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前言
設計像etracer這樣的真空管測管機,有很多因素需要考慮,例如最高測試電壓,最高測試電流,最低負壓,燈絲電壓與電流範圍等等。理想上,我們希望測試電壓與測試電流越高越好,但是這些規格往往是互相牴觸的,例如在有限的類比/數位轉換器(ADC)解析度下,測試電流範圍越寬廣,測試精度就越差。還有一個很重要的因素,就是產品的價格定位,越高級的規格,往往伴隨著更大的體積,與更高的價格,俗話說:"便宜無好貨",便是此理。對於工作在最高電壓達800V DC的etracer而言,所有的零件都必須經過仔細的考慮與選擇,以確保機器可以在未來長達數十年的時間裡正常工作。市面上有一些測管機的成品或是套件,雖然乍看之下便宜大碗,但是以我個人淺見,它們的零件選擇常有一些問題,規格不夠的零件,壽命堪慮不說,輕則燒機,重則傷人,買家豈可不慎乎?在此文章裡,我們將針對高壓這個方面,深入討論etracer的設計考量。

半導體元件的考量
隨著現代電動汽車的持續發展,市面上有越來越多的高壓用途MOS晶體和IC晶片,這些新元件可以讓etracer的體積跟重量大幅減輕。在高壓 MOSFET元件裡,大約的Vds(drain to source voltage)耐電壓分級為:800V、1200V、1500V等等。800V可以算是一個甜蜜點,因為市面上可以找ˋ到耐壓800V,導通電阻(Rds)非常小(<50m Ohms)的NMOS晶體,封裝在TO-220的大小。也可以找到一些800V NMOS,體積小至TO-92。並且800V已經可以滿足大部分音頻真空管測試的需求了。如果把設計目標放大到1000V,電壓只高了200V,但是滿足這個電壓下Rds要小於50m Ohms的晶體塊頭都不小,驅動方式也困難許多。

下圖是etracer在測試周期高壓電容的放電路徑。透過下圖我們可以觀察到電流從C26(藍色方形電容)的正端出發,流經Q7 (SPA17N80C3),R48 (8.2 ohms),Dˊ6(保護二極體),F1(高壓保險絲),R40(15 ohms,電流在此量測),最後回到C26的負端。這些電阻值加起來大約為25 ohms (8.2+15+(Q7的Rds)+其餘零件電阻與電路板走線電阻)。在此我們可以清楚看到Q7的導通電組Rds是串連在這個放電路徑裡的,因此我們希望Rds越低越好。

 
etracer HV1量測電流時的放電路徑

 我們之所以希望NMOS Q7的Rds越低越好,是因為這個電阻是高壓放電路徑的一部分。而這個Rds的數值不旦是每顆零件不同,它還會隨著溫度而變化。如果這個電阻遠小於放電路徑內其他零件的阻值總和,則這個Rds的變化可以被安全的忽略。但是如果Rds的數量級接近其他零件的阻值總和時,這個Rds的變化量必須被補償,否則會造成相當的量測誤差。以下舉例說明Rds誤差對一個總電阻20 ohms的放電路徑所造成的影響:

觀察以上二例,我們可以清楚看到例一的誤差(0.2%)可以安全的忽略,而例二則必須做適當補償,否則會有相當高的5.7%誤差。不幸的是這種針對溫度進行補償的方式並不容易實現。值得注意的是,以上二例,我們用的整體阻值算是比較大的,因此Rds相較之下還比較小,如果為了要量測更大的電流值,而讓整體組值變小,則誤差會被進一步放大。例如etraer的兩倍電流修改,整體電阻會下降到13 ohms。此時例一的阻值會變化到13.36/13=100.45%,而例二的阻值變化則高達(13+9.6)/(13+8)=107.6%!!

etracer採用的SPA17N80C3 NMOS晶體在室溫下的最大導通電阻值為0.29 ohms。下圖是從SPA17N80C3資料手冊裡擷取的圖片,說明溫升對於導通阻值的變化。我們可以看到僅僅10攝氏度的變化,就會導致Rds 20%的變化。


SPAN17N80C3內阻對於溫度的變化

如果我們把目標設定在1000V,那麼在相同的TO-220包裝下我們的選擇僅有STD2NK100Z之類的NMOS。STD2NK100Z室溫下的最大導通電阻是8.5 ohms,是SPA17N80C3的28倍。除非我們採用更大封裝的晶體,800V已經是我們能找到低內阻NMOS晶體的極限電壓了。

