具有双反馈回路的精密高电压电力供应装置

相关申请

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2020年6月12日提交的标题为“DUALFEEDBACK LOOP FOR PRECISION HIGH VOLTAGE POWER SUPPLY(用于精密高电压电力供应装置的双反馈回路)”的美国临时专利申请序列号63/038588的权益，所述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于在需要精密高电压电力的仪器(例如，质谱仪和电子显微镜)中使用的高电压电力供应装置。具体地，本发明涉及一种高电压电力供应装置，其特征在于用于控制由所述电力供应装置输出的电力的双反馈回路。

背景技术

高电压(HV)电力供应装置(例如，输出在1kV或更大幅值范围内的DC电压)需要反馈控制回路来使所述电力供应装置能够以期望的精度水平输出高电压，即，输出幅值在期望的设定点电压的可接收容差范围内的电压。在典型配置中，HV电力供应装置感测所述输出电压并且通过模拟或数字回路将其反馈回来以控制HV电力供应装置的操作，从而实现低频噪声和百万分(ppm)之几的漂移。

典型HV电力供应装置在其反馈控制回路中使用了各种部件，这些部件会在输出电压中引入噪声和漂移。需要许多这样的部件来实现电力供应装置，从而使得很难将它们对输出电压的总劣化效应保持足够低以实现期望的精度水平。某些仪器(诸如飞行时间(TOF)质谱仪和电子显微镜)的性能因其内部HV电力供应装置的噪声和漂移而劣化。

目前需要提供一种能够以期望的高精度水平可靠地供应输出电压的HV电力供应装置。

发明内容

为了全部或部分解决上述问题和/或本领域技术人员可能已经观察到的其他问题，本公开文本提供了如通过举例的方式在以下列举的实现方式中所描述的方法、过程、系统、装置、仪器和/或设备。

本文公开了一种输出具有高精度的输出电压的高电压(HV)电力供应装置。所述输出电压由控制信号确定或控制，所述控制信号通过双模拟/数字反馈回路被提供给高电压源。控制信号至少部分地由误差放大器来确定，所述误差放大器接收根据输出电压成比例地衰减的测量信号、和数模转换器(DAC)输出信号。模数转换器(ADC)也接收测量信号，并将其以数字化形式传输到数字处理器。数字处理器基于测量信号以及基于与期望从高电压源输出的输出电压的设定点电压值相对应的数字设定点输入信号来计算数字DAC数据信号。DAC接收DAC数据信号，并将其转换成被传输到误差放大器的DAC输出信号。在实施方案中，添加ADC以实现数字反馈回路提高了所述HV电力供应装置的精度，而不会引入显著的额外误差(例如，噪声、漂移等)。

根据一个实施方案，一种高电压(HV)电力供应装置包括：高电压输出端；高电压源，所述高电压源包括控制信号输入端，并且被配置成基于在所述控制信号输入端处接收的控制信号在所述高电压输出端处输出输出电压；分压器，所述分压器被配置成根据所述输出电压产生成比例衰减的测量信号；误差放大器，所述误差放大器包括反馈输入端、设定输入端、和放大器输出端，其中，所述误差放大器被配置成在所述反馈输入端处接收来自所述分压器的所述测量信号、在所述设定输入端处接收数模转换器(DAC)输出信号、基于所述测量电压信号和所述DAC输出信号产生所述控制信号、以及将所述控制信号从所述放大器输出端输出到所述控制信号输入端；模数转换器(ADC)，所述模数转换器被配置成接收来自所述分压器的所述测量信号、将所述测量信号转换成ADC数据信号、以及输出所述ADC数据信号；数字处理器，所述数字处理器被配置成接收来自所述ADC的所述ADC数据信号、接收数字设定点输入信号、以及基于所述ADC数据信号和所述数字设定点输入信号产生数字DAC数据信号，其中，所述数字设定点输入信号对应于期望在所述高电压输出端处输出的所述输出电压的设定点电压值；以及数模转换器(DAC)，所述数模转换器被配置成接收来自所述数字处理器的所述数字DAC数据信号、将所述数字DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号、以及将所述DAC输出信号输出到所述设定输入端，其中，所述数字处理器被配置成计算所述数字DAC数据信号的值，所述值有效地将由所述误差放大器输出的所述控制信号设定成有效地将由所述高电压源输出的所述输出电压调节成所述设定点电压值的值。

根据另一个实施方案，一种高电压(HV)电力供应装置包括：高电压输出端；高电压源，所述高电压源包括控制信号输入端和与所述高电压输出端连通的返回侧，其中，所述高电压源被配置成基于在所述控制信号输入端处接收的控制信号和在所述返回侧处接收的放大器输出信号而将如从所述返回侧测量的输出电压输出到所述高电压输出端；分压器，所述分压器被配置成根据所述输出电压产生成比例地衰减的测量信号；误差放大器，所述误差放大器包括反馈输入端、设定输入端和放大器输出端，其中，所述误差放大器被配置成在所述反馈输入端处接收来自所述分压器的所述测量信号、在所述设定输入端处接收数模转换器(DAC)输出信号、基于所述测量信号和所述DAC输出信号产生所述放大器输出信号、以及将所述放大器输出信号从所述放大器输出端输出到所述返回侧；模数转换器(ADC)，所述模数转换器被配置成接收来自所述分压器的所述测量信号、将所述测量信号转换成ADC数据信号、以及输出所述ADC数据信号；数字处理器，所述数字处理器被配置成接收来自所述ADC的所述ADC数据信号、接收来自所述误差放大器的所述放大器输出信号、接收数字设定点输入信号、以及基于所述ADC数据信号、所述放大器输出信号和所述数字设定点输入信号产生第一数字DAC数据信号和第二数字DAC数据信号，其中，所述数字设定点输入信号对应于期望在所述高电压输出端处输出的所述输出电压的设定点电压值；第一数模转换器(DAC)，所述第一数模转换器被配置成接收来自所述数字处理器的所述第一数字DAC数据信号、将所述第一数字DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号、以及将所述DAC输出信号输出至所述设定输入端；第二DAC，所述第二DAC被配置成接收来自所述数字处理器的所述第二数字DAC数据信号、将所述第二数字DAC数据信号转换成所述控制信号、以及将所述控制信号输出至所述控制信号输入端，其中，所述数字处理器被配置成计算所述第一数字DAC数据信号和所述第二数字DAC数据信号的相应值，所述相应值有效地将所述放大器输出信号设定成有效地将由所述高电压源输出的所述输出电压调节成输入到所述设定点电压值的所述数字电压设定点。

