CN107465349B - 一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系，包括：电源模块一，用于为流式细胞分析仪中的光电转换器/模拟电路提供直流电；电源模块二，用于为流式细胞分析仪中的数字电路提供直流电；电源模块三，用于为流式细胞分析仪中的强电部件提供直流电；电源模块一、电源模块二以及电源模块三之间相互独立，分别输入交流电。其将电源模块化，分成三部分分别为流式细胞分析仪中的各部件进行供电，尤其采用波纹系数仅为10微伏的电源模块一单独为由雪崩二极管组成的光电转换器和模拟电路进行供电，以此降低光电转换器在进行光电转换时产生的电流噪音，同时将模拟电路的电噪音降到很低的级别。

Description

一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系统
技术领域
本发明涉及医疗仪器技术领域，尤其涉及一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系统。
背景技术
在生物和医疗领域，往往采用流式细胞分析仪来定量统计和分析生物细胞种类和数量，在该过程中：首先采用荧光试剂对样本染色；之后将被染色的样本粒子在经过检测区，利用激光光束对其进行照射，由于不同种类的被染色的样本粒子在激光光束的激发下会发出不同波长与不同能量的荧光信号，因此之后采用多个光电接收器接收不同的荧光信号，这些荧光信号照射在光电传感器上之后，产生能够反映样本粒子表征的电脉冲信号。电脉冲信号经过信号调理，基线恢复，模拟信号到数字信号的转换，最后通过参数提取获得荧光信号的表征，完成对样本的分析。
在常规的流式细胞分析仪中，光电传感器一般都会采用光电倍增管这样成熟的技术，于此同时，由雪崩二极管组成的光电传感器却具有更好的光学灵敏度，因此该类光电传感器逐步应用起来，但是该类光电传感器在应用过程中对噪音的敏感程度也会更高，此外，对温度、尤其是工作电源，参考电压的稳定性要求极高。
具体，雪崩二级管的PN结反向电压一般在50V(伏)到300V之间，这一电压和雪崩二级管的增益成非线性正比，在合理电压工作范围，100mV(毫伏)的电压变化或者抖动可以引起雪崩二级管两倍左右甚至两倍以上的光电转换增益。此外，当电源温度升高，若该温度传导到光电转换系统和模拟电路放大系统之后，会大大提高这两个系统中的热噪声，影响正常工作。也就是说，采用雪崩二级管的光电转换系统对于施加在上面的反向参考电压，及其直流电源的稳定性等有很高的要求。
再有，一般来说，流式细胞分析仪中由雪崩二级管所产生的微弱电流信号需要被放大十万倍以上才能被系统中模拟数字转换器完整的采集到，而电源的噪音等性能对于模拟数字转换器件的准确度和精度有着决定性的作用。目前，对于满足流式细胞分析仪信号精度、带宽的模拟数字转换器来说，采用的电源系统时的采样信号的分辨率一般为100-200mV，大大限制了流式细胞分析仪的性能，无法在采集量化之后的信号中发现被测粒子微小的细节。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系，有效解决了现有流式细胞分析仪中，由电源系统噪音过大影响雪崩二极管以最佳性能工作的技术问题。
本发明提供的技术方案如下：
这种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系统，应用于流式细胞分析仪，所述流式细胞分析仪中采用雪崩二级管作为光电转换器，所述低噪声电源系统中包括：
电源模块一，用于为流式细胞分析仪中的光电转换器/模拟电路提供直流电；
电源模块二，用于为流式细胞分析仪中的数字电路提供直流电；
电源模块三，用于为流式细胞分析仪中的强电部件提供直流电；
