CN114244176A - 一种时序可调的脉冲电源组 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子信息领域，具体涉及一种时序可调的脉冲电源组。本发明的时序可调的脉冲电源组包括主控电路、可调高压模块、MOSFET栅极驱动电路和MOSFET半桥电路；所述主控电路的输入端和输出端分别与所述可调高压模块连接，所述可调高压模块的输出端与所述MOSFET半桥电路连接，所述主控电路的输出端与所述MOSFET栅极驱动电路连接，所述MOSFET栅极驱动电路的输出端与所述MOSFET半桥电路连接。本发明对包括但不仅限于质谱类的仪器研发具有重要意义，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于分析仪器技术领域，具体涉及一种时序可调的脉冲电源组。
背景技术
离子迁移谱法(ion mobility spectrometry,IMS)是利用电场推动分析物通 过充满缓冲气体的漂移管，基于离子尺寸和形状实现气相离子分离的一种方 法。离子迁移谱已被证明在化学战剂、爆炸物和污染物方面的应用价值。近 年来，离子迁移谱与质谱(massspectrometry,MS)的兼容连通性以及离子迁移 谱-质谱(IMS-MS)平台的商业化，越来越受到临床和食品分析等领域研究人 员的关注。具体来说，离子迁移谱在蛋白质、糖类、代谢组学、脂质检测分 离中得到了应用。现有的离子迁移谱包括传统的漂移管离子迁移谱(drifttube ion mobility,DTIMS)、场不对称离子迁移谱(field-asymmetric ion mobility,FAIMS)、微分离子迁移谱(differential ion mobility spectrometry,DMS)、捕获 迁移谱(trapped ion mobility spectrometry,TIMS)和行波离子迁移谱(traveling wave ionmobility,TWIMS)。
基于无损离子操作结构的行波离子迁移谱(structure for lossless ionmanipulations-based TWIMS,SLIM TWIMS)作为现有离子迁移谱中的一种， 将TWIMS技术使用低幅值电压提供电场的优点与无损离子操作结构(SLIM) 易于在紧凑空间实现超长路径的优势结合，通过增大离子漂移路径的途径来 提高仪器的分辨率。行波无损离子操作结构(TW-SLIM)作为SLIM TWIMS的 核心部件，使用低幅值的行波电压来产生振荡电场以驱动和分离不同种类的 离子。与使用均匀电场的DTIMS不同，SLIM TWIMS所施加行波电压幅值在整个离子路径上固定，在实现超长路径离子分离装置时避免了电压击穿现 象和安全隐患。SLIM TWIMS已成功应用于脂质异构体、多肽异构体和多糖 异构体分离。
TW-SLIM装置由一对包含射频电极、直流保护电极、行波电极的平行 对齐的印刷电路板组成。TW-SLIM装置的三种电极在平行平板上的分布如图 1所示。SLIM装置有6个射频电极，相邻的射频电极上施加相位差180°的 射频电压以产生赝势场，将离子限制在两个印刷电路板表面之间。2个直流 保护电极施加直流电压，以限制离子在横向(即两个表面之间的侧面)上的扩 散。射频电压和直流保护电极电压实现了两个维度上的离子限制，防止了离 子扩散，提高了离子传输的效率。在如图1所示TW-SLIM装置中，沿离子 运动路径方向上的8个行波电极构成一个行波序列配置，该行波电极序列配 置在整个离子路径上重复，通过在8个行波电极序列的每个电极上单独施加 高电平或低电平来产生行波。行波模式可以在10000000和11111110之间变 化，其中1代表向特定电极施加高电平、0代表施加低电平。以行波模式 11110000为例，电极1-4施加高电平，5-8施加低电平。在实际的过程中， 施加的电压在离子运动方向上以恒定的速度一次步进一个电极，在下一时刻 电极2-5施加高电平，6-8和1施加低电平，以此来产生行波。
