壓電驅動無針注射器脈沖電源設計*

2019-02-27 01:29:30董義奎張鐵民

振動、測試與診斷 2019年1期

梁莉，董義奎，張鐵民

(華南農業大學工程學院廣州，510642)

引言

無針注射用于疫苗注射，可以消除針刺帶來的感染，大幅降低疫病發生，縮短注射時間，減少創傷，提高注射效率和疫苗的吸收率，世界衛生組織呼吁大力發展無針注射技術。無針注射的動力驅動直接影響到注射效果，以壓電陶瓷作為動力很容易進行通斷控制，反應靈敏，可以有效控制注射深度。壓電陶瓷驅動電源分為電流型和電壓型。電流型驅動電源可以改善壓電陶瓷的遲滯和蠕變，但是電路比較復雜，充電電流小，響應時間長。電壓型驅動電源功耗小、效率高，但是電源輸出紋波較大，頻響范圍較窄[1-4]。

根據壓電驅動的無針注射需求，采用PWM控制技術設計組合式脈沖電源，輸出0～400 V 電壓幅值和頻率可調的小電流連續的瞬時高壓脈沖信號，輸出信號穩定可靠，以精確控制注射用藥量。

1 驅動電源主電路設計

由電池提供12 V的直流電壓，通過Buck與推挽電路級聯電路升壓后整流濾波輸出0～400 V 直流可調電壓，經過全橋逆變電路輸出脈沖電壓。微處理器的輸出經過光耦驅動為Buck與推挽級聯電路和全橋逆變電路提供驅動控制信號，反饋電路對輸出電壓進行校正，系統主電路組成如圖1所示。

圖1 驅動控制系統硬件結構框圖Fig.1 Drive control system block diagram

2 硬件電路設計

2.1 基于推挽電路的脈沖電源電路

基于推挽電路的脈沖電源由Buck電路、推挽電路、整流濾波和反饋電路組成，如圖2所示。

圖2 基于推挽電路的脈沖電源電路原理圖Fig.2 The power supply circuit principle diagram of push-pull circuit based on pulse

2.1.1 Buck與推挽級聯電路

Buck與推挽級聯電路由MOS管、二極管、電感、電容和變壓器組成。12 V的直流輸入通過調節MOS管T1占空比控制Buck電路輸出0～12 V直流電壓，Buck輸出電壓作為推挽電路的輸入電壓(即Vi2=0～12 V )。由于推挽電路互補，為避免兩個開關管同時導通，所以兩個MOS管T2和T3的占空比0<α<50%。T2和T3斷態時承受的峰值電壓均為兩倍的Vi2，并且還要留有裕量，同時考慮無針注射功率較小，Buck輸出電流不超過2 A。為此，選用MOS管選擇型號為FU120，同理，T1也選用FU120[5]。

2.1.2 整流濾波電路

整流電路是由4個整流二極管組成全橋整流，因為輸出最高電壓U0在400 V左右，經過整流橋反向電壓為

(1)

留一定的裕量，取UR≥600 V，而DB107能承受的最大反向電壓為1 kV，完全滿足要求。濾波電容C2為電解電容且電容值為22 μF/630 V。

2.1.3 全橋逆變電路設計

全橋逆變電路由4個MOS管構成H橋，如圖3所示，通過PWM控制開關管(T4～T7)的通斷，實現單/雙相之間的轉換，其中：HDC為直流輸入正極；LDC為直流輸入負極。

圖3 全橋逆變電路Fig.3 Full-bridge inverted circuit

MOS管在開關過程中會產生瞬態沖擊高壓，為了減少產生的電壓應力，采用了RCD(電阻Rs、電容Cs和二極管VDs的英文首字母)緩沖電路對其進行保護。由于電路工作在較高頻狀態，因此選用玻璃鈍化的超快速二極管BYV26D快速恢復，電容C3使絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, 簡稱IGBT)電壓在tf時間內快速上升到2VHDC。

(2)

其中：IP為全橋逆變電路的輸入電流；tf為IGBT電流從初始值下降到零的時間；VHDC為輸入電壓，經計算電容取220 pF。

存儲在電容中的大部分電量被電阻消耗，為避免電容飽和，在下一個關斷前要求電容剩余的電量不得超過所充電荷的5%，因此選擇電阻為30 Ω[6-8]。

2.2 光耦驅動電路設計

2.2.1 Buck驅動電路

如圖4所示，通過TLP251給Buck電路的MOS管T1加入驅動信號。STM32的2號引腳給TLP251輸入PWM1， TLP251的6號引腳提供給MOS管T1，驅動MOS管T1的開關。R10為柵極電阻，取值在10～30 Ω之間，如果過高會導致上升時間很長，過低會導致過阻尼，故取中間值R10=20 Ω，R2為MOS管的柵極保護電阻，用來調節開關速度，減少柵極出現振鈴現象。減小EMI可對柵極電容充放電起限流作用，減慢開關速度保證了柵極穩定，取值20 kΩ，R11為限流電阻，取R11=1 kΩ。

