微網霧化器的電路設計與試驗

朱庭旺， 任曉明， 莊文健， 陳 堅

(1.上海電機學院 電氣學院, 上海 201306;2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院, 上海 200240)

當今微網霧化器由于其霧化顆粒粒徑小、霧化速率適中等優點，日益成為治療呼吸道等疾病的一款優秀產品。微網霧化器的工作原理是，在壓電陶瓷片受到交流電壓的激勵之后，當交流電壓的頻率達到陶瓷片的諧振頻率，壓電陶瓷片因逆電壓而產生變形，往復振動，進一步產生霧化。目前，對于霧化片的研究主要集中在霧化片的參數測試和參數特性上。如通過大信號阻抗測量來研究霧化片的器件特性，運用阻抗測量數據提取霧化片等效電路模型參數[1]。文獻[2]對霧化片工作時的參數特性進行了研究，指出霧化器裝置的諧振頻率在100 h以下的持續運行中基本保持不變。霧化器性能指標的影響因素、霧化特點也得到了研究者的關注。文獻[3-4]對霧化片孔的幾何參數、諧振頻率和霧化液滴粒徑的關系進行了研究。文獻[5-6]使用照相分析測量超聲霧化器中的液滴尺寸分布。文獻[7-9]對超聲波基板振動的液滴霧化特點進行了分析。一些學者對霧化片和霧化噴頭進行了有限元仿真，如霧化片的參數優化設計[10]，超聲霧化噴頭的有限元仿真[11-12]。文獻[13]設計了一種低頻超聲霧化噴頭驅動電源。然而對霧化片驅動電路的優化設計，以及如何確定霧化片的最佳驅動頻率的相關研究較少。本文設計了壓電陶瓷霧化片工作所需的各種電路，并通過Multisim軟件仿真，配置升壓振蕩電路等元器件參數，比較不同元器件取不同值時對應的霧化片兩端電壓值、效率(霧化片兩端的輸出功率/升壓振蕩電路輸入功率)。在仿真的基礎上搭建實驗，驗證設計的霧化器各電路與各元器件參數的可行性，并運用掃頻程序與追頻檢測電路確定(110±5)kHz霧化片的最佳驅動頻率為110 kHz。通過對霧化顆粒粒徑、霧化速率的檢測，可驗證驅動(110±5)kHz霧化片的合適諧振頻率為110 kHz。

1 設計方案

1.1 壓電陶瓷片電學模型

工作在諧振頻率下的壓電陶瓷片電學模型如圖1所示。L1、C1、R1分別為霧化片的動態電感、動態電容和動態電阻，C2為霧化片的靜態電容。

圖1 壓電陶瓷片電學模型

由理論可知，L1與C1的串聯支路諧振頻率為

(1)

霧化片的輸出頻率應和串聯支路諧振頻率fs相同[9]，此時串聯支路輸出有功功率最大。為實現這一目標，需要使驅動電路的頻率等于串聯支路諧振頻率。

1.2 仿真電路原理及元件參數設置

通過壓電陶瓷片電學模型，L1、C1和R1的值可以根據霧化片的諧振頻率來確定，即L1和C1組合成模型的諧振頻率等于霧化片諧振頻率，C2通過LCR分析儀測得為2.2 nF。選擇的霧化片的出廠參數諧振頻率為(110±5)kHz，仿真模型中L1、C1、R1的參數通過文獻[1]的測試方法確定。通過Multisim仿真軟件，搭建了包含霧化片等效電路的升壓振蕩電路仿真模型如圖2所示。電容C3的作用是防止直流電壓加在霧化片兩端，對霧化片造成破壞。通過調節電容C3和C4，可調節霧化片的輸出霧量。R3、C6構成追頻電路，當霧化片工作在最佳諧振頻率時，追頻電路檢測到的電壓值最大。PWM波控制場效應管Q1的開斷，當Q1導通時，電流通過L2、Q1、R2、L2進行儲能。當Q1關閉時，L2儲存的能量進行釋放，電流流入霧化片進行儲能。當Q1再導通時，電流通過L2、Q1、R2、L2進行儲能；同時霧化片儲存的能量開始反向通過Q1和R2進行能量釋放。當Q1再關閉時，L2儲存的能量進行釋放，電流流入霧化片再次進行儲能。該電路通過以上電路原理便能將輸入電壓的值進行升壓使霧化片工作。通過升壓振蕩電路的各元器件參數的選取，得到元器件不同參數所對應的霧化片兩端輸出電壓峰峰值、效率。仿真電路兩個瓦特表分別測得升壓振蕩電路輸入功率和霧化片兩端的輸出功率。霧化片兩端的輸出功率和升壓振蕩電路輸入功率的比值便是效率的大小。

圖2 升壓振蕩電路仿真模型

經過分析計算，本文PWM波的最佳占空比為0.5，因此，仿真涉及的PWM波占空比都設置為0.5。該霧化片出廠參數的諧振頻率為(110±5)kHz，因此仿真中的PWM波頻率設置為105～115 kHz，每1 kHz遞增進行仿真。首先確定提供給升壓振蕩電路的電壓值，根據霧化片可在交流電壓峰峰值50～80 V范圍內進行霧化，通過3種具有代表性輸入電壓值進行仿真。圖3所示為3種不同輸入電壓值對應的霧化片在PWM波頻率為105～115 kHz作用下的兩端電壓峰峰值、效率關系圖。

