六級(jí)桿離子傳輸系統(tǒng)射頻電源控制設(shè)計(jì)

任標(biāo)，張超凡，賀飛耀，趙世平

(四川大學(xué) a. 制造科學(xué)與工程學(xué)院; b. 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

質(zhì)譜儀具有高靈敏度、快速、微量和可靠等優(yōu)點(diǎn)，在生命科學(xué)、食品安全和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。在質(zhì)譜儀器中，多級(jí)桿離子傳輸是較為成熟的技術(shù)，其中包括四級(jí)桿、六級(jí)桿和八級(jí)桿[5-7]。射頻六級(jí)桿實(shí)物圖如圖1所示。射頻電源對(duì)六級(jí)桿傳輸至關(guān)重要，本文射頻六級(jí)桿離子傳輸對(duì)電源頻率要求為1～6MHz，幅值≥900V。對(duì)比發(fā)現(xiàn)商用射頻電源具有體積龐大、價(jià)格高昂、輸出阻抗不易更改等缺點(diǎn)，不能滿足射頻六級(jí)桿對(duì)電源特殊的要求。在國(guó)內(nèi)，李延錄等[1-2]對(duì)四級(jí)桿射頻電源在2.7648MHz輸出電壓為2568V時(shí)，采用模擬閉環(huán)控制以穩(wěn)定輸出電壓，其缺點(diǎn)是調(diào)試復(fù)雜；使用直流DC±215V供電，對(duì)供電要求較高。李凱等[8]對(duì)四級(jí)質(zhì)譜儀射頻電源控制采用ARM和FPGA完成控制和數(shù)據(jù)采集，以減小系統(tǒng)體積和功耗并提高數(shù)據(jù)采集速度，其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)成本較高，不利于商品化。謝春光等[1,4]研制出飛行時(shí)間質(zhì)譜儀傳輸區(qū)射頻電源可調(diào)頻率為150～900kHz和1～2MHz。輸出頻率和電壓通過(guò)電位器調(diào)節(jié)并使用開(kāi)環(huán)控制，其缺點(diǎn)是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)并對(duì)使用環(huán)境要求較高。張龍[9]研制離子阱射頻電源通過(guò)調(diào)節(jié)PWM來(lái)改變供電電壓，以達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓，但需要獨(dú)立設(shè)計(jì)供電電路。為滿足六級(jí)桿對(duì)射頻電壓和頻率要求，采用AB類射頻推挽功放拓寬頻率范圍和提高功率并采用閉環(huán)控制穩(wěn)定輸出電壓。

圖1 射頻六級(jí)桿實(shí)物圖

1 射頻電源控制原理

射頻電源控制原理圖如圖2所示，本文采用直接頻率合成器(direct digital synthesizer，DDS)作為射頻信號(hào)源并通過(guò)模擬乘法器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器相乘來(lái)自動(dòng)調(diào)整射頻信號(hào)幅值和頻率。首先，射頻信號(hào)通過(guò)寬頻運(yùn)算放大器輸出一定功率射頻信號(hào)，然后通過(guò)末級(jí)AB類射頻功放進(jìn)一步提高輸出功率，最后通過(guò)升壓變壓器輸出高壓射頻電壓用于射頻六級(jí)桿離子傳輸。為了提高射頻電源輸出穩(wěn)定性，采用負(fù)反饋閉環(huán)控制。控制器采用某公司STM32F103C8T6作為主控芯片，模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集射頻輸出電壓并與設(shè)定電壓比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)提高射頻電源輸出穩(wěn)定性。射頻電源實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 射頻電源控制框圖

圖3 射頻電源實(shí)物圖

1.1 射頻電源幅值自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊

本文通過(guò)乘法器實(shí)現(xiàn)射頻電源幅值和頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)DDS和ADC生成不同頻率和幅值信號(hào)，然后通過(guò)乘法器相乘實(shí)現(xiàn)輸出頻率和電壓可調(diào)射頻信號(hào)源用于自動(dòng)調(diào)節(jié)射頻電源輸出。幅值自動(dòng)調(diào)節(jié)原理框圖如圖4所示。

圖4 幅值自動(dòng)調(diào)節(jié)原理框圖

DDS采用某公司生產(chǎn)的AD9835,最高時(shí)鐘頻率為50MHz，當(dāng)AD9835采用25MHz時(shí)鐘時(shí)，輸出頻率范圍0～12.5MHz，分辨率為0.00582Hz。為了提高輸出頻率穩(wěn)定性，采用25MHz有源晶振。DAC8562是16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，精度為4 LSB，內(nèi)部具有4ppm /℃、 2.5V參考電壓，可以配置為0～5V輸出用于對(duì)射頻輸出電壓準(zhǔn)確設(shè)定。控制器可以通過(guò)改變幅值給定電壓改變射頻輸出電壓。MPY634是一款寬帶、高精度、四象限模擬乘法器，最高帶寬10MHz。允許用戶配置乘法器、平方電路、倍頻器和其他功能電路，同時(shí)保持±0.5 %高精度。控制器可以通過(guò)改變幅值給定電壓改變射頻輸出電壓。

1.2 射頻功率放大模塊

射頻信號(hào)源輸出信號(hào)十分微弱，需要多級(jí)功率放大才能輸出足夠大功率。本文首先通過(guò)高速緩沖器放大然后由AB類推挽再次放大。最后通過(guò)升壓變壓器提高射頻輸出電壓。如圖5所示，BUF634是一款高速開(kāi)環(huán)單位增益緩沖器，具有2000V/μs壓擺率和30MHz帶寬，最大輸出電流250mA，寬供電范圍(±2.25V～±18V)，滿足射頻信號(hào)源放大要求。

