雙通道脈沖高壓穩流電路設計

張 濤 王洪輝 庹先國 李 鄢 奚大順

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

雙通道脈沖高壓穩流電路設計

張 濤1， 王洪輝1， 庹先國1，2， 李 鄢1， 奚大順1

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

為提高原子熒光儀中激發光源的瞬間激發強度及其光譜穩定性，提出一種基于VMOS管穩流原理的雙通道脈沖高壓穩流電路設計方法，即采用由VMOS管和放大器組成的電流閉環負反饋電路來維持峰值電流穩定，從而實現激發光源激發強度的穩定。設計穩流控制信號處理電路、閉環穩流電路、穩流閉鎖電路及高壓供電電路。在驅動不同阻抗元素燈及供電電壓在150～250V波動時，工作電流波動幅度均在±0.4%以內；輸出電流可在0～160mA數字設置，與設置電流線性相關度為0.9987。測試結果表明：該設計的電流穩流效果較好，能滿足不同元素燈及不同強度工作電流的驅動要求。

激發光源；脈沖高壓穩流；閉環穩流；電流閉鎖；數字設置

0 引 言

氫化物發生-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原子受激發光源輻照后，根據激發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]，目前廣泛應用于食品安全、環境檢測、地質、冶金、衛生等行業和部門[6]。HG-AFS由自動進樣器、氫化物發生器、原子化器、激發光源、光電倍增管、信號檢測及處理電路[7]等組成。激發光源是其重要組成部分，不同的元素需要特定波長的激發光源輻照才能激發特征譜線，而空心陰極燈（hollow cathode lamp，HCL）是目前應用最廣泛的一種激發光源[8]。

HCL陰極發射特征譜線強度是決定HG-AFS檢出限的重要參數，而提高其發射譜線強度最簡單、有效的技術手段就是提高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，能進一步提高HCL的特征譜線發射強度，有效延長燈的使用壽命，因而這種供電方式受到了持續的關注與研究[10-11]。目前，針對這種供電方式的理論研究已經比較完善，但是工程設計鮮有提及，因此結合實際項目需要，在此提出一種雙通道脈沖高壓穩流電路設計方法。

1HCL工作電流分析

HCL工作電流決定了燈的特征譜線發射強度及其光譜穩定性，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。為兼顧特征譜線發射強度及燈使用壽命這兩個互斥的參數，本設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，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射強度，延長HCL使用壽命；另一方面，有效避免持續輻照激發的重復譜線，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。電流平頂部分應保持穩定，以保證激發光源的光譜穩定，進而保證檢測到電信號的穩定可靠，這一點由穩流電路完成。

圖1 陰極燈工作電流波形

2 電路設計

2.1 閉環穩流電路原理

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

圖2為閉環穩流電路原理示意圖。它由VMOS調整管Q，負載RL，取樣電阻RS，誤差放大器OA1、OA2以及穩流值控制信號Vr等組成。由圖可知，此電路實質上是一種電流閉環負反饋電路[7]。根據放大器“虛短”的特性，OA2的同相端：

式中：I0——輸出電流，mA；

Vr——穩流值控制電壓信號，mV；

RS——取樣電阻值，Ω；

Af——誤差放大器OA1的增益。

圖2 閉環穩流電路原理示意圖

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

2.2 脈沖高壓穩流電路

脈沖高壓穩流電路原理如圖3所示。

1）穩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，這里軟件設置DAC的最大幅度為3V。如圖1所示，3V控制信號對應的輸出電流峰值為160mA。Vr經一階有源RC低通濾波減弱干擾信號的影響，考慮到脈沖頂部的降落，轉折頻率取3kHz。

2）閉環穩流電路

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

圖3 脈沖高壓穩流電路原理圖

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

調整管為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，獲得高的閉環增益，提高穩流效果。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。此穩流電路與圖2的原理電路的差異在于驅動信號Vr為矩形脈沖，穩流區在脈沖頂部而已。

3）穩流閉鎖電路

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

4）高壓供電電路

考慮到穩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、濾波電容構成的簡易AC-DC轉換電路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的調整比設置為1∶2，輸出交流電壓約為500 V；T1的交流輸出經D1整流后轉換為直流電壓，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

為檢驗本設計對不同阻抗元素燈的穩流能力、供電電壓變化時的穩流能力以及輸入-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動電路相互獨立，在此只對A-K極流過的電流進行測試。

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，穩定性好壽命長，在測量前均進行約30min預熱，使其輻射強度及熱阻抗達到穩定；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 對不同元素燈的穩流能力

不同元素燈在充入惰性氣體的濃度比例和陰極材料上存在明顯差異，進而導致各HCL的阻抗存在較大差異。本文就不同HCL在相同預設電流下，實際流過的電流進行測試，以檢驗本設計對HCL的穩流能力。

本文預設各元素燈的脈沖電流峰值為80 mA，表2是各元素燈實際通過的電流峰值。

表2 對不同元素燈的驅動能力測試

由表可知，實際流過HCL的A-K極之間的電流，與預設值的相對誤差均保持在±0.4%以內，均方差電流波動幅度較小，峰值電流穩定，表明本設計在驅動不同阻抗的元素燈時，穩流能力良好，能適應多種元素燈的驅動要求。

圖4為電流峰值80mA，汞元素燈的取樣電阻上測得的波形（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流能力

供電電壓變化是由自耦變壓器模擬，調節旋鈕并根據萬用表讀數設置變化范圍為150～250V，步進25V；測試元素燈為汞燈，供電電壓為市電220V，預設脈沖電流峰值為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流能力測試

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

3.4 輸入-輸出線性度

預設電流峰值設置范圍0～160mA，步進20mA；測試元素燈為汞燈，供電電壓為市電220V。表4為實際輸出電流峰值與預設值測試數據。

表4 輸入-輸出線性度測試

根據表4，可以得到圖5所示輸入-輸出線性度曲線圖，并求得線性相關度。

由圖可知，輸出實際電流與軟件設置的值基本一致，相對誤差均在±3%以內，線性相關度R=0.998 7，表明該設計輸出電流能按照需求在0～160 mA內自行設置，能滿足不同元素燈對不同工作電流的需求。預設值與實際值的誤差，只要峰值電流穩流良好，不會對儀器的性能產生影響。

4 結束語

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

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備研制專項（41227802）；成都理工大學中青年骨干教師培養計劃項目（KYGG201513）

張 濤（1991-），男，四川廣安市人，碩士研究生，專業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，主要從事核輻射環境地質災害監測預警。