行波脉冲电源是SLIM TWIMS的关键部件，行波脉冲电源基于上述原理， 为SLIMTWIMS提供振荡电场。模拟电路是早期产生脉冲信号的方式，其存 在电路体积大、频率范围窄、调节不便的缺点。随着电子技术的发展，集成 的脉冲信号发生器弥补了模拟电路方式存在的缺点，集成的脉冲信号发生器 作为专用集成电路，其输出通道数固定、内部功能不可更改，且价格贵。采 用单片机产生脉冲信号的方式，不易实现多路输出脉冲信号之间的时序控制。 可见，现有行波脉冲电源方案存在输出脉冲幅值单一、输出通道数目固定、 功耗高和不便于仪器整机集成的问题，不利于该类型电源在行波离子迁移谱 中的运用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种时序可调的脉冲电源 组。
一种时序可调的脉冲电源组，包括主控电路、可调高压模块和半桥电路； 所述半桥电路由MOSFET栅极驱动电路和MOSFET半桥电路组成；所述主 控电路的输入端和输出端分别与所述可调高压模块连接，所述可调高压模块 的输出端与所述MOSFET半桥电路连接，所述主控电路的输出端与所述 MOSFET栅极驱动电路连接，所述MOSFET栅极驱动电路的输出端与所述 MOSFET半桥电路连接。
优选的，所述主控电路为FPGA芯片。
优选的，所述FPGA芯片选自EP4CE、6E22C8N、EP1C3T100A8、 EP1C6T144C8或EP2C5AT144A7。
优选的，所述主控电路的输出端与所述可调高压模块之间依次设置有数 模转换器电路和运算放大电路，所述主控电路的输入端和所述可调高压模块 之间依次设置有模数转换器电路和运算放大电路。
优选的，所述运算放大电路选自AD8539、AD8542、OP296、AD4891 或AD8542。
优选的，所述可调高压模块为200V可调直流高压电源模块。
优选的，所述MOSFET半桥电路由两个MOSFET组成，所述MOSFET 选自IRFR220N、IPD50R、IPD60R、IPD70R或IPP600N。
优选的，所述MOSFET栅极驱动电路中包括集成芯片、自举电容和栅极 驱动电阻，所述集成芯片选自2ED2181S06F、2ED2182S06F、IR21834S或 2ED2108S06F。
优选的，所述自举电容的规格为0.01uF～1uF，25～50V；所述栅极驱 动电阻的大小为15～22Ω。
本发明还提供一种基于无损离子操作结构的行波离子迁移谱，所述行波 离子迁移谱以上述行波脉冲电源作为产生行波的电源。
本发明中，所述“电源组”是指能够多通道输出，从而提供多路电源的 装置。
本发明针对SLIM TWIMS的工作特性、行波电压的特点，设计了一种行 波脉冲电源。本发明通过主控电路FPGA输出具有一定时序的脉冲信号控制 半桥开关通断实现直流瞬态电压的产生，为SLIM TWIMS提供电场。该行波 脉冲电源可实现在不同行波电极序列配置下输出不同行波模式的行波电压信 号，为TW-SLIM装置工作提供了所需要的行波电压。本发明提供的电源输 出脉冲幅值和输出通道数可调、功耗低、体积小、便于仪器整机集成，在包 括行波离子迁移谱等仪器设备的研究和制造中具有很好的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段， 在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、 替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步 的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。 凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为无损离子操作结构装置电极分布示意图；
图2为实施例1中的行波脉冲电源电路的结构示意图；
图3为实施例1中脉冲信号输出的时序仿真结果；
图4为实施例1中半桥电路的电路图；
图5为实施例1中低侧桥臂驱动电路模型的电路图；
图6为实施例1中可调高压模块的电路图；
图7为实施例2中行波离子迁移谱的工作原理示意图；
图8为实施例2中的脉冲波形，其中：(a)相邻两通道输出结果；(b)上 升沿波形；(c)下降沿波形。