所述电源模块一、电源模块二以及电源模块三，相互独立，分别输入交流电。
在本技术方案中，将电源模块化，分成三部分分别为流式细胞分析仪中的各部件进行供电，尤其采用波纹系数为10微伏的电源模块一单独为由雪崩二极管组成的光电转换器和模拟电路进行供电，以此降低光电转换器在进行光电转换时产生的电流噪音，同时将模拟电路的电噪音降到很低的级别；此外，在流式细胞分析仪中，将各被供电部件进行模块化，即光电转换器/模拟电路、数字电路以及强电部件分别模块化，进一步降低对电源系统噪音性能的影响。
所述低噪声电源系统中还包括两个用于实现电信号之间电气隔离的隔离模块，其中，
第一隔离模块设置于光电转换器/模拟电路与数字电路之间；
第二隔离模块设置于数字电路和强电部件之间。
在本技术方案中，在各被供电部件进行模块化且分别进行供电的基础上，进一步对各被供电部件进行电气隔离，不仅避免了拥有较大开关噪音的强电部件和数字电路的数字开关噪音对电源和电源地的破坏，同时避免了当强电部件出现故障时，从电源和电源地对敏感的数字电路、尤其是模拟电路和光电传感器的损坏。
所述低噪声电源系统中还包括三个电力线滤波器，与电源模块一、电源模块二及电源模块三一一对应，设置于各电源模块与交流电之间。
在本技术方案中，各电源模块接入交流电之前采用电力线滤波器对其进行滤波，以此抑制由电力线传输引入的扰动。对在电力线中以多次谐波方式引入的交流电噪音进行抑制；同时对于以高频脉冲形式或者尖峰形式引入的电网干扰进行抑制。
所述电源模块一中包括多路高压输出电路，每路所述高压输出电路为一个光电转换器或为一路模拟电路供电，每路高压输出电路中包括：
第三隔离模块，接入外部控制信号；
数模转换器，与所述第三隔离模块连接，接入所述第三隔离模块输出的控制信号并将其转换为模拟控制信号；
高压输出模块，用于输出可调高电压；
高压调理分配电路，分别与所述数模转换器和高压输出模块连接，根据所述数模转换器输出的模拟控制信号和高压输出模块输出的电压调整输出电压。
在本技术方案中，通过高压输出模块和外部控制信号同时对输出电压进行调整控制，实现对输出电压的精确控制，控制输出到光电转换器中的电压呈良好的线性度，具体可达百分之一的电压线性度；此外，采用并联的方式为各光电转换器进行供电，保证了电源系统的扩展性能。
在所述高压调理分配电路中包括：电压比较器、误差放大器、调整管、第一采样电阻、第二采样电阻以及滤波电容，其中，
所述电压比较器的正输入端与数模转换器的输出端连接、输出端与负输入端连接；
所述误差放大器的发射极与电压比较器的输出端连接、集电极与调整管的基极连接、基极分别与第一采样电阻和第二采样电阻的一端连接；
所述调整管的集电极与高压输出模块的输出端连接、发射极与第一采样电阻的另一端连接作为电压输出；
所述第二采样电阻的另一端接地；所述滤波电容的一端接地、另一端与调整管的基极连接。
进一步优选地，所述低噪声电源系统包括一种用于抑制电磁辐射对外界影响的全金属屏蔽外壳，带有外壳的低噪声电源系统一通过底座安装于流式细胞分析仪，内部的机箱金属表面。
进一步优选地，所述外壳由铝材料制备而成，且表面进行了氧化和发黑处理。
进一步优选地，所述外壳四周包括多条散热槽。
在本技术方案中，电源系统采用特殊设计的电源外壳，具体采用全金属屏蔽外壳降低内部电磁辐射对设备电源和其他部件的影响；底座在安装时和流式细胞分析仪的机箱地导通，隔离电源内部的电磁场，提高对外界电磁辐射抑制；此外，外壳四周采用条状散热槽工艺，以增大与空气之间的接触面积，提高散热能力；再有，安装时增大面积的外壳底座和流式细胞分析仪机箱内部导电金属充分接触，大大增加金属之间的热传导面积及降低热阻抗。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对倒置定量气雾剂阀门的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明中低噪声电源系统一种实施方式示意图；