下圖節錄自STD2NK100Z的資料手冊,我們可以觀察到與SPA17N80C3相似的內阻相對溫度的曲線,注意此圖是經過歸一化(Normalized)處理的,當室溫為25攝氏度時Rds歸一化為1(以紅色標示)。我們可以在此圖中觀察到當溫升12攝氏度時內阻變化約為10%。注意這個12攝氏度的溫度差很容易是一天早晚的差別,或是冬天與春天室內溫度的差別。


STD2NK100Z內阻對於溫度的變化

被動元件
每組etracer高壓電路徑裡使用到的被動元件,包括一顆大的長方體45uF/800V MKP塑料電容,用來儲存能量,以及一些分壓或是放電用的電阻。那兩顆藍色的MKP電容,可以算是etracer PCB的指標特色。我們採用這種大又昂貴的MKP電容,而不是較便宜的電解電容,原因是這種塑料電容基本上在各項規格裡都徹底優於電解電容,例如:ESR,操作頻率與最重要的耐用度。並且,如果採用電解電容的話,有必要串聯兩顆,以達到耐800V以上高壓的目的,這樣又增加了另一層不確定性。這種MKP電容可以保持電容特性到200kHz以上,而一般高壓電解電容到了20kHz都已經不像是電容,反倒像個電感了。


etracer上使用的45uF/800V MKP電容(紅框處),EPCOS製造

在低壓電源供應部分(+/- 12V,5V,3.3V,燈絲電源)我們一律採用高品質的固態電容,這些電容被普遍用在高品質的PC主機板上。這些固態電容有著極低的ESR以及極長的壽命。我們的電容購自台灣ISO-9000大廠Gemcon。


etracer採用固態電容(紅框處)

關於電阻部分,有趣的是大多數人都不知道電阻除了有額定耐功率值以外,還有額定耐壓值。額定耐壓值跟電阻結構有關,以線繞電阻來說,電阻值是靠著多圈數的電阻絲產生的,在電阻兩端加上過高的電壓,有可能擊穿相鄰的繞線,使得電阻短路或開路。一般市面上的電阻的額定電壓值是300V左右,這個數值連etracer 750V的一半都不到。因此,我們特別訂製了高壓專用的電阻,外觀是棕色,這些電阻訂購自台灣的ISO-9000工廠,耐壓為1500V。

訂製的1500V高壓電阻(紅框處)

保險絲,連接器與電線
與電阻規格相似,保險絲也是有額定電壓標示的,額定電壓代表保險絲兩端能夠承受的最大電壓。乍聽之下似乎怪怪的,保險絲不就是一段內阻稍高的導體嗎?其實這也是和保險絲的構造有關,當保險絲將要融斷時,最高電壓會出現在保險絲兩端,如果保險絲的耐壓不夠,有可能會導致安全問題,例如玻璃管爆裂。一般常見的保險絲耐壓值為250AC,因為保險絲最常被用來在市電輸入端做保護。這種"低壓"保險絲可以常見到5mmx20mm的小尺寸。

對於高壓保護,我們需要特殊的保險絲,這些保險絲通常很貴,體積也很大。舉例而言,etracer用的SIBA 1000V/350mA超快速保險絲一顆市售價為美金$8,而且體積也大得多,為6.3mmx32mm。


SIBA 315mA/1000V高壓保險絲(紅框處)

連接器也是高壓電路上很重要的一環,卻往往為人所忽略。一般針腳間距在2.0mm到2.5mm的連接器都是設計給100VDC內的低電壓使用的。除了針腳間隙外,連接器的塑料部分也必須能夠耐高壓。Molex 5197系列連接器可以在1500VAC時承受一分鐘以上,因此可以在etracer的 800VDC脈衝測試下安全工作。


Molex 5197系列連接器(紅框處)

結論
對於長期在高壓下工作的電路,元件的選擇是必須非常小心謹慎的,這些往往是消費者無法看到的細節,而這些細節,卻與成本售價息息相關。etracer在設計時,每項元件均經過仔細的選擇,以確保長期工作的穩定性,避免無法預期的傷害。