根据另一个实施方案，一种带电粒子处理装置包括：根据本文公开的任一实施方案的HV电力供应装置；以及带电粒子处理设备，所述带电粒子处理设备包括电极和用于容纳带电粒子的腔室，其中，所述带电粒子处理设备被配置成将由所述HV电力供应装置输出的高电压施加到所述电极以生成电场，所述腔室中的所述带电粒子暴露于所述电场。

根据另一个实施方案，一种用于供应高电压的方法包括：基于由所述高电压源接收的控制信号从所述高电压源输出输出电压；根据所述输出电压产生成比例衰减的测量信号；将所述测量信号传输到误差放大器的反馈输入端，并且传输到模数转换器(ADC)；以及在所述ADC中，将所述测量信号转换成ADC数据信号，并且将所述ADC数据信号传输到数字处理器。所述方法还包括：在所述数字处理器中，接收与期望从所述高电压源输出的所述输出电压的设定点电压值相对应的数字设定点输入信号、基于所述ADC数据信号和所述数字设定点输入信号产生数字DAC数据信号、并且将所述数字DAC数据信号传输至数模转换器(DAC)。所述方法还包括：在所述DAC中，将所述数字DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号，并且将所述DAC输出信号传输到所述误差放大器的设定输入端；以及在所述误差放大器中，基于所述测量信号和所述模拟DAC输出信号产生所述控制信号，并且将所述控制信号传输到所述高电压源。根据所述方法，所述数字处理器计算所述数字DAC数据信号的值，所述值有效地将所述误差放大器产生的所述控制信号设定成有效地将由所述高电压源输出的所述输出电压调节成所述设定点电压值的值。

根据另一个实施方案，一种用于供应高电压的方法包括：基于由所述高电压源接收的控制信号从所述高电压源输出输出电压；根据所述输出电压产生成比例衰减的测量信号；将所述测量信号传输到误差放大器的反馈输入端，并且传输到模数转换器(ADC)；以及在所述ADC中，将所述测量信号转换成ADC数据信号，并且将所述ADC数据信号传输到数字处理器。所述方法还包括：在所述数字处理器中，接收与期望从所述高电压源输出的所述输出电压的设定点电压值相对应的数字设定点输入信号；接收来自所述误差放大器的放大器输出信号；基于所述ADC数据信号、所述数字设定点输入信号和所述放大器输出信号产生第一数字DAC数据信号和第二数字DAC数据信号；将所述第一数字DAC数据信号传输到第一数模转换器(DAC)；以及将所述第二数字DAC数据信号传输到第二数模转换器(DAC)。所述方法还包括：在所述第一DAC中，将所述第一数字DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号，并且将所述DAC输出信号传输至所述误差放大器的设定输入端；在所述误差放大器中，基于所述测量信号和所述模拟DAC输出信号产生所述放大器输出信号；以及在所述第二DAC中，将所述第二数字DAC数据信号转换成所述控制信号，并且将所述控制信号传输到所述高电压源。根据所述方法，所述数字处理器计算所述第一数字DAC数据信号和所述第二数字DAC数据信号的相应值，所述相应值有效地将所述放大器输出信号设定为有效地将由所述高电压源输出的所述输出电压调节成输入到所述设定点电压值的所述数字电压设定点的值。

在查阅以下附图和详细描述后，本发明的其他设备、装置、系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是清楚的或将变得清楚。所有这些附加的系统、方法、特征和优点旨在包括在本说明书内，落入本发明的范围内，并由所附权利要求保护。

附图说明

通过参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定按比例绘制，而是强调说明本发明的原理。在附图中，在不同的视图中，相似的附图标记指定对应的部分。

图1是具有已知配置的典型精密高电压(HV)电力供应装置的示意图。

图2是根据本公开文本的实施方案的HV电力供应装置的实施例的示意图。

图3是根据本公开文本的另一个实施方案的HV电力供应装置的实施例的示意图。

图4是根据本公开文本的实施方案的可以被提供为HV电力供应装置或者被提供为其一部分的DC到DC转换器的实施例的示意图。

图5是在其中可以提供如本文所公开的HV电力供应装置的带电粒子处理装置(或设备、仪器、系统等)的实施例的示意图。

具体实施方式

如本文使用的，术语“高电压”通常是指1kV或更大范围内的电压。

图1是具有已知配置的典型精密高电压(HV)电力供应装置100的示意图。HV电力供应装置100包括HV源104，所述HV源将高电压(例如1kV或更大的高幅值直流(DC)输出电压)提供给HV输出端108的端子，所述端子可以连接到需要HV电力用于其操作的仪器。HV电力供应装置100具有控制信号输入端(“设定”)，并且被配置成(即，通过其电路系统和硬件)输出输出电压，所述输出电压的电平由在所述控制信号输入端处接收的控制信号112设定。取决于配置，控制信号112可以直接从使用者操作的设定或从与控制信号输入端连通的其他电路系统(未示出)中得到。

