DBD型微型原子化器电源设计范文

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摘要:设计了一种以STM32F103ZET6和SG3525为控制核心的程控电源，该电源用于介质阻挡放电(dbd)型微型原子化器控制．系统中，通过单片机STM32F103ZET6控制SG3525实现了输出波形的频率及占空比调节、过流过压控制、以及超温保护等功能．文中重点探讨了该电源工作原理、软、硬件设计等．实验结果表明:该电源具有良好的稳定性以及较快的响应速度等优点．在要求高电压、小电流的电源系统中有较好的应用前景，特别适合DBD型微型原子化器实际控制需求．

关键词:STM32F103ZET6;SG3525;程控电源;微型原子化器;过流过压保护

目前，在微流控芯片中进行气液分离、微量挥发组分的原子化等研究工作相对较少．其原因在于微体积条件下对气液操控较困难［1－3］，对微量挥发组分原子化研究一般在真空、高温条件下进行．随着人们对非热平衡微等离子体研究的逐渐深入，将介质阻挡放电(Dielectricbarrierdischarge，DBD)微等离子体应用于分析方面的尝试变得越来越多．相对于其他类型等离子体而言，DBD具有诸多优点［4－5］．如良好的裂解能力、结构简单、操作温度低等．DBD等离子体可以在低功率、大气压下维持，如果将DBD微等离子体应用于微流控芯片系统的挥发组分(如氢化物)原子化中以建立DBD低温原子化器，将提高原子光谱的小型化的可行性．本文设计了一种用于介质阻挡放电(DBD)型微型原子化器的程控微等离子体电源．该电源以STM32F103ZET6和SG3525为控制核心，实现微流控芯片微气液分离后挥发组分(如氢化物)的原子化，以满足微流控芯片———原子荧光在线联用检测课题的研究需要．

1介质阻挡

放电及DBD型微型原子化器介质阻挡放电又叫无声放电［6－7］，相较于其他气体放电形式而言，主要区别于它在放电空间中插入了阻挡绝缘介质．其目的是为了有效控制放电过程中电流密度的无限增长，以避免达到电弧放电阶段．这种放电的击穿是电子通过施加外电场获取能量，并与周围待分析的挥发组分(如氢化硒)碰撞，电子把自身的能量转移给它们，使它们激发电离，实现挥发组分的原子化．一般情况而言，DBD微放电过程可分为电子崩、流注和熄灭三个阶段［8］．其放电过程如图1所示，将DBD微等离子体应用于微流控芯片系统的挥发组分(如氢化硒)原子化分析领域，有利于发展低温DBD原子化器，十分适合于原子光谱分析仪器的小型化．用于微流控芯片微气液分离后挥发组分(如氢化物)的原子化的DBD型微型原子化器如图2所示．

2电源系统硬件设计

2．1电源系统工作原理

电源系统原理框图如图3所示．其工作原理为:系统以单片机STM32F103ZET6与脉冲控制芯片SG3525为控制核心，用以控制输出具有一定频率、一定占空比的PWM波形，并与经过整流滤波电路后得到的直流电压一起推动由H25R1203构成的IGBT电路，实现将上述直流电压逆变成受SG3525控制的高频交流电，而后经高压变压器输出高频高压交流电供给DBD型微型原子化器上的ITO平板放电电极，在大气压条件下产生非平衡态微等离子体，以实现待分析挥发组分(如氢化硒)的原子化．

2．2电源系统主要硬件模块

2．2．1SG3525控制电路SG3525为一款电流控制型单片集成PWM控制芯片［9－10］，可直接驱动功率MOS-FET管，采用推挽输出形式，驱动能力强．基于SG3525芯片的控制电路如图4所示．SG3525的振荡频率f如下式:式中:CT为第5脚连接的定时电容;RT为第6脚连接的电阻;RD为第7脚与5脚之间的放电电阻．根据实际需求，为便于实现频率控制，由STM32单片机内置的12位DAC1输出模拟控制信号，经运放LM324放大后至SG3525的第6脚，实现对输出PWM波形的频率调节．由STM32单片机内置的12位DAC2输出模拟控制信号，通过四运算放大器LM324放大后送至SG3525的第2脚，实现输出PWM波形占空比调节，以实现输出电流调节．SG3525的第8脚为软启动端，外接对地电容C203可以实现输出脉冲的软启动，启动时间由C203的电容大小决定．为使输出脉冲占空比能够由小变大，从而有效减小开机时对IGBT逆变电路的冲击，SG3525芯片通过内部的5．1V基准电压源Uref提供的50μA恒流源为该电容供电．