由圖3可知，當輸入電壓為20.4 V時即可滿足霧化片工作要求，當驅動頻率在110～111 kHz時電路的效率較好。通過仿真，電容C4取1、0.1、0.01 μF中的0.01 μF時，霧化片等效電路兩端輸出的電壓波形才穩定，其他值得到的波形不穩定，因此，C4選擇0.01 μF。電感的估值為

圖3 不同輸入電壓時頻率和電壓峰峰值、效率的關系

(2)

式中：Ui為輸入電壓;D為占空比;f為驅動頻率;Io為升壓振蕩電路的輸出電流。通過對維持霧化片工作所需要的輸出電流大小的估計，并代入式(2)得到電感的取值在110～330 μH之間。接著對電感L2進行確定，圖4為3種電感值在PWM波頻率為105～115 kHz作用下的輸出電壓峰峰值、效率。

由圖4可知，當L2為110 μH時，其電壓峰峰值和效率更符合要求。圖5所示為電容C3取不同值時在PWM波頻率為105～115 kHz作用下對應的輸出電壓峰峰值、效率。由圖5可知，當電容值取0.1 μF時更符合霧化片工作所需條件。

圖4 不同輸入電感時頻率和電壓峰峰值、效率的關系

圖5 電容C3取不同值時頻率和電壓峰峰值、效率的關系

當電感L2取110 μH，電容C3取0.1 μF，C4取0.01 μF，在驅動頻率105～115 kHz作用下，追頻電路檢測到的電壓值如圖6所示。根據在不同驅動頻率時追頻電路檢測的電壓值可初步估計，霧化片在110 kHz的驅動頻率下工作效果較好。

圖6 不同驅動頻率時追頻電路檢測的電壓值

1.3 硬件電路系統設計

硬件電路結構框圖如圖7所示。5 V直流電壓通過鋰電池充電電路為鋰電池充電，鋰電池輸出電壓通過升壓電路以及升壓振蕩電路得到霧化片工作所需要的交流電壓。穩壓電路為MCU控制電路提供工作電壓。由發光二極管構成的顯示電路可以反映霧化器的工作和充電等狀態。水位檢測電路可通過霧化噴頭的檢測電極得到有水和無水時的不同電壓信號。MCU控制電路可提供升壓振蕩電路所需的PWM波、檢測鋰電池充電狀態及水位檢測等功能。

圖7 硬件電路結構框圖

1.4 軟件設計

軟件設計中需要實現霧化片工作的智能控制，單片機需控制充電電路的狀態顯示、鋰電池電壓狀態監測、水位檢測電路的控制等。軟件設計流程如圖8所示。

圖8 軟件設計流程

2 實物制作與測試結果

搭建硬件電路測試實物如圖9所示，實際升壓振蕩電路的電感與仿真確定的參數保持一致，L2取110 μH，C3取0.1 μF，C4取0.01 μF。編寫掃頻程序，根據追頻檢測電路來確定霧化片的最佳諧振頻率。追頻檢測電路得到(110±5)kHz的霧化片的最佳諧振頻率為110 kHz，此時霧化片兩端的輸出電壓波形如圖10所示。

圖9 霧化器樣機制作

圖10 驅動頻率110 kHz下霧化片輸出電壓波形

霧化器性能優劣的2個衡量指標是霧化顆粒粒徑和霧化速率，霧化顆粒粒徑小于5 μm的占比值，且霧化速率越大，則代表霧化器性能越好[4]。因此，通過Winner311XP激光粒度儀對顆粒粒徑進行檢測，X50為霧化所得霧滴累計分布達到50%時的粒徑大小，小于此粒徑的霧滴體積總量恰好占全部霧滴的50%。小于5 μm占比的大小可以通過激光粒度儀檢測分析報告得到。霧化速率通過3 min內霧化器的霧化量與時間的比值獲得。105～115 kHz頻率下霧化器的X50值與低于5 μm的占比值、霧化器的霧化速率如圖11所示。

圖11 不同頻率下霧化器的X50值與低于5 μm的占比值、霧化器的霧化速率

由圖11可知，頻率為110 kHz時霧化器粒徑低于5 μm的占比達67.97%，高于其他驅動頻率對應的霧化粒徑低于5 μm的占比值，且其霧化速率達0.39 mL/min。通過顆粒粒徑和霧化速率檢測，證實了驅動頻率為110 kHz時，霧化片的工作效果最好。

3 結 論

通過使霧化片高效工作的各電路設計，在霧化片諧振等效電路的基礎上，運用Multisim軟件對升壓振蕩電路輸入電壓、電感、電容的不同取值進行仿真，得出各參數不同取值所對應的霧化片在不同驅動頻率下的兩端電壓值、效率值，以仿真的追頻檢測電路初步確定霧化片的諧振頻率。通過硬件電路的調試，其結果可以驗證仿真電路和元件各參數的正確性，編寫的追頻檢測電路程序可確定霧化片的最佳驅動頻率。通過對霧化顆粒粒徑、霧化速率的檢測，證實了驅動(110±5)kHz霧化片工作的諧振頻率為110 kHz時輸出效果最佳。在該頻率驅動下，霧化器輸出顆粒粒徑低于5 μm的占比為67.97%，霧化速率為0.39 mL/min。