为了帮助将输出电压维持在期望的设定点电平(并且理想地具有期望的精度水平或容错度)，HV电力供应装置100还包括连接在HV源104与HV输出端108之间的单个模拟反馈回路116。反馈回路116包括分压器120(表示为两个电阻R1和R2)、误差放大器124、数模转换器(DAC)128和电压基准132。分压器120被配置成将HV输出端108处看到的输出电压分降至可以被反馈电路系统安全地用作低电压测量信号136的成比例衰减的电平(例如，比输出电压低若干个量级)。表示输出电压的测量信号136被馈送到误差放大器124的反相输入端(-)。如本领域技术人员所理解的，电压基准132(通常为连接到电力供应装置的小型集成电路(IC)(未示出))被配置成输出稳定的DC基准电压(例如，5V DC)。电压基准132可以(可选地经由电阻R3)耦接到误差放大器124的反相输入端以及耦接到DAC 128。在所展示的实施例中，对应于由HV电力供应装置100供应的输出电压的期望电平的设定点是馈送到DAC 128的输入端的数字设定点信号或DAC数据信号。DAC 128将数字设定点信号转换成模拟设定点信号140，并且将所述模拟设定点信号140输出到误差放大器124的非反相输入端(+)。误差放大器124将从分压器120接收到的测量信号136与设定点信号140进行比较，并且基于测量信号136与设定点信号140之间的差来输出误差信号。在所展示的实施例中，该误差信号被用作提供给HV源104的控制信号输入端的控制信号112。HV源104的内部控制电路系统利用控制信号112来确定HV源104需要对输出电压进行调节的量，使得供应给HV输出端108的输出电压紧密匹配(即，以一定的精度逼近)由数字设定点信号表示的期望设定点值。

如从以下描述将变得明显的，本文公开的实施方案提供了具有低速且高精度的数字反馈回路，所述数字反馈回路当被添加到HV电力供应装置时，提高了直流(DC)和低频下的输出电压精度。数字反馈回路减少了HV电力供应装置的低频噪声和漂移，由此提高了利用所供应电力的仪器的性能，例如提高了飞行时间(TOF)质谱仪的质量准确性。仍然保留模拟反馈回路(诸如以上所述且在图1中所展示的)，以保持瞬态响应和中频降噪，同时增添的数字反馈回路校正低频误差。当前公开的主题的一个方面涉及将模数转换器(ADC)添加到HV电力供应装置，这基本上没有引入其自身的额外误差来感测输出电压与期望的设定点值的DC和低频偏移。感测到的误差被用于调节控制信号，所述控制信号将输出返回或恢复到期望的电压。

图2是根据本公开文本的实施方案的高电压(HV)电力供应装置200的实施例的示意图。HV电力供应装置200可以表征为具有双回路(数字反馈回路加模拟反馈回路)HV电力供应架构。如本领域技术人员所理解的，图2中示意性地描绘的部件的一些或全部可以例如被体现在合适的物理结构(诸如印刷电路板(PCB))中。

HV电力供应装置200包括高电压(HV)源204，所述高电压源被配置成向高电压(HV)输出端208的端子供应高电压(通常例如1kV或更大的高幅值直流(DC)输出电压)，所述端子可以连接到需要HV电力来用于其操作的仪器。HV电力供应装置200具有HV源控制信号输入端(“设定”)，并且被配置成(即，通过其电路系统和硬件)输出输出电压，所述输出电压的电平由在所述控制信号输入端处接收的控制信号212设定。HV源204通常可以具有适用于输出高电平输出电压的任何配置，这通常需要将供应给HV源204的低电平电压放大或升压。在一个非排他性实施例中，HV源204是或者包括DC到DC转换器，以下结合图4描述其实施例。

HV电力供应装置200还包括连接在HV源204与HV输出端208之间的模拟反馈回路216。模拟反馈回路216包括分压器220(表示为两个电阻R4和R5)、误差放大器224、数模转换器(DAC)228和电压基准232。如以上指出的，分压器220被配置成将在HV输出端208处看到的输出电压分降至成比例衰减的测量信号236，所述测量信号处于与反馈电路系统兼容的低压电平。总体上，分压器220可以具有适用于HV电力供应装置200的电路系统的任何配置，诸如例如厚膜配置、薄膜配置、块状金属配置等。由于分压器220通常被罐封以耐受高电压，所以它可以轻易地被配置用于单独的温度调节。表示输出电压的测量信号236被馈送到误差放大器224的反馈输入端(或第一放大器输入端)以用于反馈。在所展示的实施例中，误差放大器224的反馈输入端在该输入端相对于高电压输出端为负的意义上来说在功能上是负反馈输入端，并且与误差放大器224的另一个输入端相比较，所述另一个输入端在本文中被称为误差放大器224的设定输入端(或第二放大器输入端)。电压基准232被配置成输出稳定的DC基准电压(例如，5V DC)，并且(可选地经由电阻R6)耦接到误差放大器224的反馈输入端以及耦接到DAC 228。电压基准232通常是如以上指出的小IC，其可以与HV电力供应装置200的电路系统的其余部分(例如，与PCB的主体)热隔离，以使能够以最小的功率进行精确温度控制。由于现在将描述的数字反馈回路244的稳定效果，仅提供分压器220和电压基准232的温度控制可能足以实现HV电力供应装置200的高稳定性，而不需要提供HV电力供应装置200的所有电路系统的温度控制。

除了模拟反馈回路216之外，HV电力供应装置200还包括连接在分压器220与DAC228之间的数字反馈回路244。数字反馈回路244包括ADC 248和数字(信号)处理器252(例如基于电子器件的控制器，诸如微控制器)。在实施方案中，ADC 248展现出至少20位的分辨率。电压基准232可以耦接到ADC 248。ADC 248被配置成接收由分压器220输出的测量信号236、将测量信号236转换成数字ADC数据信号、以及将ADC数据信号输出到数字处理器252。在本实施方案中，对应于由HV电力供应装置200供应的输出电压的期望电平的数字设定点输入信号(或数字电压设定点输入)被输入到数字处理器252。数字设定点信号可以例如通过使用者操作或通过与数字处理器252连通的其他电路系统(未示出)直接输入。

