雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路設(shè)計

張 濤 王洪輝 庹先國 李 鄢 奚大順

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路設(shè)計

張 濤1， 王洪輝1， 庹先國1，2， 李 鄢1， 奚大順1

（1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

為提高原子熒光儀中激發(fā)光源的瞬間激發(fā)強度及其光譜穩(wěn)定性，提出一種基于VMOS管穩(wěn)流原理的雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路設(shè)計方法，即采用由VMOS管和放大器組成的電流閉環(huán)負(fù)反饋電路來維持峰值電流穩(wěn)定，從而實現(xiàn)激發(fā)光源激發(fā)強度的穩(wěn)定。設(shè)計穩(wěn)流控制信號處理電路、閉環(huán)穩(wěn)流電路、穩(wěn)流閉鎖電路及高壓供電電路。在驅(qū)動不同阻抗元素?zé)艏肮╇婋妷涸?50～250V波動時，工作電流波動幅度均在±0.4%以內(nèi)；輸出電流可在0～160mA數(shù)字設(shè)置，與設(shè)置電流線性相關(guān)度為0.9987。測試結(jié)果表明：該設(shè)計的電流穩(wěn)流效果較好，能滿足不同元素?zé)艏安煌瑥姸裙ぷ麟娏鞯尿?qū)動要求。

激發(fā)光源；脈沖高壓穩(wěn)流；閉環(huán)穩(wěn)流；電流閉鎖；數(shù)字設(shè)置

0 引 言

氫化物發(fā)生-原子熒光儀（hydrogen generationatomic fluorescence spectrometer，HG-AFS）[1]是基于蒸氣相待測元素的基態(tài)原子受激發(fā)光源輻照后，根據(jù)激發(fā)出特征譜線的輻射強度來確定元素含量的一種痕量光譜分析方法[2-4]，具有靈敏度高、測定速度快、能多元素同時測定等特點[5]，目前廣泛應(yīng)用于食品安全、環(huán)境檢測、地質(zhì)、冶金、衛(wèi)生等行業(yè)和部門[6]。HG-AFS由自動進(jìn)樣器、氫化物發(fā)生器、原子化器、激發(fā)光源、光電倍增管、信號檢測及處理電路[7]等組成。激發(fā)光源是其重要組成部分，不同的元素需要特定波長的激發(fā)光源輻照才能激發(fā)特征譜線，而空心陰極燈（hollow cathode lamp，HCL）是目前應(yīng)用最廣泛的一種激發(fā)光源[8]。

HCL陰極發(fā)射特征譜線強度是決定HG-AFS檢出限的重要參數(shù)，而提高其發(fā)射譜線強度最簡單、有效的技術(shù)手段就是提高HCL工作電流，但也會提高儀器本底噪聲及縮短燈的使用壽命。相比于以往的直流供電、寬脈沖供電及新型毫秒脈沖供電方式[9]，采用脈沖寬度更窄、峰值電流更大的大電流微秒脈沖，能進(jìn)一步提高HCL的特征譜線發(fā)射強度，有效延長燈的使用壽命，因而這種供電方式受到了持續(xù)的關(guān)注與研究[10-11]。目前，針對這種供電方式的理論研究已經(jīng)比較完善，但是工程設(shè)計鮮有提及，因此結(jié)合實際項目需要，在此提出一種雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路設(shè)計方法。

1HCL工作電流分析

HCL工作電流決定了燈的特征譜線發(fā)射強度及其光譜穩(wěn)定性，也直接影響著燈的使用壽命以及吸收靈敏度和儀器檢出限的好壞。在一定條件下，燈電流大則特征譜線發(fā)射強度大，但會縮短燈的使用壽命、降低吸收靈敏度；燈電流過小，特征譜線發(fā)射強度太弱，儀器信噪比降低，影響檢出限。為兼顧特征譜線發(fā)射強度及燈使用壽命這兩個互斥的參數(shù)，本設(shè)計采用脈沖寬度更窄、峰值電流更大的大電流微秒脈沖脈沖供電方式。

