DBD型微型原子化器電源設(shè)計(jì)范文

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摘要:設(shè)計(jì)了一種以STM32F103ZET6和SG3525為控制核心的程控電源，該電源用于介質(zhì)阻擋放電(dbd)型微型原子化器控制．系統(tǒng)中，通過單片機(jī)STM32F103ZET6控制SG3525實(shí)現(xiàn)了輸出波形的頻率及占空比調(diào)節(jié)、過流過壓控制、以及超溫保護(hù)等功能．文中重點(diǎn)探討了該電源工作原理、軟、硬件設(shè)計(jì)等．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該電源具有良好的穩(wěn)定性以及較快的響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)．在要求高電壓、小電流的電源系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景，特別適合DBD型微型原子化器實(shí)際控制需求．

關(guān)鍵詞:STM32F103ZET6;SG3525;程控電源;微型原子化器;過流過壓保護(hù)

目前，在微流控芯片中進(jìn)行氣液分離、微量揮發(fā)組分的原子化等研究工作相對較少．其原因在于微體積條件下對氣液操控較困難［1－3］，對微量揮發(fā)組分原子化研究一般在真空、高溫條件下進(jìn)行．隨著人們對非熱平衡微等離子體研究的逐漸深入，將介質(zhì)阻擋放電(Dielectricbarrierdischarge，DBD)微等離子體應(yīng)用于分析方面的嘗試變得越來越多．相對于其他類型等離子體而言，DBD具有諸多優(yōu)點(diǎn)［4－5］．如良好的裂解能力、結(jié)構(gòu)簡單、操作溫度低等．DBD等離子體可以在低功率、大氣壓下維持，如果將DBD微等離子體應(yīng)用于微流控芯片系統(tǒng)的揮發(fā)組分(如氫化物)原子化中以建立DBD低溫原子化器，將提高原子光譜的小型化的可行性．本文設(shè)計(jì)了一種用于介質(zhì)阻擋放電(DBD)型微型原子化器的程控微等離子體電源．該電源以STM32F103ZET6和SG3525為控制核心，實(shí)現(xiàn)微流控芯片微氣液分離后揮發(fā)組分(如氫化物)的原子化，以滿足微流控芯片———原子熒光在線聯(lián)用檢測課題的研究需要．

1介質(zhì)阻擋

放電及DBD型微型原子化器介質(zhì)阻擋放電又叫無聲放電［6－7］，相較于其他氣體放電形式而言，主要區(qū)別于它在放電空間中插入了阻擋絕緣介質(zhì)．其目的是為了有效控制放電過程中電流密度的無限增長，以避免達(dá)到電弧放電階段．這種放電的擊穿是電子通過施加外電場獲取能量，并與周圍待分析的揮發(fā)組分(如氫化硒)碰撞，電子把自身的能量轉(zhuǎn)移給它們，使它們激發(fā)電離，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)組分的原子化．一般情況而言，DBD微放電過程可分為電子崩、流注和熄滅三個(gè)階段［8］．其放電過程如圖1所示，將DBD微等離子體應(yīng)用于微流控芯片系統(tǒng)的揮發(fā)組分(如氫化硒)原子化分析領(lǐng)域，有利于發(fā)展低溫DBD原子化器，十分適合于原子光譜分析儀器的小型化．用于微流控芯片微氣液分離后揮發(fā)組分(如氫化物)的原子化的DBD型微型原子化器如圖2所示．

2電源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1電源系統(tǒng)工作原理

電源系統(tǒng)原理框圖如圖3所示．其工作原理為:系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F103ZET6與脈沖控制芯片SG3525為控制核心，用以控制輸出具有一定頻率、一定占空比的PWM波形，并與經(jīng)過整流濾波電路后得到的直流電壓一起推動由H25R1203構(gòu)成的IGBT電路，實(shí)現(xiàn)將上述直流電壓逆變成受SG3525控制的高頻交流電，而后經(jīng)高壓變壓器輸出高頻高壓交流電供給DBD型微型原子化器上的ITO平板放電電極，在大氣壓條件下產(chǎn)生非平衡態(tài)微等離子體，以實(shí)現(xiàn)待分析揮發(fā)組分(如氫化硒)的原子化．

2．2電源系統(tǒng)主要硬件模塊

2．2．1SG3525控制電路SG3525為一款電流控制型單片集成PWM控制芯片［9－10］，可直接驅(qū)動功率MOS-FET管，采用推挽輸出形式，驅(qū)動能力強(qiáng)．基于SG3525芯片的控制電路如圖4所示．SG3525的振蕩頻率f如下式:式中:CT為第5腳連接的定時(shí)電容;RT為第6腳連接的電阻;RD為第7腳與5腳之間的放電電阻．根據(jù)實(shí)際需求，為便于實(shí)現(xiàn)頻率控制，由STM32單片機(jī)內(nèi)置的12位DAC1輸出模擬控制信號，經(jīng)運(yùn)放LM324放大后至SG3525的第6腳，實(shí)現(xiàn)對輸出PWM波形的頻率調(diào)節(jié)．由STM32單片機(jī)內(nèi)置的12位DAC2輸出模擬控制信號，通過四運(yùn)算放大器LM324放大后送至SG3525的第2腳，實(shí)現(xiàn)輸出PWM波形占空比調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)輸出電流調(diào)節(jié)．SG3525的第8腳為軟啟動端，外接對地電容C203可以實(shí)現(xiàn)輸出脈沖的軟啟動，啟動時(shí)間由C203的電容大小決定．為使輸出脈沖占空比能夠由小變大，從而有效減小開機(jī)時(shí)對IGBT逆變電路的沖擊，SG3525芯片通過內(nèi)部的5．1V基準(zhǔn)電壓源Uref提供的50μA恒流源為該電容供電．