数字处理器252被配置成基于数字设定点输入信号和ADC数据信号来计算实现期望的输出电压输出所需的数字DAC数据信号。该DAC数据信号被传输到DAC 228。DAC 228将DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号240，并且将DAC输出信号240输出到误差放大器224的设定输入端(或第二放大器输入端)。在所展示的实施例中，误差放大器224的设定输入端被描绘为非反相输入端(+)，但是在其他实施例中，设定输入端可以是反相输入端(-)。误差放大器224将从分压器220接收到的测量信号236与DAC输出信号240进行比较，并且基于测量信号236与DAC输出信号240之间的差或差异来输出误差信号。在本实施方案中，该误差信号被用作提供给HV源204的控制信号输入端的控制信号212。HV源204的内部控制电路系统利用控制信号212来确定HV源204需要对输出电压进行调节的量，使得供应给HV输出端208的输出电压以高精度紧密匹配由数字设定点信号表示的期望的设定点值。也就是说，在该实施方案中，数字处理器252被配置成计算数字DAC数据信号的值，所述值有效地将误差放大器224输出的模拟控制信号212设定成有效地将HV源204输出的高电压调节成输入到数字处理器252的数字电压设定点的值。

在实施方案中，DAC 228是包括多个离散DAC单元的精密DAC，所述多个离散DAC单元展现不同的比例因子以提高精度。在所展示的实施方案中，例如，DAC 228包括连接在数字处理器252与误差放大器224的设定输入端之间的粗调(分辨率)DAC 256和细调(分辨率)DAC 260。通过这种配置，传输到设定输入端的DAC输出信号240是通过相应的不同值的电阻R7和R8由粗调DAC 256输出的粗调DAC输出信号和由细调DAC260输出的细调DAC输出信号之和。在实施方案中，粗调DAC 256以有限的分辨率覆盖HV源204的整个输出范围，而细调DAC260提供高分辨率以将输出调节成粗调DAC 256的步长之间的值。在实施方案中，精密DAC228(包括一对DAC 256和260)与ADC 248一起使用，所述ADC 248具有与所述精密DAC 228相当或更好的稳定性和噪声水平。例如，使用Σ-Δ转换技术的24位ADC现在可以在输入转换周期之间交错校准周期，从而基本上消除了内部漂移和低频噪声。这些ADC的转换速率目前被限制为每秒约10次转换。在数字反馈回路244的带宽内，在DAC 256和260、误差放大器224和其他控制电路系统中生成的噪声和漂移由ADC 248检测并通过对DAC设定的调节而得以抑制。因此，在实施方案中，ADC 248被配置成在输入转换周期(或HV输入读数)之间交错校准周期，以校正偏移和比例因子的变化。如本领域技术人员所理解的，校准周期由偏移电压的测量与已知基准电压的测量相结合一起组成，通过将输入端子短路来进行所述偏移电压的测量。ADC 248调节其偏移和比例因子以使两个读数等于它们的已知值。

在实施方案中，DAC 228展现出至少20位的分辨率。即使具有稳定的24位DAC，在一些实施方案中，在本申请中使用一对DAC 256和260仍然具有优势。例如，飞行时间(TOF)质谱仪中的高电压电力供应通常长时间保持在恒定电压下。这允许粗调分辨率DAC(例如，粗调DAC 256)保持在固定设定，同时根据需要调节高分辨率细调DAC(例如，细调DAC 260)以保持输出恒定。在实施方案中，细调DAC 260可以具有与粗调DAC256的输出的最低有效位(LSB)重叠的全量程输出范围。细调DAC 260的最低有效位(LSB)足够小，使得一个LSB的步长在正常操作期间不会引起异议，同时其总范围足够大，以补偿在固定电压设定下可能发生的所有漂移。只要在细调DAC 260的全量程范围与粗调DAC 256的LSB之间存在足够的重叠，每个DAC 256和260就仅需要足够的线性来确保其自身的单调性。在具有20位或更高分辨率的DAC的全范围内，这比单调性要容易实现得多。所有DAC在其数字设定点被改变时，还向模拟输出展现出一些瞬态噪声馈通。这对于在操作期间保持固定的粗调DAC 256来说不是问题，并且细调DAC 260的输出衰减得足够，使得此种噪声馈通可以忽略不计。

由ADC 248的高分辨率所产生的高DC回路增益也使来自其他源的误差最小化。如果到HV源204的输入电压改变，则其输出电压的任何相应变化将被校正降到ADC 248的分辨率。类似地，如果(例如，通过正被供应电力的仪器)从HV输出端208汲取的负载电流改变，则输出电压将保持恒定。如果可能的话，从现有技术的电力供应(诸如图1中示出的配置)获得足够的回路增益以达到该性能水平将是非常困难的。

在实施方案中，ADC 248具有20位或更高的分辨率。在各种实施方案中，ADC248具有21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31或32位的分辨率。在实施方案中，DAC 228具有20位或更高的分辨率。在各种实施方案中，DAC 228具有21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31或32位的分辨率。

图3是根据本公开文本的另一个实施方案的HV电力供应装置300的实施例的示意图。HV电力供应装置300以互补的方式将由本文描述的实施方案的双回路HV电力供应架构(例如，图2中展示的HV电力供应装置200)提供的DC和低频性能优势与由快速低侧(low-side)模拟反馈架构提供的高频优势组合。在美国专利号10,872,753中描述了低侧模拟反馈配置的实施例，所述美国专利通过引用以其整体并入本文。通过组合来自双回路HV电力供应架构和低侧模拟反馈架构两者的特征，HV电力供应装置300可以在从例如DC到100kHz或更大的宽带宽范围内产生性能优异的高电压电源。