微秒脈沖為占空比一定的低頻矩形波，在HCL允許的平均工作電流范圍內(nèi)，大幅提高瞬間峰值工作電流[12]。本文采用占空比5%的矩形電流，設(shè)計陰極燈瞬間峰值電流為160mA（平均工作電流也僅為8 mA）。一方面，大幅提高特征譜線發(fā)射強度，延長HCL使用壽命；另一方面，有效避免持續(xù)輻照激發(fā)的重復(fù)譜線，提高HG-AFS的信噪比[13]。圖1為陰極燈供電電流波形，脈沖頻率為300Hz。電流平頂部分應(yīng)保持穩(wěn)定，以保證激發(fā)光源的光譜穩(wěn)定，進(jìn)而保證檢測到電信號的穩(wěn)定可靠，這一點由穩(wěn)流電路完成。

圖1 陰極燈工作電流波形

2 電路設(shè)計

2.1 閉環(huán)穩(wěn)流電路原理

HCL的正常工作，需要由雙通道脈沖高壓穩(wěn)流源對其陽極A及輔助陰極KS同時進(jìn)行驅(qū)動。2個通道的電路設(shè)計基本相同，只是在驅(qū)動電流設(shè)置上存在差異，在此只對陽-陰極（A-K）間的脈沖高壓穩(wěn)流電路加以分析。

圖2為閉環(huán)穩(wěn)流電路原理示意圖。它由VMOS調(diào)整管Q，負(fù)載RL，取樣電阻RS，誤差放大器OA1、OA2以及穩(wěn)流值控制信號Vr等組成。由圖可知，此電路實質(zhì)上是一種電流閉環(huán)負(fù)反饋電路[7]。根據(jù)放大器“虛短”的特性，OA2的同相端：

式中：I0——輸出電流，mA；

Vr——穩(wěn)流值控制電壓信號，mV；

RS——取樣電阻值，Ω；

Af——誤差放大器OA1的增益。

圖2 閉環(huán)穩(wěn)流電路原理示意圖

若RS=0.1Ω，Af=10，此時穩(wěn)流電源的控制電壓與輸出電流的關(guān)系為：I0=Vr。只要控制電壓一定，在供電電壓VCC或負(fù)載發(fā)生變化時，此閉環(huán)反饋系統(tǒng)能高速自動維持輸出電流的穩(wěn)定。例如負(fù)載RL變小，負(fù)載電流增大，此時VS（取樣電阻RS的電壓）增大，經(jīng)OA1放大后，會導(dǎo)致V-減小，由于控制信號不變，從而使OA2輸出電壓下降，VMOS管內(nèi)阻增高，這將補償最初的負(fù)載電流加大，最終維持負(fù)載電流的穩(wěn)定；供電電壓變化所引起的電流變化的穩(wěn)定過程，與此類似。

2.2 脈沖高壓穩(wěn)流電路

脈沖高壓穩(wěn)流電路原理如圖3所示。

1）穩(wěn)流控制信號處理電路

此部分是由圖3中的R8、C3組成的低通濾波與運放OP07構(gòu)成的信號處理電路A。STM32 MCU的12位DAC輸出占空比為5%、頻率為300 Hz的矩形電壓脈沖作為穩(wěn)流值控制信號Vr。由于DAC輸出的最大電壓約為3.3V，這里軟件設(shè)置DAC的最大幅度為3V。如圖1所示，3V控制信號對應(yīng)的輸出電流峰值為160mA。Vr經(jīng)一階有源RC低通濾波減弱干擾信號的影響，考慮到脈沖頂部的降落，轉(zhuǎn)折頻率取3kHz。

2）閉環(huán)穩(wěn)流電路

此部分是由圖3中誤差放大器U2A、U2D，大功率VMOS調(diào)整管Q3，取樣電阻R13構(gòu)成的閉環(huán)負(fù)反饋穩(wěn)流電路B。負(fù)載為HCL，電流方向為陽極A到陰極K。當(dāng)穩(wěn)流值控制信號Vr（U2A V+）為3V時，燈電流脈沖幅度應(yīng)為160 mA。此時取樣電阻R13取為10 Ω，對應(yīng)的取樣電壓為1.6 V，由式（1）可知，V+=Vr≈V-，故同相放大倍數(shù)Af：

