DBD型微型原子化器電源設計范文

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摘要:設計了一種以STM32F103ZET6和SG3525為控制核心的程控電源，該電源用于介質阻擋放電(dbd)型微型原子化器控制．系統中，通過單片機STM32F103ZET6控制SG3525實現了輸出波形的頻率及占空比調節、過流過壓控制、以及超溫保護等功能．文中重點探討了該電源工作原理、軟、硬件設計等．實驗結果表明:該電源具有良好的穩定性以及較快的響應速度等優點．在要求高電壓、小電流的電源系統中有較好的應用前景，特別適合DBD型微型原子化器實際控制需求．

關鍵詞:STM32F103ZET6;SG3525;程控電源;微型原子化器;過流過壓保護

目前，在微流控芯片中進行氣液分離、微量揮發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］，對微量揮發組分原子化研究一般在真空、高溫條件下進行．隨著人們對非熱平衡微等離子體研究的逐漸深入，將介質阻擋放電(Dielectricbarrierdischarge，DBD)微等離子體應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具有諸多優點［4－5］．如良好的裂解能力、結構簡單、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微等離子體應用于微流控芯片系統的揮發組分(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．本文設計了一種用于介質阻擋放電(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，實現微流控芯片微氣液分離后揮發組分(如氫化物)的原子化，以滿足微流控芯片———原子熒光在線聯用檢測課題的研究需要．

1介質阻擋

放電及DBD型微型原子化器介質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，主要區別于它在放電空間中插入了阻擋絕緣介質．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組分(如氫化硒)碰撞，電子把自身的能量轉移給它們，使它們激發電離，實現揮發組分的原子化．一般情況而言，DBD微放電過程可分為電子崩、流注和熄滅三個階段［8］．其放電過程如圖1所示，將DBD微等離子體應用于微流控芯片系統的揮發組分(如氫化硒)原子化分析領域，有利于發展低溫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電源系統硬件設計

2．1電源系統工作原理

電源系統原理框圖如圖3所示．其工作原理為:系統以單片機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，并與經過整流濾波電路后得到的直流電壓一起推動由H25R1203構成的IGBT電路，實現將上述直流電壓逆變成受SG3525控制的高頻交流電，而后經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，在大氣壓條件下產生非平衡態微等離子體，以實現待分析揮發組分(如氫化硒)的原子化．

2．2電源系統主要硬件模塊

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］，可直接驅動功率MOS-FET管，采用推挽輸出形式，驅動能力強．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．根據實際需求，為便于實現頻率控制，由STM32單片機內置的12位DAC1輸出模擬控制信號，經運放LM324放大后至SG3525的第6腳，實現對輸出PWM波形的頻率調節．由STM32單片機內置的12位DAC2輸出模擬控制信號，通過四運算放大器LM324放大后送至SG3525的第2腳，實現輸出PWM波形占空比調節，以實現輸出電流調節．SG3525的第8腳為軟啟動端，外接對地電容C203可以實現輸出脈沖的軟啟動，啟動時間由C203的電容大小決定．為使輸出脈沖占空比能夠由小變大，從而有效減小開機時對IGBT逆變電路的沖擊，SG3525芯片通過內部的5．1V基準電壓源Uref提供的50μA恒流源為該電容供電．

2．2．2過流過壓保護電路系統中采用電流互感器CT10CL20A/20mA作為電流檢測元件，串接在高頻高壓變壓器輸出端，當檢測到過流信號產生時，能快速關斷PWM輸出信號，保護電路在過流的情況下不會受到損壞．過流檢測信號經整流、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，電路通過D101能一直維持LM339輸出高電平，并經后續電路送至SG3525第10腳．當第10腳變成高電平時，其第11、14腳上則無PWM信號輸出，繼而IGBT逆變電路將會被關斷，使其無高壓輸出．當過壓信號被STM32檢測到時，STM32則會輸出過壓控制復用高電平信號(同理，如檢測到放電腔溫度超過給定的溫度時，該端口也將輸出高電平信號，控制SG3525斷開PWM信號，實現超溫控制)，經74LS32送到SG3525第10腳，使SG3525無PWM信號輸出，從而實現過壓控制．其電路原理圖如圖5所示．

2．2．3IGBT驅動控制電路基于IGBT的驅動控制電路如圖6所示．SG3525輸出的驅動信號分別從第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進行放大，再經T302高頻高壓變壓器送至放電腔體放電電極，以實現介質阻擋放電．同時，經T301檢測出過壓信號，經整流、濾波后送至STM32單片機ADC進行過壓檢測，當STM32單片機判斷該電壓信號超過設定高壓電壓值后，送出過壓控制信號給過流過壓保護電路，使SG3525第10腳呈現高電平，從而對電路起到過壓保護．

2．2．4溫度保護電路系統中，選用數字溫度傳感器DS18B20貼于微型原子化器ITO玻璃外側，實時檢測微型原子化器放電腔體溫度，如溫度超過設定值，由STM32單片機輸出控制信號，及時關閉PWM輸出信號，使后續無高壓輸出．系統中，超溫控制信號與過壓控制信號輸出引腳復用，即超溫或者過壓時，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腳呈現高電平狀態，實現PWM信號的關斷，從而實現超溫保護控制．

3電源控制軟件設計系統控制流程

如圖7所示．

4實驗測試及分析

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

5結束語

本文設計了一種結構簡單、調試方便、所需器件較小的微型原子化器介質阻擋放電(DBD)程控電源．該電源利用STM32F103ZET6對SG3525控制實現輸出波形的頻率及占空比調節、過流過壓控制、以及超溫保護等功能．實驗結果表明，硬件系統PWM輸出波形頻率能實現0～200kHz可調控制，輸出電壓可實現0～20kV可調．這種采用單片機與脈寬調制芯片相結合硬件電路能有效實現輸出電壓精準控制，特別滿足DBD型微型原子化器控制的實際需求．

參考文獻:

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

［9］高陽，黃懿，王俊，等．一種隔離80kV大功率開關電源的設計［J］．電力電子技術，2010，44(4):31－35．

［10］牟翔永，張曉春，林剛，等．基于SG3525的大電流低電壓開關電源設計［J］．電測與儀表，2013，2013(4):120－124．

作者：廖紅華 樊姍 周彬彬 呂義 滕召波 袁海林 單位：湖北民族學院