HV电力供应装置300包括HV源304，所述HV源被配置成在如上所述的HV输出端308处供应高电平输出电压，所述高电平输出电压由在所述HV源304的HV源控制信号输入端(“设定”)处接收的控制信号312设定。HV电力供应装置300还包括连接在HV源304与HV输出端308之间的模拟反馈回路316。模拟反馈回路316包括如上所述的分压器320(由两个电阻R9和R10表示)、误差放大器324、第一DAC 328和电压基准332。HV电力供应装置300还包括连接在分压器320与第一DAC 328之间的数字反馈回路344。数字反馈回路344包括如上所述的ADC 348和数字(信号)处理器352。电压基准332可以(可选地通过电阻R11)耦接到误差放大器324的反馈输入端(或第一放大器输入端)和ADC348，并且耦接到第一DAC 328。在所展示的实施例中，误差放大器324的反馈输入端被描绘为反相输入端(-)，但是在其他实施例中，所述反馈输入端可以是非反相输入端(+)。此外，误差放大器324包括设定输入端(或第二放大器输入端)，所述设定输入端在所展示的实施例中被描绘为非反相输入端(+)，但在其他实施例中可以是反相输入端(-)。分压器320将在HV输出端308处接收到的输出电压分压降至成比例衰减的测量信号336，所述成比例衰减的测量信号如上所述被传输到误差放大器324的反馈输入端和传输到ADC 348两者。ADC 348被配置成接收分压器320输出的测量信号336、将所述测量信号336转换成数字ADC数据信号、以及将所述ADC数据信号输出到数字处理器352。与由HV电力供应装置300供应的输出电压的期望电平相对应的数字设定点信号被输入到数字处理器352。

误差放大器324被配置成基于在其反馈输入端和设定输入端处接收的信号来产生放大器输出信号(或误差信号)368。然而，与以上结合图2描述的实施方案不同，从误差放大器324输出的放大器输出信号368不被直接用作主要驱动输出电压的设定点的控制信号312。相反，误差放大器324的输出端耦接到HV源304的输出端的返回侧364，并且放大器输出信号368被传输到数字处理器352的与所述数字处理器352的内部(例如，12位)ADC连通的输入端。因此，在该实施方案中，数字处理器352被配置成基于从ADC 348接收的ADC数据信号、从误差放大器324接收的(并且由所述数字处理器352的内部ADC数字化的)放大器输出信号368、和数字电压设定点输入来计算第一数字DAC数据信号。该第一DAC数据信号被传输到第一DAC 328。第一DAC 328将第一DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号340，并将所述DAC输出信号340输出到误差放大器324的设定输入端。如在以上结合图2描述的实施方案中的，第一DAC 328可以是包括提供不同分辨率的两个或更多个DAC单元(诸如分别通过不同的电阻R12和R13连接到误差放大器324的设定输入端的粗调(分辨率)DAC 356和细调(分辨率)DAC360)的精密DAC。误差放大器324将从分压器320接收的测量信号336与DAC输出信号340进行比较，并且基于测量信号336与DAC输出信号340之间的差或差异来输出放大器输出信号368。

与以上结合图2描述的实施方案不同，HV电力供应装置300还包括第二DAC372，在本文中也称为原始DAC。除了以上所指出的第一数字DAC数据信号之外，数字处理器352被配置成基于从ADC 348接收的ADC数据信号、从误差放大器324接收的(并且由所述数字处理器352的内部ADC数字化的)放大器输出信号368、和数字电压设定点输入来计算第二数字DAC数据信号。该第二DAC数据信号被传输到第二DAC 372。因此，第二DAC 372被配置成从数字处理器352接收第二数字DAC数据信号。在本实施方案中，第二DAC 372将第二数字DAC数据信号转换成控制信号312，并且将所述控制信号312输出到HV源304的HV源控制输入端。因此，在本实施方案中，HV源304的+输出端子与-输出端子之间的差分输出电压的幅值由第二DAC 372输出的控制信号312设定。在HV输出端308处的最终输出电压是HV源304的差分输出电压与在所述HV源304的返回侧364处看到的放大器输出信号368之和。

由数字处理器352产生的第一DAC数据信号和第二DAC数据信号可以以任何合适的方式(例如，通过任何合适的结构)被传输到相应的第一DAC 328和第二DAC372。作为一个非排他性实施例，图3中所展示的“DAC数据”线表示被配置成不同地承载第一DAC数据信号和第二DAC数据信号的数据总线。这样的数据总线被适当地耦接到第一DAC 328和第二DAC372，使得所述第一DAC 328被选择成接收第一DAC数据信号，并且独立地，所述第二DAC 372被选择成接收第二DAC数据信号，如本领域技术人员所理解的。

在图3中所展示的实施例中，数字处理器352被描述为包括内部ADC，所述内部ADC将从误差放大器324接收的模拟放大器输出信号368转换成数字信号以供数字处理器352进一步处理。在这种情况下，被配置成从分压器320接收测量信号336的ADC 348可以被称为第一ADC，并且被配置成从误差放大器324接收放大器输出控制信号368的内部ADC可以被称为第二ADC。然而，将理解的是，第二ADC可以是如由图3中的实施例所展示的内部ADC(即，数字处理器352的内部)，或者替代地是外部ADC(即，数字处理器352的外部，类似于所展示的ADC348)。也就是说，在(如展示的)一个实施方案中，数字处理器352被配置成借助于与所述数字处理器352集成的内部第二ADC将从误差放大器324接收的放大器输出控制信号368数字化。在另一个实施方案中，HV电力供应装置300包括外部第二ADC，所述外部第二ADC被配置成从误差放大器324接收放大器输出控制信号368、将所述放大器输出控制信号368转换成数字化放大器输出控制信号368、以及将所述数字化放大器输出控制信号368传输到数字处理器352。