圖3 脈沖高壓穩(wěn)流電路原理圖

R14為滑動變阻器，取值2kΩ，保證其放大倍數(shù)可調(diào)范圍為1～3，即輸出電流的調(diào)整范圍為100～300mA。

調(diào)整管為N溝道VMOS管6N60，其VDDS=650V，HCL工作電壓約為400V，電壓減額0.6[14]；ID=6.2A，電流減額更充分。利用它工作于變阻區(qū)，獲得高的閉環(huán)增益，提高穩(wěn)流效果。電容C4用于防止由于放大器特性、走線方式等因素可能引起的高頻自激。此穩(wěn)流電路與圖2的原理電路的差異在于驅(qū)動信號Vr為矩形脈沖，穩(wěn)流區(qū)在脈沖頂部而已。

3）穩(wěn)流閉鎖電路

此部分是由圖3中三極管構(gòu)成的開關(guān)電路C。NPN型雙極性晶體管Q5在導(dǎo)通或截止時，控制HCL電流的流動或者停止。當(dāng)BUSY=1時，Q5導(dǎo)通，VMOS管Q3的柵極被鉗制到地，穩(wěn)流電路停止工作，HCL無電流通過；BUSY=0，Q5截止，Q3工作于變阻區(qū)，穩(wěn)流電路正常工作，HCL正常工作。

4）高壓供電電路

考慮到穩(wěn)流電路對供電電壓的不敏感性，此部分是由圖3中升壓式變壓器T1、全橋整流D1、均壓電阻、濾波電容構(gòu)成的簡易AC-DC轉(zhuǎn)換電路D。由于HCL的供電電壓必須保證大于其啟輝電壓（一般＜360V[6]），而市電輸入為交流220V，故升壓器T1的調(diào)整比設(shè)置為1∶2，輸出交流電壓約為500 V；T1的交流輸出經(jīng)D1整流后轉(zhuǎn)換為直流電壓，再用均壓電阻R1、R2平均分配給濾波電容器C1、C2，消除高頻噪聲與市電交流干擾后作為HCL的供電電壓。其中，均壓電阻選用功率電阻RJ-2W，濾波電容器選用47μF、耐壓400V的鋁電解電容。

3 電路測試與分析

為檢驗本設(shè)計對不同阻抗元素?zé)舻姆€(wěn)流能力、供電電壓變化時的穩(wěn)流能力以及輸入-輸出線性度這3個方面的性能，分別對其進(jìn)行測試分析。

3.1 測試條件及儀器

由于輔助陰極與陰極的驅(qū)動電路相互獨立，在此只對A-K極流過的電流進(jìn)行測試。

所有空心陰極燈均采用北京有色金屬研究所研制的系列高性能空心陰極燈，填充氣為氖氣，輻照強度大，穩(wěn)定性好壽命長，在測量前均進(jìn)行約30min預(yù)熱，使其輻射強度及熱阻抗達(dá)到穩(wěn)定；本文取樣電阻值為10Ω，由示波器測量取樣電阻上的電壓值折算出流過HCL的電流值。本次測試主要用到的測試儀器如表1所示。

表1 測試儀器清單

3.2 對不同元素?zé)舻姆€(wěn)流能力

不同元素?zé)粼诔淙攵栊詺怏w的濃度比例和陰極材料上存在明顯差異，進(jìn)而導(dǎo)致各HCL的阻抗存在較大差異。本文就不同HCL在相同預(yù)設(shè)電流下，實際流過的電流進(jìn)行測試，以檢驗本設(shè)計對HCL的穩(wěn)流能力。

本文預(yù)設(shè)各元素?zé)舻拿}沖電流峰值為80 mA，表2是各元素?zé)魧嶋H通過的電流峰值。

表2 對不同元素?zé)舻尿?qū)動能力測試

由表可知，實際流過HCL的A-K極之間的電流，與預(yù)設(shè)值的相對誤差均保持在±0.4%以內(nèi)，均方差電流波動幅度較小，峰值電流穩(wěn)定，表明本設(shè)計在驅(qū)動不同阻抗的元素?zé)魰r，穩(wěn)流能力良好，能適應(yīng)多種元素?zé)舻尿?qū)動要求。