圖5 初級(jí)功率放大電路

在電源設(shè)計(jì)中為提高輸出效率多采用推挽結(jié)構(gòu)。射頻功率放大器采用AB類推挽放大電路。AB類推挽結(jié)構(gòu)具有良好的線性度和較高的輸出電路效率。如圖6所示，Q1、Q2采用HEXFET功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF640。其主要電路參數(shù)為：Vds=200V，Id=17A，Pd=200V，供電電壓為150V，工作頻率30MHz，輸出功率150W。本設(shè)計(jì)射頻電源供電15V，工作頻率1～6MHz， T1是輸入耦合變壓器，T2是輸出耦合變壓器，T3是兩路輸出變壓器和檢測(cè)線圈。電感 L2是高頻扼流電感，電容C13、C14為濾波電容。

圖6 AB類功率放大電路

1.3 射頻電源幅值檢測(cè)模塊

射頻電源幅值檢測(cè)是閉環(huán)控制重要環(huán)節(jié)，其精度直接影響其控制精度。射頻電源幅值檢測(cè)模塊如圖7所示。首先由檢測(cè)線圈檢測(cè)出六級(jí)桿上交流信號(hào)，然后通過(guò)整流電路輸出直流信號(hào)，最后通過(guò)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器檢測(cè)直流信號(hào)并送ARM控制器做處理。本文模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADS8689高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS8689是16位、100ksps，內(nèi)部集成低溫漂4.096V參考源，輸入電壓配置為0～12.288V，以提高檢測(cè)精度。

圖7 射檢波電路原理圖

檢波電路如圖8所示，檢波線圈輸出信號(hào)經(jīng)電容C6濾除直流成分，二極管D1向電容C9充電直至最大電壓，二極管截止時(shí)，電容C9緩慢放電，模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過(guò)采集電容C9電壓來(lái)反映射頻輸出電壓。考慮到射頻輸出頻率1～6MHz，采用反向恢復(fù)時(shí)間短的1N4148。

圖8 射檢波電路原理圖

1.4 射頻電源通信模塊

本射頻電源通過(guò)串口與用戶計(jì)算機(jī)通信來(lái)設(shè)置射頻輸出電壓和頻率。串口通信波特率采用115 200，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位。本文采用某公司MAX232 RS-232收發(fā)器。該芯片采用3.3V供電，電流低至10nA，速度高達(dá)1Mbps。電路設(shè)計(jì)如圖9所示，串口調(diào)試界面如圖10所示。

圖9 串口通信原理圖

圖10 串口調(diào)試界面

2 射頻電源控制軟件設(shè)計(jì)

射頻電源軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要內(nèi)容包括各芯片初始化程序、輸出頻率和電壓設(shè)置程序、射頻輸出峰峰值檢測(cè)程序和PID控制程序等組成。射頻電源控制軟件流程圖如圖11所示。

圖11 射頻電源程序流程圖

在多數(shù)電源設(shè)計(jì)中為提高電壓穩(wěn)定性采用PID控制。本文為了提高射頻電源輸出穩(wěn)定，采用增量式PID控制。增量式PID控制表達(dá)式推導(dǎo)如式(1)-式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

其中：kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期；ek為控制輸入；uk為控制輸出。經(jīng)過(guò)優(yōu)化確定kp=5時(shí)，射頻電源控制效果滿足設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 射頻電源峰峰值和對(duì)稱性測(cè)試

如圖12-圖14所示，固定DDS信號(hào)源輸入頻率并調(diào)節(jié)幅值給定電壓，從六級(jí)桿兩組電極上測(cè)得射頻的電壓峰峰值。從圖中可以看出共振頻率點(diǎn)在1.420MHz、3.086MHz、5.347MHz時(shí)峰峰值分別為2020V、1960V、928V，滿足射頻六級(jí)桿對(duì)電源輸出相位要求。

圖12 射頻電源1.420 MHz輸出電壓波形

圖13 射頻電源3.086 MHz輸出電壓波形

圖14 射頻電源5.347 MHz輸出電壓波形

3.2 射頻電源頻率輸出特性測(cè)試

射頻電源頻率輸出特性表明頻率對(duì)輸出電壓的影響，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變電感參數(shù)來(lái)設(shè)置不同諧振頻率。如圖15所示，諧振頻率于1.420MHz、3.086MHz、5.347MHz時(shí)峰峰值分別為2020V、1960V、928V。實(shí)驗(yàn)中可看出頻率改變使輸出電壓值急速下降，射頻電源只有工作在諧振點(diǎn)才能達(dá)到最大電壓輸出。

圖15 射頻電源輸出頻率特性

3.3 射頻電源穩(wěn)定性測(cè)試

射頻電源穩(wěn)定性是在可靠散熱(散熱片面積為15cm×12cm，風(fēng)扇功率為10W)和電路良好屏蔽(采用金屬鋁盒屏蔽)條件下測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為連續(xù)15h。在3.094MHz測(cè)得電壓和頻率穩(wěn)定性分別為0.44%和0.096%(圖16)。本設(shè)計(jì)滿足射頻六級(jí)桿對(duì)穩(wěn)定性要求。

圖16 射頻電源穩(wěn)定性測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于AB類推挽功放結(jié)構(gòu)射頻線性電源。通過(guò)串口通信設(shè)定射頻輸出頻率和電壓并通過(guò)增量式PID控制以提高輸出電壓穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在3.094MHz時(shí)測(cè)得電壓和頻率穩(wěn)定性分別為0.44%和0.096%；在1.420MHz、3.086MHz、5.347MHz時(shí)峰峰值分別為2020V、1960V、928V，滿足六級(jí)桿對(duì)射頻電源要求。射頻電源已用于六級(jí)桿實(shí)驗(yàn)中并穩(wěn)定運(yùn)行。