图4是根据本公开文本的实施方案的DC到DC转换器400的实施例的示意图，所述转换器可以被提供为HV电力供应装置(例如，图2或图3分别为HV电力供应装置200或300)或为其一部分。通常，DC到DC转换器400被配置成从低DC电压输入端接收低DC电压并且将所述低DC电压升压到在HV输出端(例如，图2或3分别为HV输出端208或308)处提供的高DC电压。并且，DC到DC转换器400可以被配置成将高电压输出端和低DC电压输入端维持为彼此DC隔离。

出于这些目的，DC到DC转换器400可以包括：切换电路402，所述切换电路被配置成将低DC电压转换成交流(AC)电压；升压电路406，所述升压电路被配置成将所述AC电压升压成经升压的AC电压；以及整流器电路410，所述整流器电路被配置成将所述经升压的AC电压转换成高DC电压。切换电路402可以包括：开关网络414，所述开关网络被配置成接收低DC电压输入；以及控制电路418，所述控制电路被配置成在控制信号输入端(“设定”)处接收控制信号(例如，图2或图3分别为控制信号212或312)。开关网络414可以包括被配置成执行DC到AC转换的开关(通常为晶体管)网络。控制电路418被配置成基于接收到的控制信号来控制开关的操作。例如，如本领域技术人员所理解的，控制电路418可以改变开关的定时或施加到开关的电压或电流。由具有初级绕组和次级绕组的单个变压器T1示意性地表示的升压电路406可以包括用于将从开关网络414接收的AC电压升压的一个或多个变压器和/或电感器。由单个二极管D1和电容器C1示意性地表示的整流器电路410可以包括被配置成执行AC到DC转换(整流)的二极管和电容器网络。可选地，DC到DC转换器400还可以包括输出滤波电路422(或与之连通)。由单个电阻器R14和电容器C2示意性地表示的输出滤波电路422可以包括被配置成降低输出电压中的纹波电压的电阻器和电容器网络。

在以上参考的美国专利号10,872,753中进一步描述了DC到DC转换器的实施例。

图5是在其中可以提供如本文所公开的HV电力供应装置526的带电粒子处理装置(或设备、仪器、系统等)500的实施例的示意图。HV电力供应装置526可以例如分别地对应于图2或图3的HV电力供应装置200或300。通常，带电粒子处理装置500可以是需要高精度、高幅值(通常为DC)电力来进行其操作的任何装置。作为一个非排他性实施例，带电粒子处理装置500可以是质谱仪，特别地在其中HV电力供应装置526可被用于提供电力以在TOF质谱仪的飞行管中加速、偏转和/或聚焦离子的TOF质谱仪。代替TOF分析仪，质谱仪可以包括四极质量分析仪或任何其他类型的离子分析仪。作为另一个非排他性实施例，带电粒子处理装置500可以是诸如透射电子显微镜(TEM)或扫描电子显微镜(SEM)的电子显微镜。如本文所使用的，术语“带电粒子”是指离子或电子，这取决于本领域技术人员所理解的带电粒子处理装置500的类型。

除了HV电力供应装置526之外，带电粒子处理装置500可以包括带电粒子源530、带电粒子处理设备534和带电粒子接收器538。带电粒子源530可以例如包括被配置成(例如，经由物质的电离、从材料发射等)产生(例如，电离、发射等)带电粒子和/或将带电粒子聚焦成束和/或将带电粒子(束)传输到带电粒子处理设备534。带电粒子源530的实施例包括但不限于离子源、离子分析仪或其他类型的离子处理设备(例如，质量过滤器、质量分析仪、离子迁移池等)、电子源(例如，诸如热离子阴极或灯丝的电子发射体、电子枪等)等。带电粒子处理设备534可以例如被配置用于转运或引导带电粒子，和/或用于对带电粒子执行其它类型的处理，诸如例如带电粒子束产生、束转向、加速、冷却、滤波、分析、检测、测量、成像等。出于这种目的，在一些实施方案中，带电粒子处理设备534可以包括接收或容纳带电粒子的腔室542，以及被配置成从HV电力供应装置526接收功率的一个或多个电极546。在这种情况下，带电粒子处理设备534通常可以被配置成将由HV电力供应装置526输出的高电压施加到(多个)电极546以生成电场，腔室542中的带电粒子暴露于所述电场。带电粒子接收器538的实施例包括但不限于离子分析仪(例如，质量过滤器、质量分析仪、TOF分析仪、离子迁移池等)、待照射或成像的样品、样品保持器或样品台、带电粒子检测器(例如，离子检测器、电子检测器、成像设备等)、电子收集器、阱或阳极等。如本领域技术人员所理解的，取决于实施方案，由于需要用于处理或者转运带电粒子，带电粒子处理装置500还可以包括诸如带电离子光学器件的一个或多个中间部件(未示出)，所述一个或多个中间部件被安置在带电粒子源530与带电粒子处理设备534之间，和/或在带电粒子处理设备534与带电粒子接收器538之间。