图2为本发明中低噪声电源系统另一种实施方式示意图；
图3为本发明中低噪声电源系统另一种实施方式示意图；
图4为本发明中电力线滤波器电路图；
图5为本发明中一路高压输出电路；
图6为本发明中电压调理分配电路图；
图7为本发明中全金属屏蔽外壳结构示意图；
图8为本发明中电源模块一加入由雪崩二极管组成的光电转换器的阴极电压示意图；
图9为本发明中系统噪声示意图；
图10为本发明中光电传感器在不同增益即不同的反向工作电压下，系统的信号噪音水平示意图。
附图标号说明：
10-交流输入，21-电源模块一，22-电源模块二，23-电源模块三，31-光电转换器/模拟电路，32-数字电路，33-强电部件，41-第一隔离模块，42-第二隔离模块，51-第一电力线滤波器，52-第二电力线滤波器，53-第三电力线滤波器，211-第三隔离模块，212-数模转换器，213-电压调理分配电路，214-高压输出模块，1-外壳，2-散热槽，4-底座。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。
如图1所示为本发明提供的一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系统一种实施方式示意图，具体该低噪声电源系统应用于流式细胞分析仪，且在该流式细胞分析仪中采用雪崩二级管作为光电转换器。从图中可以看出，在该低噪声电源系统中包括：电源模块一21，用于为流式细胞分析仪中的光电转换器/模拟电路31提供直流电；电源模块二22，用于为流式细胞分析仪中的数字电路32提供直流电；电源模块三23，用于为流式细胞分析仪中的强电部件33提供直流电；电源模块一21、电源模块二22以及电源模块三23相互独立，分别输入交流电10。
在本实施方式中，该电源系统中分为三个电源模块分别为流式细胞分析仪中的子模块进行供电，由各被供电部件同样进行了模块化处理，以此实现了各子模块之间的电气隔离，降低系统的电流噪音。具体，电源模块一为系统中的光电转换器(如雪崩二极管等)和模拟电路(如模拟信号调理放大电路、运算放大器等)提供直流电；电源模块二为数字电路(如数字可编程阵列芯片等)提供直流电；电源模块三维强电部件提供直流电，这里的强电部件具体包括开关设备和驱动，如继电器、电机、泵等。
对上述实施方式进行改进得到本实施方式，如图2所示，在本实施方式中，该低噪声电源系统中除了包括：电源模块一、电源模块二以及电源模块三之外，还包括两个用于实现电信号之间电气隔离的隔离模块，其中，第一隔离模块41设置于光电转换器/模拟电路与数字电路之间；第二隔离模块42设置于数字电路和强电部件之间。
在本实施方式中，由电源模块输出的是直流电，有强干扰的设备负载有可能会通过在电路板上或者电路板之间、互相连通的直流电源回路、地回路，影响其他的设备的正常工作，以此，在各被供电部件进行模块化且分别进行供电的基础上，进一步对各被供电部件(子模块)进行电气隔离，具体表现为，在由光电转换器/模拟电路组成的子模块与由数字电路组成的子模块之间设置第一隔离模块，在由数字电路组成的子模块与由强电部件组成的子模块之间设置第二隔离模块，不仅避免了拥有较大开关噪音的强电部件和数字电路的数字开关噪音对电源和电源地的破坏，同时避免了当强电部件出现故障时，从电源和电源地对敏感的数字电路、尤其是模拟电路和光电传感器的损坏。
在一实例中，第一隔离模块和第二隔离模块中采用型号为SI8661的芯片实现目的，其电气隔离能力能达到5000V电压有效值，符合UL1577安全标准。在其他实例中，两个隔离模块还可以采用其他型号的隔离芯片，只要满足应用需求即可，在此不做限定。
