高压电源控制板采样电路优化
一台塑料静电分选用高压电源，输出直流50kV，最大电流100mA，分选机要求输出电压稳定度优于0.5%，即250V以内。第一版采样用一只高压臂1000MΩ电阻串低压臂1kΩ电阻，分压比1000:1，低压臂电压送12位ADC。装机后夏天输出偏出1.2%，冬天回到0.3%，季节温差40℃把分压比拉飘了0.9%。查下来高压臂电阻温漂200ppm/℃，40℃漂0.8%，低压臂温漂50ppm/℃，两者不匹配。采样电路优化的第一步，是把温漂匹配做掉，不是先换ADC位数。
高压臂电阻选金属釉膜还是金属箔，差别大。金属釉膜温漂100到200ppm/℃，价格便宜；金属箔温漂5ppm/℃，价格贵十倍。高压臂由十只100MΩ电阻串联组成，每只温漂100ppm，整串温漂还是100ppm，因为串联电阻温漂按算术平均不按长度叠加。把十只全换成金属箔，温漂压到5ppm/℃，40℃温差漂0.02%，季节漂移消失。金属箔每只约80元，十只800元，比金属釉贵700元，但现场输出稳定度从1.2%进到0.2%，分选合格率上来，账算得过来。
高压臂电阻自发热不能忽略。50kV加在1000MΩ上，流过50µA，单只100MΩ电阻功耗0.25W，选1W封装。电阻本体温度比环境高15℃，这个温升在电阻内部形成温度梯度，温漂在梯度下比均匀温度场更严重。把高压臂电阻分散布置，不挤成一串，每只电阻之间留20mm空隙，电阻本体温升从15℃降到6℃。集中布置时整串温漂在自发热下额外加0.1%，分散布置压到0.03%。高压臂电阻散热不是给机箱散热，是给每只电阻留通风空间。
高压臂寄生并联电容在脉冲下重新分配分压比。直流下分压比由电阻比定，脉冲下高压臂十只电阻每只寄生电容约0.1pF，串联后总寄生电容约1pF，与低压臂输入电容约100pF并联。脉冲前沿时电容比分压，前100µs内读数比稳态高2%，100µs后电容充满，读数才回到电阻比。这台电源是直流输出，脉冲分量小，但开关机瞬间有2ms过渡过程，这期间采样读数漂。在低压臂并一只温度系数匹配的补偿电容，容值按高压臂寄生电容折算，调到脉冲前后读数一致。补偿电容选NPO陶瓷，温漂30ppm/℃，容值3.3pF。
低压臂电阻与高压臂要同批次匹配。高压臂用金属箔温漂5ppm，低压臂也用同系列金属箔，但不是同批次。同系列不同批次温漂有±2ppm偏差，40℃温差偏差0.008%，看起来小，但叠加到其余漂移项里。把高压臂十只与低压臂一只从同一批物料里挑出来，在恒温箱里-10℃到50℃测分压比，温漂曲线一致的一组才装机。挑选工序每批约三十组，每组测四点温度，工时一小时。挑完的板子分压比温漂压到2ppm/℃以内。不挑批次，温漂在5到10ppm之间飘，挑了之后稳在2ppm。
ADC选16位还是12位要看采样噪声。12位ADC满量程5V，分辨率1.2mV，对应高压侧1.2V，看起来够50kV精度。但实际采样输出噪声约3mV峰峰，12位ADC量化噪声1.2mV，加起来读数跳动3.2mV，对应高压侧3.2V，占50kV的0.006%，够。为什么换16位？16位ADC分辨率0.08mV，量化噪声远小于采样噪声，读数跳动全由采样噪声决定。12位换16位后读数跳动没变小，因为噪声比量化噪声大。换16位是心理安慰，把采样噪声压下去才是正路。
