基于自耦變壓器的噴霧儀設計與分析

戴銀斌

（寧波三星醫療電氣股份有限公司，浙江寧波315000）

0 引言

噴霧儀相關的應用已經實行多年，相關技術已經用到了補水保濕美容儀器上，它能快速實現水珠的納米級霧化，而納米噴霧儀的核心是微孔霧化片。但由于霧化片生產工藝的限制，其自身諧振頻率存在一定差異，故而無法使用固定頻率的驅動信號來驅動，因此首先需要獲取霧化片諧振點，進而驅動霧化片噴霧。本文對掃頻原理及控制霧化量方法做了進一步的研究。

1 霧化片驅動電路原理

1.1 微孔霧化片工作原理

微孔霧化片由環形壓電陶瓷與圓形鋼片（中心帶激光孔）粘合而成，以外徑20 mm、諧振頻率113 kHz的霧化片為例，如圖1所示，其原理是在霧化片的壓電陶瓷兩端（紅黑線）施加一定頻率的交流電壓，使得壓電陶瓷振動，高頻振動導致噴霧儀水箱壓強變化，使得水從霧化片微孔中噴出。

圖1 霧化片示意圖

霧化片驅動方式一般分為固定頻率驅動和掃頻獲取頻率驅動。固定頻率驅動方式簡化了操作流程，但這種方式無法使每個霧化片都工作在諧振頻率點下，導致了驅動效率降低。因此，用掃頻獲取頻率再驅動霧化片的方式更值得我們選擇。

1.2 霧化片驅動電路

研究掃頻原理前，首先需要了解霧化片的特性，當霧化片驅動信號的頻率與霧化片自身諧振頻率越接近，則霧化片自身等效阻抗越低，在諧振頻率點阻抗最小。

1.2.1 兩級升壓式驅動電路

兩級升壓式驅動電路是一種比較常見的霧化片驅動電路，如圖2所示。

圖2 兩級升壓驅動電路原理圖

該電路采用5 V電壓信號通過兩級升壓的方式來驅動霧化片工作，在掃頻過程中，一個恒定頻率恒定占空比的驅動信號DCPWM輸出至第一級[1]升壓電路MOS管M1的柵極，使第一級升壓電路處于恒定功率升壓模式，同時SCPWM輸出一個從100 kHz開始到120 kHz的遞增步進頻率信號。在此過程中通過采集反饋信號FB來確定霧化片的諧振頻率，由于輸出功率恒定，當FB電壓最小時對應的頻率就是該霧化片的諧振頻率，但該方式效率較低，電感發熱嚴重。

1.2.2 自耦變壓器式驅動電路

較兩級升壓式驅動電路而言，自耦變壓器[2]驅動電路效率更高，外圍器件更少，省去了第一級升壓電路，降低了電路復雜度，減少了成本，如圖3所示。

圖3 自耦變壓器驅動電路原理圖

該電路直接將5 V電壓信號通過自耦變壓器L1升壓后，驅動霧化片工作。掃頻原理與兩級升壓式驅動電路相似，在掃頻過程中，M_GATE信號輸出一定范圍的遞增（或遞減）頻率（該頻率需覆蓋霧化片諧振頻率范圍）驅動MOS管M2柵極，在此過程中通過采集反饋信號FB來確定霧化片的諧振頻率，由于輸出電壓5 V恒定，當FB電壓最大時對應的頻率就是該霧化片的諧振頻率。