图9为实施例2中行波对离子传输的影响，其中：(a)不同行波幅值下 的信号强度图；(b)不同行波幅值下的漂移时间图；(c)不同行波幅值下的半 峰宽图；(d)不同频率下的信号强度图；(e)不同频率下的漂移时间图；(f)不 同频率下的半峰宽图。
具体实施方式
需要特别说明的是，实施例中未具体说明的数据采集、传输、储存和处 理等步骤的算法，以及未具体说明的硬件结构、电路连接等均可通过现有技 术已公开的内容实现。
实施例1行波脉冲电源
本实施例提供一种行波脉冲电源，目的在于实现上位机对行波速度、行 波电压幅值和行波模式三个参数的直接控制和后期仪器整机控制系统的集成。 本实施例的行波脉冲电源如图2所示，包括主控电路、可调高压模块和半桥 电路；所述半桥电路由MOSFET栅极驱动电路和MOSFET半桥电路组成。 其中，MOSFET是指金属-氧化物-半导体场效应管。
所述主控电路的输入端和输出端分别与所述可调高压模块连接，所述主 控电路的输出端与所述可调高压模块之间依次设置有数模转换器电路(DAC) 和运算放大电路，所述主控电路的输入端和所述可调高压模块之间依次设置 有模数转换器电路(ADC)和运算放大电路。所述可调高压模块的输出端与所 述MOSFET半桥电路连接，所述主控电路的输出端与所述MOSFET栅极驱 动电路连接，所述MOSFET栅极驱动电路的输出端与所述MOSFET半桥电 路连接。
其中，各部分具体结构如下：
1、主控电路
主控电路可采用基于可编程逻辑器件(FPGA)电路，具体包括FPGA内部 数字电路、FPGA主控芯片及其外围电路，本实施例中，FPGA选用EP4CE。 主控电路通过串口电路与上位机通信，接收来自上位机的控制命，根据控制 命令控制可调高压模块的输出电压值和控制脉冲信号发生电路(FPGA内部 数字电路，经过程序代码编译所得)输出脉冲信号，并将可调高压模块输出 电压检测值返回给上位机。FPGA内部逻辑电路采用模块化设计，基于Verilog HDL语言和Quartus II平台开发，根据实际的功能需求，FPGA内部数字逻 辑模块包括实现倍频功能和为其他模块提供时钟信号的锁相环模块、与PC 通信的串口数据传输模块、缓存控制命令的数据存储模块、多路脉冲信号发 生模块、控制DAC与ADC的SPI模块。
2、脉冲信号发生电路
本实施例中所述脉冲信号发生电路是FPGA内部数字电路，可通过现有 技术的方法经过程序代码编译得到，其作用是控制MOSFET栅极驱动电路， 并通过栅极驱动电路控制MOSFET半桥电路。
通过控制MOSFET半桥电路，以产生直流瞬态电压，从而为SLIM提供 振荡电场。每个行波电极需要一路独立的直流瞬态电压为其供电，各个电极 之间电平状态变化需要保持同步，有时序上的要求。本实施例采用脉冲电压 信号给行波电极提供直流瞬态电压，每个行波电极接入一路脉冲信号，通过 控制脉冲信号的周期、占空比来实现行波速度和行波模式的控制，通过控制 FPGA芯片内部数字信号的各输出通道间的相位和输出通道数来适应不同行 波电极数目的SLIM装置。在本实施例中，采用FPGA芯片内部脉冲信号发 生模块产生脉冲信号控制MOSFET通断。脉冲信号发生模块可经过不同的 I/O端口输出10通道脉冲信号，每个脉冲通道输出两路互补脉冲信号。如图 3所示为1111_0000模式下脉冲信号发生电路时序仿真结果。
3、半桥电路
半桥电路由半桥驱动电路(即MOSFET栅极驱动电路)和两个MOSFET 组成的半桥拓扑电路(即MOSFET半桥电路)两部分组成，半桥驱动电路用 于匹配FPGA输出电压与MOSFET栅极驱动电压。设计所选用MOSFET为 IRFR220N，栅极驱动电压范围为10V到20V。FPGA引脚输出电压为3.3V， 不足以驱动MOSFET。半桥电路驱动芯片选用英飞凌公司的2ED2181S06F，频率范围在10至100kHz，芯片信号输入端与FPGA输出的3.3V电平信号 兼容，输出端电压范围在10V到20V之间，能够很好的驱动MOSFET导通。 半桥电路如图4所示，FPGA输出的脉冲信号经半桥驱动器放大后控制半桥 电路中MOSFET的导通与关断，从而给行波SLIM提供所需的高低电平。