2．2．2过流过压保护电路系统中采用电流互感器CT10CL20A/20mA作为电流检测元件，串接在高频高压变压器输出端，当检测到过流信号产生时，能快速关断PWM输出信号，保护电路在过流的情况下不会受到损坏．过流检测信号经整流、分压、滤波后加至电压跟随器，而后输送至电压比较器LM339的同相输入端，与反相输入端参考电平相比较．当检测到过流信号后，LM339同相输入端电压将高于反相输入端电压电平时，电路通过D101能一直维持LM339输出高电平，并经后续电路送至SG3525第10脚．当第10脚变成高电平时，其第11、14脚上则无PWM信号输出，继而IGBT逆变电路将会被关断，使其无高压输出．当过压信号被STM32检测到时，STM32则会输出过压控制复用高电平信号(同理，如检测到放电腔温度超过给定的温度时，该端口也将输出高电平信号，控制SG3525断开PWM信号，实现超温控制)，经74LS32送到SG3525第10脚，使SG3525无PWM信号输出，从而实现过压控制．其电路原理图如图5所示．

2．2．3IGBT驱动控制电路基于IGBT的驱动控制电路如图6所示．SG3525输出的驱动信号分别从第11脚、第14脚输出outA与outB信号，而后送至光耦U302、U301隔离后，输入到两只IGBT管Q301、Q302进行放大，再经T302高频高压变压器送至放电腔体放电电极，以实现介质阻挡放电．同时，经T301检测出过压信号，经整流、滤波后送至STM32单片机ADC进行过压检测，当STM32单片机判断该电压信号超过设定高压电压值后，送出过压控制信号给过流过压保护电路，使SG3525第10脚呈现高电平，从而对电路起到过压保护．

2．2．4温度保护电路系统中，选用数字温度传感器DS18B20贴于微型原子化器ITO玻璃外侧，实时检测微型原子化器放电腔体温度，如温度超过设定值，由STM32单片机输出控制信号，及时关闭PWM输出信号，使后续无高压输出．系统中，超温控制信号与过压控制信号输出引脚复用，即超温或者过压时，由STM32输出的过压控制信号输出均为高电平信号，此高电平送至74L3或门电路，使SG3525第10脚呈现高电平状态，实现PWM信号的关断，从而实现超温保护控制．

3电源控制软件设计系统控制流程

如图7所示．

4实验测试及分析

该电源系统涉及到高频高压，为确保放电最佳效果．进行测试时，先通过红外遥控设置输出PWM波形为某一固定频率、某一固定占空比，而后由调压器对接入的交流220V由0V慢慢增加，直到能观测到微放电腔体内有放电现象为止．而后改变输出PWM激励信号频率，再适当调整接入的交流电压值，以确保最佳放电参数．同时，对于微放电腔体的放电电极间距调整也应遵循由远及近的原则，以确保安全的放电电压及放电间距．图8、图9分别为不同激励频率下，未放电与放电时SG3525第11、14脚端输出的PWM波形．

5结束语

本文设计了一种结构简单、调试方便、所需器件较小的微型原子化器介质阻挡放电(DBD)程控电源．该电源利用STM32F103ZET6对SG3525控制实现输出波形的频率及占空比调节、过流过压控制、以及超温保护等功能．实验结果表明，硬件系统PWM输出波形频率能实现0～200kHz可调控制，输出电压可实现0～20kV可调．这种采用单片机与脉宽调制芯片相结合硬件电路能有效实现输出电压精准控制，特别满足DBD型微型原子化器控制的实际需求．

参考文献:

［8］周彬彬，付豪，喻伟闯，等．基于Ansys的平板型介质阻挡放电仿真与研究［J］．湖北民族学院学报(自然科学版)，2016，34(2):199－223．

［9］高阳，黄懿，王俊，等．一种隔离80kV大功率开关电源的设计［J］．电力电子技术，2010，44(4):31－35．

［10］牟翔永，张晓春，林刚，等．基于SG3525的大电流低电压开关电源设计［J］．电测与仪表，2013，2013(4):120－124．

作者：廖红华 樊姗 周彬彬 吕义 滕召波 袁海林 单位：湖北民族学院