对上述实施方式进行改进得到本实施方式，如图3所示，在本实施方式中，该低噪声电源系统中除了包括：电源模块一、电源模块二、电源模块三、第一隔离模块以及第二隔离模块之外，还包括三个电力线滤波器，分别为第一电力线滤波器51、第二电力线滤波器52以及第三电力线滤波器53，三个电力线滤波器与电源模块一、电源模块二及电源模块三一一对应，设置于各电源模块与交流输入之间。
在本实施方式中，各电源模块接入交流电之前采用电力线滤波器对其进行滤波，以此抑制由电力线传输引入的扰动。具体，该电力线滤波器在100KHz至30MHz的交流输入是上呈现10db至50db(分贝)的插入损耗，此外，电力线滤波器采用密闭的金属铁外壳，最大程度上克服作为电感型器件在受电流影响时对外界产生的电磁辐射，形成全封闭的电磁隔离。
在一实例中，如图4所示，该电力线滤波器中包括电阻R0、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1以及电感L2，其中，电阻R1与电容C1并联；电容C2和电容C3串联，与电容C4并联；电感L1连接于电容C1及电容C2和电容C3串联的一端；电感L2连接于电容C1及电容C2和电容C3串联的另一端，且电阻R两端作为交流输入端，电容C4两端作为输出端。
更进一步来说，在上述实施方式中，电源模块一中包括多路高压输出电路，每路高压输出电路为一个光电转换器或为一路模拟电路供电，具体，如图5所示，每路高压输出电路中包括：第三隔离模块211，接入外部控制信号；数模转换器212，与第三隔离模块连接，接入第三隔离模块输出的控制信号并将其转换为模拟控制信号；高压输出模块214，用于输出可调高电压；电压调理分配电路213，分别与数模转换器和高压输出模块连接，根据数模转换器输出的模拟控制信号和高压输出模块输出的电压调整输出电压。
在工作过程中，用户通过外部软件通过第三隔离模块发送控制信号，输入数模转换器将其转换为模拟控制信号；高压输出模块具体为一电压转换器，电压调理分配电路根据高压输出模块输出的电压及模数转换器输出的控制信号得到输出电压，并将其作为反向偏置电压加在雪崩二极管两端。在此过程中，通过用户的控制指令和高压输出模块输出的电压共同作用得到输出电压，精确度更高。
在一实例中，高压输出模块采用的是型号为EMCO-C05的电压转换器，其输出纹波特性小于0.005％，输出电压调节范围为0-500V；模数转换器采用的是Analog Device公司的型号为AD5699的数字模拟转换器，其输出分辨率达到16bit；第三隔离模块采用的是型号为ISO1540D的带电气隔离I2C(Inter－Integrated Circuit，两线式串行总线)通信接口的芯片，用以进行程控，实现多路电路输出分别可调。在其它实施例中，高压输出模块等还可以采用其它型号的隔离芯片，只要满足应用需求即可，在此不做限定。
如图6所示，高压调理分配电路中包括：电压比较器U3、误差放大器P2、调整管P1、第一采样电阻R2、第二采样电阻R3以及滤波电容C5，其中，电压比较器U3的正输入端与数模转换器的输出端(图示中的DACOUT)连接、输出端OUT与负输入端连接；误差放大器P2的发射极e与电压比较器U3的输出端OUT连接、集电极c与调整管P1的基极b连接、基极b分别与第一采样电阻R2和第二采样电阻R3的一端连接(两个采样电阻串联，误差放大器P2的基极接于两个采样电阻的中间)；调整管P1的集电极c与高压输出模块的输出端(图示中的HV_INPUT)连接、发射极e与第一采样电阻R2的另一端连接作为电压输出OUTPUT；第二采样电阻R3的另一端接地；滤波电容C5的一端接地、另一端与调整管P1的基极连接。此外，如图所示，该高压调理分配电路中还包括上拉电阻R4和电阻R1，滤波电容C6和滤波电容C7，其中，上拉电阻R4与电压比较器U3的正输入端连接，滤波电容C7的一端与电压比较器U3的正输入端连接、另一端接地，滤波电容C6一端与调整管P1的发射极e连接、另一端接地，电阻R1接在调整管P1的集电极c和基极b之间。