本公开文本还包含利用如本文所描述的带电粒子处理装置500的用于质量分析和显微术的方法。

示例性实施方案

根据当前公开的主题提供的示例性实施方案包括但不限于以下：

1.一种高电压(HV)电力供应装置包括：高电压输出端；高电压源，所述高电压源包括控制信号输入端，并且被配置成基于在所述控制信号输入端处接收的控制信号在所述高电压输出端处输出输出电压；分压器，所述分压器被配置成根据所述输出电压产生成比例衰减的测量信号；误差放大器，所述误差放大器包括反馈输入端、设定输入端、和放大器输出端，其中，所述误差放大器被配置成在所述反馈输入端处接收来自所述分压器的所述测量信号、在所述设定输入端处接收数模转换器(DAC)输出信号、基于所述测量电压信号和所述DAC输出信号产生所述控制信号、以及将所述控制信号从所述放大器输出端输出到所述控制信号输入端；模数转换器(ADC)，所述模数转换器被配置成接收来自所述分压器的所述测量信号、将所述测量信号转换成ADC数据信号、以及输出所述ADC数据信号；数字处理器，所述数字处理器被配置成接收来自所述ADC的所述ADC数据信号、接收数字设定点输入信号、以及基于所述ADC数据信号和所述数字设定点输入信号产生数字DAC数据信号，其中，所述数字设定点输入信号对应于期望在所述高电压输出端处输出的所述输出电压的设定点电压值；以及数模转换器(DAC)，所述数模转换器被配置成接收来自所述数字处理器的所述数字DAC数据信号、将所述数字DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号、以及将所述DAC输出信号输出到所述设定输入端，其中，所述数字处理器被配置成计算所述数字DAC数据信号的值，所述值有效地将由所述误差放大器输出的所述控制信号设定成有效地将由所述高电压源输出的所述输出电压调节成所述设定点电压值的值。

2.根据实施方案1所述的HV电力供应装置，其中，所述高电压源被配置成输出幅值在从1kV或更大范围内的所述高电压。

3.根据前述实施方案中任一项所述的HV电力供应装置，其中，所述输出电压是直流(DC)输出电压，并且所述高电压源包括DC到DC转换器，所述DC到DC转换器被配置成接收来自低DC电压输入端的低DC电压并且将所述低DC电压升压为相比所述低DC电压具有更高幅值的所述输出DC电压。

4.根据实施方案3所述的HV电力供应装置，其中，所述DC到DC转换器包括被配置成将所述低DC电压转换成交流(AC)电压的切换电路、被配置成将所述AC电压升压成经升压的AC电压的升压电路、和被配置成将所述经升压的AC电压转换成所述输出DC电压的整流器电路。

5.根据实施方案4所述的HV电力供应装置，其中，所述切换电路包括晶体管网络。

6.根据实施方案4或5所述的HV电力供应装置，其中，所述升压电路包括变压器。

7.根据实施方案4至6中任一项所述的HV电力供应装置，其中，所述整流器电路包括二极管和电容器网络。

8.根据实施方案3至7中任一项所述的HV电力供应装置，其中，所述DC到DC转换器被配置成将所述高电压输出端和所述低DC电压输入端维持为彼此DC隔离。

9.根据前述实施方案中任一项所述的HV电力供应装置，其中，所述ADC具有20位或更高的分辨率。

10.根据前述实施方案中任一项所述的HV电力供应装置，其中，所述ADC被配置成在输入转换周期之间交错校准周期，以校正偏移和比例因子的变化。

11.根据前述实施方案中任一项所述的HV电力供应装置，其中，所述DAC具有20位或更高的分辨率。

12.根据前述实施方案中任一项所述的HV电力供应装置，其中：所述DAC包括连接在所述数字处理器与所述设定输入端之间的粗调DAC和细调DAC；并且输出到所述设定输入端的所述DAC输出信号是由所述粗调DAC输出的粗调DAC输出信号与由所述细调DAC输出的细调DAC输出信号之和。

13.根据实施方案12所述的HV电力供应装置，其中，所述细调DAC具有与所述粗调DAC的输出的最低有效位(LSB)重叠的全量程输出范围。

14.一种高电压(HV)电力供应装置，其包括：高电压输出端；高电压源，所述高电压源包括控制信号输入端和与所述高电压输出端连通的返回侧，其中，所述高电压源被配置成基于在所述控制信号输入端处接收的控制信号和在所述返回侧处接收的放大器输出信号而将如从所述返回侧测量的输出电压输出到所述高电压输出端；分压器，所述分压器被配置成根据所述输出电压产生成比例地衰减的测量信号；误差放大器，所述误差放大器包括反馈输入端、设定输入端和放大器输出端，其中，所述误差放大器被配置成在所述反馈输入端处接收来自所述分压器的所述测量信号、在所述设定输入端处接收数模转换器(DAC)输出信号、基于所述测量信号和所述DAC输出信号产生所述放大器输出信号、以及将所述放大器输出信号从所述放大器输出端输出到所述返回侧；模数转换器(ADC)，所述模数转换器被配置成接收来自所述分压器的所述测量信号、将所述测量信号转换成ADC数据信号、以及输出所述ADC数据信号；数字处理器，所述数字处理器被配置成接收来自所述ADC的所述ADC数据信号、接收来自所述误差放大器的所述放大器输出信号、接收数字设定点输入信号、以及基于所述ADC数据信号、所述放大器输出信号和所述数字设定点输入信号产生第一数字DAC数据信号和第二数字DAC数据信号，其中，所述数字设定点输入信号对应于期望在所述高电压输出端处输出的所述输出电压的设定点电压值；第一数模转换器(DAC)，所述第一数模转换器被配置成接收来自所述数字处理器的所述第一数字DAC数据信号、将所述第一数字DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号、以及将所述DAC输出信号输出至所述设定输入端；以及第二数模转换器(DAC)，所述第二数模转换器被配置成接收来自所述数字处理器的所述第二数字DAC数据信号、将所述第二数字DAC数据信号转换成所述控制信号、以及将所述控制信号输出至所述控制信号输入端，其中，所述数字处理器被配置成计算所述第一数字DAC数据信号和所述第二数字DAC数据信号的相应值，所述相应值有效地将所述放大器输出信号设定成有效地将由所述高电压源输出的所述输出电压调节成输入到所述设定点电压值的所述数字电压设定点。

15.根据实施方案14所述的HV电力供应装置，其中，所述数字处理器被配置成将从所述误差放大器接收的所述放大器输出控制信号数字化。

16.根据实施方案14所述的HV电力供应装置，其中，被配置成从所述分压器接收所述测量信号的所述ADC是第一ADC，并且所述HV电力供应装置还包括第二ADC，其中，所述第二ADC被配置成从所述误差放大器接收所述放大器输出控制信号、将所述放大器输出控制信号转换成数字化放大器输出控制信号、以及将所述数字化放大器输出控制信号传输到所述数字处理器。