對比兩級升壓式驅動電路，該電路性價比更優，值得我們研究。下節主要針對這種驅動電路，通過電路仿真來更好地確定自耦變壓器的主要參數值。

2 掃頻電路PSIM仿真

該節主要通過PSIM軟件來對自耦變壓器驅動電路進行仿真，搭建仿真電路之前，首先得確定霧化片的仿真模型。

2.1 微孔霧化片仿真模型

理論上任何一個器件都可以通過電感、電阻跟電容組合的方式來建模，如圖4所示。

圖4 霧化片PSIM仿真模型

其中，L1、C1和R1的值可以根據霧化片的諧振頻率來確定（即LC組合成模型的諧振頻率等于霧化片諧振頻率），C2可以廠家所提供霧化片規格書里的靜態電容值做參考。

2.2 自耦變壓器選型

自耦變壓器也稱為三腳升壓電感，有別于普通的變壓器，但仿真時可以拿變壓器來代替。

該電路的驅動方式，主要是通過自耦變壓器與電容組成驅動電路，來驅動霧化片工作，本節通過PSIM仿真來確定變壓器參考值，首先通過圖3自耦變壓器驅動電路原理圖來搭建仿真模型，如圖5所示。

圖5 自耦變壓器驅動電路仿真模型

通過對該電路模型的多次仿真可以判定：

自耦變壓器副邊電感量越趨于理想狀態，霧化片兩端的電壓波形越接近于正弦波半波，而流經霧化片的電流波形越接近正弦波，如圖6霧化片兩端電壓及電流波形1所示。

圖6 霧化片兩端電壓及電流波形1

當電感量變小時，霧化片兩端的電壓波形便不再是正弦波半波，而流經霧化片的電流波形也不再是正弦波，如圖7霧化片兩端電壓及電流波形2所示。

當電感量變大時，霧化片兩端的電壓波形不再是正弦波半波，如圖8霧化片兩端電壓及電流波形3所示。

通過此方法，可獲得自耦變壓器副邊理想的電感參考值。

而自耦變壓器原副邊的匝數比直接決定霧化片兩端的正弦波半波電壓幅值大小，原邊電感量則根據實際霧化效果來決定（在霧化片可承受電氣性能范圍內選擇）。

圖7 霧化片兩端電壓及電流波形2

圖8 霧化片兩端電壓及電流波形3

3 噴霧儀霧化量控制算法

調節噴霧儀霧化量最直接的方法就是調節霧化片兩端的電壓幅值，但這種方式只能在硬件參數還未確定的情況下操作，對于方案已經確定的情況來說，操作起來相對復雜麻煩，調節起來不夠靈活。

下文在不改變硬件參數的前提下（硬件參數決定霧化量的最大值，所以下文給出的控制方法都是指將霧化量往小的方向調節），給出了三種不同的霧化量調節方法分析：（1）調節占空比法；（2）間斷開關法；（3）依據電流確定頻率法。

3.1 調節占空比法

顧名思義，該方法就是調節MOS管M2（圖3）的柵極驅動信號的占空比大小，理想的占空比為50%，當減小占空比時，仿真所得的電壓波形已經不是正弦波，影響轉換效率，如圖9所示，實際電路測試中發現當占空比減小后，對于不同霧化片之間的霧化量差異性過大。

圖9 霧化片兩端電壓及電流波形4

3.2 間斷開關法

間斷開關法是將MOS管柵極驅動信號在原開關頻率f0的基礎上，再加入一級的開關頻率f1（f1必定小于f0），該方式能在不改變驅動頻率跟占空比的情況下有效減小霧化量，但是由于f1的開關頻率較f0小很多（有噪聲），用戶體驗較差。

3.3 依據電流確定頻率法

該方法是通過霧化片工作電流大小來控制霧化量，首先需要先通過掃頻電路獲取霧化片的諧振頻率f0，然后記下f0對應霧化片的工作電流大小I0，然后將I0按一定比例縮小得到I1，即：

n的數值可以根據實際霧化片調整，再通過掃頻電路獲取電流值I1對應的驅動頻率f1，通過該方法，可有效減少霧化量，且實際驗證在比例系數n取值合理的前提下，不同霧化片之間霧化量差異在可接受范圍內。

因此，最終采用該方式控制霧化量。

4 結語

通過上述研究，經過制作樣機驗證，使用自耦變壓器升壓的驅動方式能高效準確地獲取霧化片諧振點頻率，并將PSIM仿真獲取的自耦變壓器電感量作為參考依據，能更好地得到合適的參數，樣機采用根據電流確定驅動頻率法很好地實現了噴霧儀的兩級噴霧功能。