2ED2181S06F通过自举电路产生悬浮电压，实现高侧驱动电路供电，内 部集成两对互补推挽的MOSFET，以驱动高侧MOSFET。自举电容Cb为栅 极驱动器内部高侧开关提供悬浮电压和驱动栅极所需的电荷，设计中自举电 容取值为：0.1uF，25V。
2ED2181S06F栅极驱动引脚信号通过对MOSFET输入电容充电，实现 MOSFET的导通；栅极驱动引脚为低时，电容放电实现MOSFET关断。 MOSFET驱动电路模型如图5所示。
在图5中，Lgs代表PCB走线电感，Rg为栅极驱动电阻。栅极驱动回路 为LCR电路，寄生电容为MOSFET栅极输入电容Ciss，由Cgd与Cgs组成。 在典型的二阶LCR系统中，系统处于过阻尼时，振荡得到抑制，此时Rg应 该满足：
本实施例中，PCB走线路径电感Lgs通过Q3D提取，值为13.41nH， Ciss为300pF，计算得到Rg取值应大于13.38Ω。考虑到Rg的值会影响开关 过程中电压的上升时间和下降时间，取值过大，MOSFET开通速度和关断速 度过慢，会使开关损耗增加，因此设计中驱动电阻Rg取值为15Ω。
4、可调高压模块
行波电压幅值影响离子通过SLIM装置的速度，从而影响不同离子的分 离情况。设计中采用200V可调直流高压电源模块接入MOSFET半桥电路， 作为MOSFET半桥电路的直流母线电源，通过调节可调直流高压电源模块输 出电压，实现行波电压幅值的调节。
直流电源模块控制电压和检测电压范围均为0至5V，所需控制精度和 检测精度为1V。设计采用数模转换器(DAC)产生模拟电压控制直流电源模块 的输出，高压模块输出电压通过模数转换器(ADC)进行检测。DAC与ADC 和高压模块之间采用运算放大器AD8539作为缓冲，AD8539具有很宽的线 性范围，同时支持单电压供电。高压电源控制电路如图6所示。
实施例2基于无损离子操作结构的行波离子迁移谱
1、实验装置
本实施例的行波离子迁移谱采用实施例1的行波脉冲电源作为施加行波 的电源，其主要包括电喷雾电离源、毛细管、离子漏斗、离子门、行波离子 迁移谱漂移管和法拉第杯。样品通过注射泵(Fisher Scientific，Fusion 100T) 注入离子源。电喷雾电离源由实验室自制，样品经离子源电离后，通过加热 不锈钢毛细管将离子引入真空区。真空区如图7所示，使用机械泵(西安双塔 真空设备有限公司，TRP-36)抽气。离子离开加热毛细管后，在离子漏斗(实 验室自制)处聚焦，并将离子传输至离子门处，经离子门释放后进入漂移管区。
离子漂移管采用印刷电路板制成，离子路径采用U型设计，长度为3.383 m。离子在离子漂移管处实现离子分离与传输。漂移管射频信号由射频电源 (成都艾立本，RFP01)提供。离子流信号通过法拉第杯接收，微弱电流信号经 放大后，使用泰克示波器(Tektronix-MDO3024)进行波形数据的采集。
2、实验试剂
六(2,2-二氟乙氧基)磷腈(MW：621.19)和六(1H,1H,3H-全氟丙氧基)磷氮 烯(MW：921.23)，陕西秦境标准物质科技中心；乙腈：色谱纯，麦克林公司； 甲醇：色谱纯，麦克林公司；甲酸：色谱纯，CNW。制备浓度为10ug/mL 的六(2,2-二氟乙氧基)磷腈溶液和六(2,2-二氟乙氧基)磷腈与六(1H,1H,3H-全 氟丙氧基)磷氮烯混合溶液。
3、实验条件
ESI电离源工作在正模式，电压值为4100V；毛细管电压为36V；进样 流速2uL/min；离子漏斗射频电压峰峰值133V，频率923kHz；离子门脉冲 宽度为5Hz，离子门打开时间为10ms；Guard电极电压35V，漂移管射频 电压峰峰值290V，频率1057kHz；工作气压为100Pa。
4、实验结果
4.1电源测试
行波脉冲电源脉冲通道输出电压信号通过泰克示波器 (Tektronix-MDO3024)和具有10倍衰减的探头(TPP0500B)测量。测试结果如 图8所示，脉冲上升时间和下降时间小于20ns，峰-峰值达200V。
4.2行波幅值和频率对离子传输的影响