圖4 Buck電路驅動電路Fig.4 Buck circuit drive circuit

2.2.2 推挽和全橋驅動電路

如圖5所示，采用具有自舉功能的NCP5181作為推挽電路和全橋電路的驅動器，控制MOS管的開關，NCP5181為一款相互獨立的互補輸出芯片，其1號和2號引腳接受輸入信號，4號和7號引腳是作為輸出，C7為自舉電容，用作抬升電壓，取值為0.1 μF；D8為續流二極管，選擇高速開關管FR107；D6和D7加速MOS管的放電，選擇1N4148；電阻R12和R13為柵極電阻，取值均為20 Ω。

圖5 推挽和全橋驅動電路Fig.5 Push-pull and full-bridge drive circuit

2.3 反饋電路設計

如圖6所示，V0為輸出電壓，VCC為芯片供電電壓，采樣電路R19的取值要考慮：a. TL431參考輸入端的電流一般為2 μA左右，為了避免此端電流影響分壓比和噪音的影響，一般取流過電阻R19的電流為參考段電流的100倍以上，所以此電阻要小于2.5 V/200 μA=12.5 kΩ； b.待機功耗在滿足小于12.5 kΩ的情況下盡量取大值[6, 9]。這里采用滑動變阻器R18和R19根據需要進行適當的調節。

由于TLP431的死區電流為1 mA，也就是R15的電流接近于零時，也要保證TLP431有1 mA，所以R16≤V0/1 mA,R14取1 kΩ，補償電路電容C9=0.02 μF[5, 8-9]。

圖6 反饋電路Fig.6 Feedback circuit

3 驅動電源軟件設計

3.1 總體軟件設計

采用STM32F103ZX作為控制芯片，系統的軟件結構框圖如圖7所示。TIM1和TIM8輸出2路PWM，TIM2輸出1路PWM。

圖7 軟件結構框圖Fig.7 Software block diagram

系統上電后，首先進行系統初始化，開啟中斷服務函數；并進行開機檢測是否正常，若正常則啟動脈沖電源，否則進入異常處理[10]；對壓電陶瓷形變進行控制，若無針注射量實驗值與理論值相等，工作正常，若無針注射量的實驗值與理論值存在偏差，工作不正常，馬上結束程序。實時判斷系統工作是否在正常狀態，若不正常則進入異常處理，以保證系統安全，系統總體軟件控制流程圖如圖8所示。實驗注射量是每次注射用量筒測得，理論注射量=壓電陶瓷的變形量*安瓿的橫截面積。

圖8 控制系統軟件程序框圖Fig.8 Control system software block diagram

3.2 PWM信號設計

采用STM32F103ZX的定時器TIM1和TIM8，輸出兩路互補PWM，控制NCP5181分別驅動推挽和全橋逆變電路。通用定時器TIM2輸出一路PWM,，控制TLP251驅動Buck電路，用示波器測得TIM1和TIM8的互補輸出波形如圖9所示。圖中橫坐標表示時間/μs，縱坐標表示電壓/V。TIM2通過按鍵調節占空比，一次輸入加10%或者減10%，呈梯形加減，得到α=40%，α=50%，α=60 %和α=70% 4個輸出波形，如圖10所示。圖中橫坐標表示時間/μs，縱坐標表示電壓/V。

圖9 互補輸出Fig.9 Complementary output

圖10 Buck電路PWM輸入波形圖Fig.10 PWM input waveform of the Buck circuit

4 實驗分析

實物圖如圖11所示。其中：直流電源提供12 V直流電；Buck與推挽級聯電路和整流濾波電路產生0～400 V可調直流電；全橋逆變電路將直流電轉換成交流電輸出；7805穩壓芯片給芯片供電；STM32輸出PWM調控輸出；示波器測試輸出波形；萬用表測輸出電壓，實時觀測比較。

4.1 輸出波形

4.1.1 調幅輸出波形

調節Buck電路的占空比a，得到不同的輸出電壓U0，用示波器測其輸出的脈沖波形，取a=10%，a=30%，a=60%和a=90%，如圖12所示。

圖11 實物圖Fig.11 Physical diagram

4.1.2 調頻和調占空比輸出波形

如圖13所示，取3種波形的占空比都為50%，頻率分別為100，300和500 Hz。頻率不同，單位時間內3個脈沖產生高電平的次數明顯不同。

圖12 電路輸出波形Fig.12 Circuit output waveform

圖13 調頻波形圖Fig.13 FM waveform cycle waveform

如圖14所示，波形A是頻率為50 Hz、占空比為50%的方波，波形B是頻率為100 Hz、占空比為50%的方波，波形C是頻率為100 Hz、占空比為80%的方波。比較波形A和波形B，占空比一定時頻率增加了一倍，周期t為原來的一半，相同的周期t內，高電平觸發的次數增加了一倍。比較波形B和波形C，頻率一定時高電平觸發的次數相同，但是占空比越大，每次觸發時間越長。