具体，电压比较器U3采用型号为LM311的芯片，其具有很低的输入偏移电流20nA，输入偏移电压2mA，用以降低电路的绝对准确度误差，构成高压调理分配电路的参考电压；误差放大器P2采用型号为2N5550(工作电压范围内具有良好的线性度，线性度超过到0.1％)的三极管，提供电压负反馈；调整管P1同样采用型号为2N5550的三极管用以线性调整，其受反馈电压控制工作在线性区。第一采样电阻R2和第二采用电阻R3作为高精度取样电阻，为误差放大器P2提供反馈电压，具体第一采样电阻R2取值为10M，第二采样电阻R3的取值为300K；滤波电容C5采用多层瓷片电容作为一阶低通滤波电容，有效降低误差放大器输出的抖动，其容量为1μ。此外，电阻R1的取值为10M，上拉电阻R4位10K，滤波电容C6的容量为0.1μ，滤波电容C7的容量为47μ。
最后，要说明的是，电源模块一中的多路(如8路、16路、24路等)高压输出电路以并联的形式布置，每一路高压输出电路微一个由雪崩二极管组成的光电转换器加反向偏置电压，以此为多个(如8个、16个、24个等)光电转换器提供不同方向的工作电压，电压精度可到20mv，以提供雪崩二级管足够的动态工作范围和增益分辨率，同时提升系统增益的校准的准确性。此外，这种并联的方式可以随系统需要扩充，保证了多光电采集通道的流式细胞分析仪的系统可扩展性，若系统对于通道的数量的需求增加到24路甚至更多，该设计依旧可以满足通道数量扩展的需求，简单方便。
对上述实施方式进行改进得到本实施方式，在本实施方式中，如图7所示，该低噪声电源系统还包括一用于抑制电磁辐射对外界影响的全金属屏蔽外壳1，带有外壳的低噪声电源系统一通过底座安装于流式细胞分析仪内部金属表面。
具体，该全金属屏蔽外壳1采用全封闭技术降低内部电磁辐射对设备电源和其他设备的影响；厚度根据需求进行设定，如厚4mm、5mm等；外壳底座4在安装时和流式细胞分析仪的机箱地导通，以隔离电源内部的电磁场和外部其他电路以及设，提高对外界电磁辐射抑制；再有，该金属屏蔽外壳采用铝材料，表面氧化发黑工艺，四周采用条状散热槽2工艺，增大和空气的接触面积，提高散热能力；安装时增大面积的电源底座和流式细胞分析仪内部金属充分接触，增加金属之间的热传导面积降低热阻抗。本实施方式中的电源模块一为光电转换和模拟放大电路提供直流电源，输出电源纹波小于20μV；该电源系统噪声低且稳定，以此来保证流式细胞分析仪对于检测微弱荧光粒子的分辨能力和设备检测的稳定性。
基于上述低噪声电源系统，图8所示为通过该电源系统输出到雪崩二极管的阴极电压，从图中可以看出，当输入到雪崩二极管的阴极电压为100V时，波纹系数相当小，电压峰峰值小于10mv。
图9所示是利用数字信号采集工具，得到的系统噪音水平，其中，坐标横轴是采样点序号，坐标纵轴是量化的系统噪音，单位为1μV，基于图示中500个采样点可以看出，噪声只有100μV左右(大部分小于100μV)，可见，衡量噪音水平的相对标准偏差在设计的范围内。
图10所示是光电传感器(由雪崩二极管组成)在不同增益即不同的反向工作电压下，系统的信号噪音水平，其中，横轴是被量化为十六个级别的光电传感器增益(覆盖了所有的光电传感器正常工作范围)，纵轴是被量化的系统采集的荧光信号的相对标准偏差，单位是μV(微伏)，反映的是流式细胞仪的荧光信号分辨率。