采样前端RC滤波带宽按环路带宽定。这台电源环路响应时间约10ms，环路带宽约16Hz，前端RC滤波截止频率定160Hz，十倍于环路带宽，不影响环路动态。RC由1kΩ电阻与1µF电容组成，时间常数1ms，对应截止频率160Hz。早期RC用10kΩ加100nF，截止频率160Hz，但10kΩ电阻与ADC输入电容形成额外滤波，ADC采样瞬间采样电容充电不进来，读数偏小0.5%。把电阻降到1kΩ，ADC采样电容1µs内充满，读数准确。前端滤波电阻不能太大，大了ADC充电不充分。
ADC参考电压是另一处漂移源。ADC参考源用2.5V带隙基准，温漂20ppm/℃，40℃温差漂0.08%，与高压臂温漂0.02%叠加，总漂移0.1%。参考源加温度补偿，在恒温箱里测-10℃到50℃参考电压曲线，做成补偿表存MCU里，采样读数按温度插值修正。补偿后参考源温漂压到2ppm/℃。参考源不补偿，光靠换高精度ADC没用，参考源漂了ADC再准也白搭。
采样线屏蔽层单端接地。高压臂输出到ADC输入端用同轴线，屏蔽层在ADC端接地，高压端悬空。双端接地形成地环路，地环路电流在屏蔽层上产生压降串进芯线，读数多1mV。早期双端接地，车间里变频器启动时读数跳5mV；单端接地后跳0.5mV。屏蔽线长度不超过300mm，长了屏蔽层上感应的共模噪声大。采样线在板上走线时不平行功率线，平行耦合比垂直大十倍。
零点与增益双点校准。出厂时先不接高压，测零输入时ADC读数，这是零点偏移；再加额定50kV高压，测ADC读数与标准高压表比对，算增益系数。两个系数存在MCU片上存储器里，每块板单独一组。早期不校准，每块板分压比偏差±0.5%，出厂后客户那台电压偏高0.5%、这台偏低0.5%，一致性差。校准后全机一致性压到±0.1%。校准用标准高压表精度0.1级，每年送计量院校准。校准系数随板走，换控制板要重新校准。
采样输入保护不能省。高压臂万一开路，50kV直接加到低压臂，低压臂电阻瞬间烧穿，再加到ADC输入端。在ADC输入端加一只10V双向钳位二极管与一只1kΩ限流电阻，高压臂开路时钳位二极管把电压钳在10V，限流电阻把电流限制在mA级，ADC不烧。早期没加保护，一次高压臂电阻虚焊，50kV窜到低压侧，ADC整片烧，换ADC加拆板工时两百元。加保护后高压臂开路只烧钳位二极管，换二极管十分钟。
采样电路功耗要算。高压臂1000MΩ在50kV下耗散0.25W，这个功耗在高压臂电阻上变成热，热再影响温漂。把高压臂电阻分成两段，中间接一只均压电阻，把功耗分散。或者用更高阻值的高压臂，2000MΩ，功耗降到0.125W，但阻抗高了对噪声敏感，1pF寄生电容在采样频率下阻抗100MΩ，与2000MΩ高压臂并联分压，脉冲响应差。阻值选1000MΩ是功耗与抗噪的折中。
采样线不要走板边，走板心。板边走线对地阻抗低，板上灰尘受潮后沿板边形成微弱漏电流，串进采样线。走板心，两侧有地铜保护环，漏电流被地铜收集，不进采样。早期采样线走板边，梅雨季零点漂移从0.1mV漂到2mV，因为板边受潮漏电流叠加在采样回路上。改版走线移到板心，加保护环，梅雨季零点漂移压回0.2mV。板边在高压板上是漏电流通道，低压敏感走线别走板边。