圖4為電流峰值80mA，汞元素?zé)舻娜与娮枭蠝y得的波形（VS=I0·RS=10I0）。

圖4 元素汞燈電壓波形

3.3 供電電壓變化時的穩(wěn)流能力

供電電壓變化是由自耦變壓器模擬，調(diào)節(jié)旋鈕并根據(jù)萬用表讀數(shù)設(shè)置變化范圍為150～250V，步進(jìn)25V；測試元素?zé)魹楣療?，供電電壓為市?20V，預(yù)設(shè)脈沖電流峰值為80mA。表3為供電電壓變化時，流過汞HCL燈的實際電流峰值。

表3 供電電壓變化時的穩(wěn)流能力測試

由表可知，流過HCL的電流值與預(yù)設(shè)值的相對誤差僅在±0.4%以內(nèi)，均方差s=0.126 mA，電流波動幅度較小，表明本設(shè)計在供電電壓大幅度波動情況下，仍能維持流過HCL的電流穩(wěn)定，穩(wěn)流能力良好。

3.4 輸入-輸出線性度

預(yù)設(shè)電流峰值設(shè)置范圍0～160mA，步進(jìn)20mA；測試元素?zé)魹楣療?，供電電壓為市?20V。表4為實際輸出電流峰值與預(yù)設(shè)值測試數(shù)據(jù)。

表4 輸入-輸出線性度測試

根據(jù)表4，可以得到圖5所示輸入-輸出線性度曲線圖，并求得線性相關(guān)度。

由圖可知，輸出實際電流與軟件設(shè)置的值基本一致，相對誤差均在±3%以內(nèi)，線性相關(guān)度R=0.998 7，表明該設(shè)計輸出電流能按照需求在0～160 mA內(nèi)自行設(shè)置，能滿足不同元素?zé)魧Σ煌ぷ麟娏鞯男枨?。預(yù)設(shè)值與實際值的誤差，只要峰值電流穩(wěn)流良好，不會對儀器的性能產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

本文以實際需要為出發(fā)點，設(shè)計了驅(qū)動原子熒光分析儀激發(fā)光源-空心陰極燈的雙通道脈沖高壓穩(wěn)流電路，改善了傳統(tǒng)穩(wěn)流電路對脈沖電流的穩(wěn)流效果，保證了儀器在測量時激發(fā)光源的高度穩(wěn)定，減少了激發(fā)光源的背景噪聲，提高了儀器的信噪比。本設(shè)計能滿足多種HCL的電流驅(qū)動需求，輸出電流可在0～160mA內(nèi)按需設(shè)置，具有穩(wěn)流能力強、輸出線性度好的特點。采用本設(shè)計對元素（砷、鉛、鎘、汞）的實際測量表明，電路性能滿足儀器要求，可供儀器相關(guān)部件的工程設(shè)計參考。

圖5 輸入-輸出線性度曲線圖

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（編輯：商丹丹）

Design of the current stabilization circuit of dual-channel pulse high voltage

ZHANG Tao1， WANG Honghui1， TUO Xianguo1，2， LI Yan1， XI Dashun1
（1.College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China）

To enhance the instantaneous excitation intensity and the spectral stability of excitation light source in atomic fluorescence spectrometer， a dual-channelpulse high voltage current stabilization circuitdesign method based on VMOS tube currentstabilization principle was proposed.A closed loop negative feedback circuit consisting of a VMOS tube and an amplifier was used to maintain the peak current stability，so as to achieve the stability of excitation light source's intensity.Constant-current control signal processing circuit， closed-loop current stabilization circuit，constant-current lock out circuit and high-voltage power supply circuit were designed.The working current amplitude was within±0.4% when driving lamps with different impedance elements or the power supply voltage ranges between 150 V and 250 V，the output current could be digital settings within 0-160mA and the linear correlation between output current and setting current was 0.9987.Test results show that the current stabilization effect of the design is excellent and the design can meet the drive demand of the different element lamps and different working current intensity.

excitation light source； pulse high voltage current stabilization； closed-loop current stabilization； current blocking； digital settings

A

：1674-5124（2017）07-0078-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.015

2016-10-10；

：2016-12-13

國家重大科研儀器設(shè)備研制專項（41227802）；成都理工大學(xué)中青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目（KYGG201513）

張 濤（1991-），男，四川廣安市人，碩士研究生，專業(yè)方向為智能儀器及信號處理。

王洪輝（1985-），男，湖北孝感市人，副教授，博士，主要從事核輻射環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警。