本研究采用浓度为10ug/mL的六(2,2-二氟乙氧基)磷腈(MW：621.19)溶 液。研究行波幅值对离子传输影响时，固定行波脉冲电源频率为10kHz，行 波幅值在15V～65V范围内，5V为步进，以离子门打开时刻作为0点，如 图9(a)所示，离子信号强度随行波幅值增大而增大，在15V时信号强度为 414mV，35V时达到最大，此时信号强度为1046mV，随着行波幅值的增大， 信号强度逐渐减小，在65V时，信号强度为355mV。在较低的行波幅值下， 有效电势较小，行波电场对离子捕获能力弱，传输效率较低；随着行波幅值 增大，电场增大，离子获得较大的能量，离子产生碰撞散射或碰撞裂解造成 损失，导致离子信号强度逐渐减小。如图9(b)和(c)所示，低行波幅值下离子 有较长的漂移时间，而且会发生离子扩散效应，导致较大的峰展宽。
研究行波频率对离子传输影响时，行波幅值为35V，频率范围为10～60 kHz，以5kHz为步进。如图9(d)所示，离子信号强度随着行波频率的增大而 逐渐减小，60kHz时的信号强度为253mV。如图9(e)和(f)所示，在行波幅 值不变时，行波频率增大使离子产生更长的漂移时间，同时产生离子扩散效 应，导致更大的峰展宽。
4.3行波幅值和频率对离子分离的影响
本研究采用浓度为10ug/mL的六(2,2-二氟乙氧基)磷腈(MW：621.19)和 六(1H,1H,3H-全氟丙氧基)磷氮烯(MW：921.23)的混合溶液。研究行波幅值对 离子分离的影响时，固定行波频率为25kHz；研究行波频率对离子分离的影 响时，固定行波幅值为35V。随着行波幅值的增大，仪器对离子分离能力减 小，行波幅值为50V时离子不再发生分离，即两种离子具有相同的速度。不 同行波频率对离子分离的影响情况为，在频率较低时，两种离子同时离开 SLIM装置，随着行波频率的增大，仪器对离子的分离能力增强。
通过上述实施例可以看到，本发明提供了一种行波脉冲电源，其输出脉 冲上升时间和下降时间小于20ns，输出脉冲波形平滑。将其应用于基于无损 离子操作结构的行波离子迁移谱，能够实现样品离子的分离和检测，且分离 能力较强。因而本发明的技术方案为行波离子迁移谱仪的设计研发奠定了电 源基础，对后续仪器研发具有重要意义，具有很好的应用前景。
Claims (10)
1.一种时序可调的脉冲电源组，其特征在于：包括主控电路、可调高压模块和半桥电路；所述半桥电路由MOSFET栅极驱动电路和MOSFET半桥电路组成；所述主控电路的输入端和输出端分别与所述可调高压模块连接，所述可调高压模块的输出端与所述MOSFET半桥电路连接，所述主控电路的输出端与所述MOSFET栅极驱动电路连接，所述MOSFET栅极驱动电路的输出端与所述MOSFET半桥电路连接。
2.按照权利要求1所述的行波脉冲电源，其特征在于：所述主控电路为FPGA芯片。
3.按照权利要求2所述的行波脉冲电源，其特征在于：所述FPGA芯片选自EP4CE、6E22C8N、EP1C3T100A8、EP1C6T144C8或EP2C5AT144A7。
4.按照权利要求1所述的行波脉冲电源，其特征在于：所述主控电路的输出端与所述可调高压模块之间依次设置有数模转换器电路和运算放大电路，所述主控电路的输入端和所述可调高压模块之间依次设置有模数转换器电路和运算放大电路。
5.按照权利要求4所述的行波脉冲电源，其特征在于：所述运算放大电路选自AD8539、AD8542、OP296、AD4891或AD8542。
6.按照权利要求1所述的行波脉冲电源，其特征在于：所述可调高压模块为200V可调直流高压电源模块。
7.按照权利要求1所述的行波脉冲电源，其特征在于：所述MOSFET半桥电路由两个MOSFET组成，所述MOSFET选自IRFR220N、IPD50R、IPD60R、IPD70R或IPP600N。
8.按照权利要求1所述的行波脉冲电源，其特征在于：所述MOSFET栅极驱动电路中包括集成芯片、自举电容和栅极驱动电阻，所述集成芯片选自2ED2181S06F、2ED2182S06F、IR21834S或2ED2108S06F。
9.按照权利要求8所述的行波脉冲电源，其特征在于：所述自举电容的规格为0.01uF～1uF，25～50V；所述栅极驱动电阻的大小为15～22Ω。
10.一种基于无损离子操作结构的行波离子迁移谱，其特征在于：所述行波离子迁移谱以权利要求1-9任一项所述的行波脉冲电源作为产生行波的电源。
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