高压臂电阻外罩一层金属屏蔽筒。十只100MΩ电阻竖直串成一列，外面罩一段直径20mm的紫铜圆筒，圆筒接地。没有屏蔽筒时，电阻列周围空气杂散电容不均匀，靠近机壳一侧电容大，远离一侧电容小，脉冲下分压比在圆周方向不一致，读数随电阻列安装方向飘2%。加屏蔽筒后圆周方向电容对称，读数不随方向飘。屏蔽筒直径比电阻列大10mm，留空气隙，气隙不灌封，灌封后介电常数变了要重新校。屏蔽筒也把电阻列与周围高压走线隔开，互不影响。
高压臂每只电阻并联一只100pF均压电容。十只电阻串联，每只上压降5kV，但电阻本身有±1%阻值偏差，偏差大的那只上压降比均值高50V，长期运行那只先老化。每只电阻并100pF电容，电容在交流成分下均压，电阻偏差对直流压降影响小。早期没并电容，跑一年后有一只电阻阻值漂移超差，整串分压比偏2%。并电容后每只电阻压降一致，两年没有单只老化。均压电容选NPO陶瓷，温漂小，高压型额定电压3kV，留裕量。
采样读数在MCU里做滑动平均。ADC每1ms采一次，连续采32次取平均，时间窗32ms。32次平均后读数噪声从3mV压到0.5mV。滑动平均时间窗不能太长，长了环路响应慢，这台电源环路要求响应时间10ms，32ms窗太长，改成8次平均，噪声压到1mV，响应时间8ms刚好。平均次数在噪声与响应之间取，8次是这台电源试出来的。不平均读数跳3mV，平均8次跳1mV，够了。
模拟地与数字地在采样芯片下分割。ADC芯片是模拟数字混合器件，芯片下方模拟地与数字地之间用0Ω电阻单点连接。早期整面地铜不分，数字地脉冲电流在地上产生压降，串进模拟参考，读数跳动从1mV升到3mV。分割后数字地只在芯片下方一小块，数字脉冲电流不进模拟地，跳动压回1mV。分割缝宽2mm，缝下不铺铜，数字线不跨分割缝。塑料分选机对采样精度的要求不如分析仪器苛刻，分割做到这个程度就够，再细分板面积占不起。
采样电路老化每年复测一次。跑满一年后，再用标准高压表比对一次，偏出0.3%以上重新校准。早期不测，跑两年后分压比偏0.8%，客户那台电压偏低，分选效果差。年度复测每台电源二十分钟，在维护间隙做，不影响生产。复测数据记在履历表上，哪台老化快一目了然。采样精度不是校准一次管终身，电阻在老化，每年都要校。
采样电路布局上预留校准点。板上留测试焊盘，分别测高压臂中点电压、低压臂输出、ADC输入，校准用高精度数字表探针直接点。早期没留测试点，校准时要焊飞线，每块板多花十分钟，飞线还影响高频。预留测试点后校准时间缩到五分钟，测试点直径2mm，周围1mm不铺铜。测试点在低压侧，不影响高压爬电距离。
采样量程切换用继电器。这台电源量程分两档，0到25kV一档、0到50kV一档，低压臂电阻在两档间切换。继电器触点接触电阻在两档间差异要小于0.1Ω，否则两档增益不一致。早期用普通继电器，触点氧化后接触电阻漂移，两档增益偏差0.3%。换镀金触点继电器，两年不氧化，两档增益偏差0.05%。继电器线圈由MCU控制，切换时先把输出电压降到零再切，防止触点拉弧。
采样电路优化没有终点。高压臂电阻温漂、低压臂匹配、ADC参考源、前端RC、屏蔽接地、零点增益校准六项，每一项优化都挤掉一点漂移。这台塑料分选电源从初版夏天偏1.2%，改到优化后全年偏0.2%，分选合格率从95%进到99%。代价是高压臂电阻成本从一百元涨到八百元，校准工序每块板半小时。采样精度不是靠位数堆出来的，是把每一个漂移源一个一个压住。至今在冬季低温启动时，头十分钟采样读数还会偏0.3%，因为电阻温度还没稳定，十分钟后回到0.1%以内，这个开机预热时间目前没有缩短办法。