结合图9和图10可以得出，在不同的光电传感器增益情况下，系统总体噪音水平决定了荧光信号的信噪比，同时很低的系统噪音水平也保证了荧光信号的高信噪比。
由于系统噪音水平是决定流式细胞分析仪的系统分辨率的重要因素之一，在影响总体噪音水平因素中，电源噪音水平、雪崩二级管的工作电压稳定度以及关键电路的热噪音水平起着主导作用，本发明提供的低噪声电源系统不仅可以降低由雪崩二极管组成的光电传感器在光电转换时产生的电流噪音，同时从设备内电源拓扑的角度，隔离不同类型的设备和电路，使关键子系统，光电转换和模拟放大部分的电噪音降到很低的级别，该部分的电源(电源模块一)的纹波系数仅为10微伏；此外，交流输入电源通过独立的电源线滤波器进行滤波，电源系统外壳采用金属全封闭外壳安装，具备了较强的电磁兼容能力，以此保证了由雪崩二极管组成的光电传感器的流式细胞分析仪的整体性能。当由雪崩二极管组成的光电转换器的增益在一般状态下时，系统量化的荧光通道采集结果的相对标准偏差小于100μV。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系统，其特征在于：所述流式细胞分析仪中采用雪崩二极管作为光电转换器，所述低噪声电源系统中包括：
电源模块一，用于为流式细胞分析仪中的光电转换器/模拟电路提供直流电；
电源模块二，用于为流式细胞分析仪中的数字电路提供直流电；
电源模块三，用于为流式细胞分析仪中的强电部件提供直流电；
所述电源模块一、电源模块二以及电源模块三，相互独立，分别输入交流电；
所述低噪声电源系统中还包括两个用于实现电信号之间电气隔离的隔离模块，其中：
第一隔离模块设置于光电转换器/模拟电路与数字电路之间；
第二隔离模块设置于数字电路和强电部件之间；
所述低噪声电源系统中还包括三个电力线滤波器，分别与电源模块一、电源模块二及电源模块三，一一对应，设置于各电源模块与交流电之间；
所述电源模块一中包括多路高压输出电路，每路所述高压输出电路为一个光电转换器或为一路模拟电路供电，每路高压输出电路中包括：
第三隔离模块，接入外部控制信号；
数模转换器，与所述第三隔离模块连接，接入所述第三隔离模块输出的控制信号并将其转换为模拟控制信号；
高压输出模块，用于输出可调高电压；
高压调理分配电路，分别与所述数模转换器和高压输出模块连接，根据所述数模转换器输出的模拟控制信号和高压输出模块输出的电压调整输出电压；
所述高压调理分配电路中包括：电压比较器、误差放大器、调整管、第一采样电阻、第二采样电阻以及滤波电容，其中，
所述电压比较器的正输入端与数模转换器的输出端连接、输出端与负输入端连接；
所述误差放大器的发射极与电压比较器的输出端连接、集电极与调整管的基极连接、基极分别与第一采样电阻和第二采样电阻的一端连接；
所述调整管的集电极与高压输出模块的输出端连接、发射极与第一采样电阻的另一端连接作为电压输出；
所述第二采样电阻的另一端接地；所述滤波电容的一端接地、另一端与调整管的基极连接。
2.如权利要求1所述的一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系统，其特征在于：所述低噪声电源系统包括一用于抑制电磁辐射对外界影响的全金属屏蔽外壳，带有外壳的低噪声电源系统一通过底座安装于流式细胞分析仪内部金属表面。
3.如权利要求2一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系统，其特征在于，所述外壳由铝材料制备而成，且表面进行了氧化和发黑处理。
4.如权利要求2一种适用于流式细胞分析仪的低噪声电源系统，其特征在于，所述外壳四周包括多条散热槽。
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