、開(kāi)關(guān)高壓、電壓電流顯示選擇等功能。顯示包括高壓值、離子流和報(bào)警狀態(tài)等。
參見(jiàn)附圖6，系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊的U17為直焊式AC-DC小型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源模塊，直接將交流220伏變?yōu)橹绷?伏輸出。該5伏電源除供應(yīng)數(shù)字系統(tǒng)使用外，并通過(guò)DC-DC隔離變換器模塊U15、U16、U19、U18、U20將其變換為兩路+12伏輸出和+12伏輸出，供給U1、ISO1、U2，以及整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)使用。該系統(tǒng)模塊全部采用開(kāi)關(guān)電源模塊。
附圖7為系統(tǒng)工作流程示意圖。整個(gè)系統(tǒng)軟件用工程C語(yǔ)言編寫(xiě)。編譯后的下載程序約6K字節(jié)。
本發(fā)明的性能指標(biāo) 輸入120V～260V交流輸入，47Hz～63Hz，最大輸入功率320W。
輸出+7000Vdc、+5000Vdc、+3000Vdc，最大輸出電流(短路電流)120mA，最大輸出功率150W(3KV/50mA)。
輸出電壓、電流LED顯示，RS232/RS485微機(jī)通訊接口。
兩點(diǎn)輸出離子流報(bào)警閾值點(diǎn)設(shè)定。
環(huán)境溫度范圍-10～40℃，濕度最大90％(非凝結(jié))。
電磁兼容性(EMC)符合IEC1000。
安全防護(hù)符合EN61010。
重量4.4Kg。
體積195×300×120(寬×深×高)。
權(quán)利要求
1.一種智能濺散離子泵電源控制器，其特征在于它由高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊[1]、高壓信號(hào)處理及反饋模塊[2]、微控制器模塊[3]和系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊[4]構(gòu)成，高壓信號(hào)處理及反饋模塊[2]的一端與高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊[1]相連接，另一端與微控制器模塊[3]相連接，系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊[4]的一端與高壓信號(hào)處理及反饋模塊[2]相連接，另一端與微控制器模塊[3]相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的智能濺散離子泵電源控制器，其特征在于所說(shuō)系統(tǒng)電源模塊全部采用開(kāi)關(guān)電源。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于開(kāi)關(guān)電源方式的智能濺散離子泵電源控制器。它由高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊、高壓信號(hào)處理及反饋模塊、微控制器模塊和系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊構(gòu)成,高壓信號(hào)處理及反饋模塊的一端與高壓產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源模塊相連接,另一端與微控制器模塊相連接,系統(tǒng)支持開(kāi)關(guān)電源模塊的一端與高壓信號(hào)處理及反饋模塊相連接,另一端與微控制器模塊相連接。本發(fā)明全面使用開(kāi)關(guān)電源替代過(guò)去的功頻電源,重量輕、體積小、輸入電壓范圍寬、智能化程度高、高效節(jié)能。
文檔編號(hào)C23C14/34GK1345985SQ0011259
公開(kāi)日2002年4月24日 申請(qǐng)日期2000年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月4日
發(fā)明者高輝, 王勇, 劉興華, 蔣道滿, 吳青林, 盛六四, 張?jiān)饰?申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)