17.根据实施方案14至16中任一项所述的HV电力供应装置，其中：所述第一DAC包括连接在所述数字处理器与所述设定输入端之间的粗调DAC和细调DAC；并且输出到所述设定输入端的所述DAC输出信号是由所述粗调DAC输出的粗调DAC输出信号与由所述细调DAC输出的细调DAC输出信号之和。

18.根据实施方案17所述的HV电力供应装置，其中，所述细调DAC具有与所述粗调DAC的输出的最低有效位(LSB)重叠的全量程输出范围。

19.根据实施方案14至18中任一项所述的HV电力供应装置，其包括实施方案2至11中任一项所述的一个或多个特征。

20.一种带电粒子处理装置，其包括：根据实施方案1至19中任一项所述的HV电力供应装置；以及带电粒子处理设备，所述带电粒子处理设备包括电极和用于容纳带电粒子的腔室，其中，所述带电粒子处理设备被配置成将由所述HV电力供应装置输出的高电压施加到所述电极以生成电场，所述腔室中的所述带电粒子暴露于所述电场。

21.根据实施方案20所述的带电粒子处理装置，其根据以下之一进行配置：所述带电粒子处理设备是质谱仪的一部分；所述带电粒子处理装置是电子显微镜的一部分。

22.根据实施方案20或21所述的带电粒子处理装置，其包括以下中的至少一个：被配置成向所述带电粒子处理装置供应带电粒子的带电粒子源；被配置成从所述带电粒子处理设备接收带电粒子的带电粒子接收器。

23.一种用于供应高电压的方法，所述方法包括：基于由所述高电压源接收的控制信号从所述高电压源输出输出电压；根据所述输出电压产生成比例衰减的测量信号；将所述测量信号传输到误差放大器的反馈输入端，并且传输到模数转换器(ADC)；在所述ADC中，将所述测量信号转换成ADC数据信号，并且将所述ADC数据信号传输至数字处理器；在所述数字处理器中，接收与期望从所述高电压源输出的所述输出电压的设定点电压值相对应的数字设定点输入信号、基于所述ADC数据信号和所述数字设定点输入信号产生数字DAC数据信号、并且将所述数字DAC数据信号传输至数模转换器(DAC)；在所述DAC中，将所述数字DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号，并且将所述DAC输出信号传输到所述误差放大器的设定输入端；以及在所述误差放大器中，基于所述测量信号和所述模拟DAC输出信号产生所述控制信号，并且将所述控制信号传输到所述高电压源，其中，所述数字处理器计算所述数字DAC数据信号的值，所述值有效地将所述误差放大器产生的所述控制信号设定成有效地将由所述高电压源输出的所述输出电压调节成所述设定点电压值的值。

24.根据实施方案23所述的方法，其中，所述输出电压是直流(DC)输出电压，并且所述方法还包括操作所述高电压源以将低DC电压转换成交流(AC)电压、将所述AC电压升压为经升压的AC电压、以及将所述经升压的AC电压转换成相比所述低DC电压具有更高幅值的所述DC输出电压。

25.根据实施方案23或24所述的方法，其包括实施方案1至22中任一项所述的一个或多个特征。

26.一种用于供应高电压的方法，所述方法包括：基于由所述高电压源接收的控制信号从所述高电压源输出输出电压；根据所述输出电压产生成比例衰减的测量信号；将所述测量信号传输到误差放大器的反馈输入端，并且传输到模数转换器(ADC)；在所述ADC中，将所述测量信号转换成ADC数据信号，并且将所述ADC数据信号传输到数字处理器；

在所述数字处理器中，接收与期望从所述高电压源输出的所述输出电压的设定点电压值相对应的数字设定点输入信号；接收来自所述误差放大器的放大器输出信号；基于所述ADC数据信号、所述数字设定点输入信号和所述放大器输出信号产生第一数字DAC数据信号和第二数字DAC数据信号；将所述第一数字DAC数据信号传输到第一数模转换器(DAC)；以及将所述第二数字DAC数据信号传输到第二数模转换器(DAC)；

在所述第一DAC中，将所述第一数字DAC数据信号转换成模拟DAC输出信号，并且将所述DAC输出信号传输到所述误差放大器的设定输入端；在所述误差放大器中，基于所述测量信号和所述模拟DAC输出信号产生所述放大器输出信号；以及在所述第二DAC中，将所述第二数字DAC数据信号转换成所述控制信号，并且将所述控制信号传输到所述高电压源，其中，所述数字处理器计算所述第一数字DAC数据信号和所述第二数字DAC数据信号的相应值，所述相应值有效地将所述放大器输出信号设定为有效地将由所述高电压源输出的所述输出电压调节成输入到所述设定点电压值的所述数字电压设定点的值。

27.根据实施方案26所述的方法，其中，所述输出电压是直流(DC)输出电压，并且所述方法还包括操作所述高电压源以将低DC电压转换成交流(AC)电压、将所述AC电压升压为经升压的AC电压、以及将所述经升压的AC电压转换成相比所述低DC电压具有更高幅值的所述DC输出电压。

28.根据实施方案26或27所述的方法，其包括实施方案1至22中任一项所述的一个或多个特征。

应当理解的是，诸如“连通”和“与……连通”(例如，第一部件与第二部件“连通”)等术语在本文中用于指示两个或更多个组件或元件之间的结构、功能、机械、电气、信号、光学、磁性、电磁、离子或流体关系。因此，一个部件被称为与第二部件连通的事实并不旨在排除在第一部件与第二部件之间存在其他部件和/或其他部件可操作地与第一部件和第二部件相关联或啮合的可能性。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节。此外，前面的描述仅用于说明的目的，而不是为了限制的目的，本发明由权利要求书限定。