2．2．2過流過壓保護(hù)電路系統(tǒng)中采用電流互感器CT10CL20A/20mA作為電流檢測元件，串接在高頻高壓變壓器輸出端，當(dāng)檢測到過流信號產(chǎn)生時(shí)，能快速關(guān)斷PWM輸出信號，保護(hù)電路在過流的情況下不會受到損壞．過流檢測信號經(jīng)整流、分壓、濾波后加至電壓跟隨器，而后輸送至電壓比較器LM339的同相輸入端，與反相輸入端參考電平相比較．當(dāng)檢測到過流信號后，LM339同相輸入端電壓將高于反相輸入端電壓電平時(shí)，電路通過D101能一直維持LM339輸出高電平，并經(jīng)后續(xù)電路送至SG3525第10腳．當(dāng)?shù)?0腳變成高電平時(shí)，其第11、14腳上則無PWM信號輸出，繼而IGBT逆變電路將會被關(guān)斷，使其無高壓輸出．當(dāng)過壓信號被STM32檢測到時(shí)，STM32則會輸出過壓控制復(fù)用高電平信號(同理，如檢測到放電腔溫度超過給定的溫度時(shí)，該端口也將輸出高電平信號，控制SG3525斷開PWM信號，實(shí)現(xiàn)超溫控制)，經(jīng)74LS32送到SG3525第10腳，使SG3525無PWM信號輸出，從而實(shí)現(xiàn)過壓控制．其電路原理圖如圖5所示．

2．2．3IGBT驅(qū)動控制電路基于IGBT的驅(qū)動控制電路如圖6所示．SG3525輸出的驅(qū)動信號分別從第11腳、第14腳輸出outA與outB信號，而后送至光耦U302、U301隔離后，輸入到兩只IGBT管Q301、Q302進(jìn)行放大，再經(jīng)T302高頻高壓變壓器送至放電腔體放電電極，以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)阻擋放電．同時(shí)，經(jīng)T301檢測出過壓信號，經(jīng)整流、濾波后送至STM32單片機(jī)ADC進(jìn)行過壓檢測，當(dāng)STM32單片機(jī)判斷該電壓信號超過設(shè)定高壓電壓值后，送出過壓控制信號給過流過壓保護(hù)電路，使SG3525第10腳呈現(xiàn)高電平，從而對電路起到過壓保護(hù)．

2．2．4溫度保護(hù)電路系統(tǒng)中，選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20貼于微型原子化器ITO玻璃外側(cè)，實(shí)時(shí)檢測微型原子化器放電腔體溫度，如溫度超過設(shè)定值，由STM32單片機(jī)輸出控制信號，及時(shí)關(guān)閉PWM輸出信號，使后續(xù)無高壓輸出．系統(tǒng)中，超溫控制信號與過壓控制信號輸出引腳復(fù)用，即超溫或者過壓時(shí)，由STM32輸出的過壓控制信號輸出均為高電平信號，此高電平送至74L3或門電路，使SG3525第10腳呈現(xiàn)高電平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)PWM信號的關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)控制．

3電源控制軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制流程

如圖7所示．

4實(shí)驗(yàn)測試及分析

該電源系統(tǒng)涉及到高頻高壓，為確保放電最佳效果．進(jìn)行測試時(shí)，先通過紅外遙控設(shè)置輸出PWM波形為某一固定頻率、某一固定占空比，而后由調(diào)壓器對接入的交流220V由0V慢慢增加，直到能觀測到微放電腔體內(nèi)有放電現(xiàn)象為止．而后改變輸出PWM激勵(lì)信號頻率，再適當(dāng)調(diào)整接入的交流電壓值，以確保最佳放電參數(shù)．同時(shí)，對于微放電腔體的放電電極間距調(diào)整也應(yīng)遵循由遠(yuǎn)及近的原則，以確保安全的放電電壓及放電間距．圖8、圖9分別為不同激勵(lì)頻率下，未放電與放電時(shí)SG3525第11、14腳端輸出的PWM波形．

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、所需器件較小的微型原子化器介質(zhì)阻擋放電(DBD)程控電源．該電源利用STM32F103ZET6對SG3525控制實(shí)現(xiàn)輸出波形的頻率及占空比調(diào)節(jié)、過流過壓控制、以及超溫保護(hù)等功能．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硬件系統(tǒng)PWM輸出波形頻率能實(shí)現(xiàn)0～200kHz可調(diào)控制，輸出電壓可實(shí)現(xiàn)0～20kV可調(diào)．這種采用單片機(jī)與脈寬調(diào)制芯片相結(jié)合硬件電路能有效實(shí)現(xiàn)輸出電壓精準(zhǔn)控制，特別滿足DBD型微型原子化器控制的實(shí)際需求．

參考文獻(xiàn):

［8］周彬彬，付豪，喻偉闖，等．基于Ansys的平板型介質(zhì)阻擋放電仿真與研究［J］．湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，34(2):199－223．

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作者：廖紅華 樊姍 周彬彬 呂義 滕召波 袁海林 單位：湖北民族學(xué)院