一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，包括脉冲信号产生单元、脉冲放大隔离单元、开关驱动单元、负载阻抗匹配单元及直流高压产生控制单元，脉冲信号产生单元通过脉冲放大隔离单元与开关驱动单元连接，直流高压产生控制单元包括微控制器、A/D采样电路、D/A控制电路及高压产生电路，微控制器与脉冲信号产生单元连接，微控制器通过D/A控制电路与高压产生电路连接，高压产生电路通过A/D采样电路与微控制器连接，高压产生电路与开关驱动单元连接，开关驱动单元的输出端通过负载阻抗匹配电路与负载连接。本发明的高压脉冲电源，输出的高压脉冲信号的上升沿时间短，精度较高，可广泛应用于飞行时间质谱仪的驱动领域。
【专利说明】—种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高压脉冲电源，特别涉及一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源。
【背景技术】
[0002]目前，飞行时间质谱仪(TOFMS)普遍采用垂直引入式结构将离子引入TOF分析器，这样做需要在离子运动垂直方向的推斥板施加高压推斥脉冲。为了保证飞行时间质谱仪的高分辨率，对其高压脉冲电源的要求主要如下:输出电平平稳，脉冲上升沿越小越好，最好低于100ns，脉冲频率通常在IKHZ到20KHZ之间。但是因为高压脉冲电源是一种交直流耦合的技术，传统的高压脉冲电源产生的波形不易控制，脉冲幅值、频率、占空比等难以调节，且脉冲上升沿时间长，无法满足飞行时间质谱仪的苛刻要求。
【发明内容】
[0003]为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，包括脉冲信号产生单元、脉冲放大隔离单元、开关驱动单元、负载阻抗匹配单元及直流高压产生控制单元，所述脉冲信号产生单元的输出端通过脉冲放大隔离单元与开关驱动单元的第一输入端连接；
所述直流高压产生控制单元包括微控制器、A/D采样电路、D/A控制电路及高压产生电路，所述微控制器与脉冲信号产生单元连接，所述微控制器的输出端通过D/A控制电路与高压产生电路的输入端连接，所述高压产生电路的第一输出端通过A/D采样电路与微控制器的输入端连接，所述高压产生电路的第二输出端与开关驱动单元的第二输入端连接，所述开关驱动单元的输出端通过负载阻抗匹配电路与负载连接。
[0005]进一步，所述放大隔离电路包括放大电路和隔离电路，所述放大电路包括施密特触发器和MOSFET驱动器，所述脉冲信号产生单元的输出端依次通过施密特触发器、MOSFET驱动器及隔离电路与开关驱动单元的第一输入端连接。
[0006]进一步，所述隔离电路包括隔离电容以及脉冲变压器，所述脉冲变压器包括初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，所述第一次级线圈和第二次级线圈的匝数相同；
脉冲信号产生单元产生的脉冲信号依次通过施密特触发器和MOSFET驱动器后，通过隔离电容接入脉冲变压器的初级线圈，所述第一次级线圈和第二次级线圈分别与开关驱动单元连接。
[0007]进一步，所述开关驱动单元包括第一 MOSFET管、第二 MOSFET管、第三MOSFET管、第四MOSFET管、第一齐纳二极管、第二齐纳二极管、第一电阻、第二电阻及第三电阻；
所述第一次级线圈的同名端与第一 MOSFET管的漏极连接，所述第一次级线圈的异名端分别与第一 MOSFET管的栅极、第一齐纳二极管的正极和第二 MOSFET管的漏极连接，所述第一MOSFET管的源极通过第一电阻分别与第二 MOSFET管的栅极和第一齐纳二极管的负极连接；
所述第二次级线圈的异名端与第三MOSFET管的漏极连接，所述第二次级线圈的同名端分别与第三MOSFET管的栅极和第二齐纳二极管的正极连接，所述第二次级线圈的同名端接地，所述第三MOSFET管的源极通过第二电阻分别与第四MOSFET管的栅极和第二齐纳二极管的负极连接；
所述第二 MOSFET管的源极与高压产生电路连接，所述第二 MOSFET管的漏极通过第三电阻与第四MOSFET管的源极连接，所述第四MOSFET管的漏极接地，所述第二 MOSFET管的漏极通过负载阻抗匹配单元与负载的一端连接，所述负载的另一端接地。
[0008]进一步，所述负载阻抗匹配单元包括可调电位器及可调电感器，所述第二 MOSFET管的漏极依次通过可调电位器及可调电感器与负载的一端连接。
[0009]进一步，所述微控制器采用FPGA、单片机或ARM处理器。
[0010]进一步，所述脉冲信号产生单元还连接有用于与上位机进行通讯的通讯接口。
[0011]进一步，所述脉冲信号产生单元采用FPGA。
[0012]本发明的有益效果是:本发明的一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，包括脉冲信号产生单元、脉冲放大隔离单元、开关驱动单元、负载阻抗匹配单元及直流高压产生控制单元，脉冲信号产生单元的输出端通过脉冲放大隔离单元与开关驱动单元的第一输入端连接；直流高压产生控制单元包括微控制器、A/D采样电路、D/A控制电路及高压产生电路，微控制器与脉冲信号产生单元连接，微控制器的输出端通过D/A控制电路与高压产生电路的输入端连接，高压产生电路的第一输出端通过A/D采样电路与微控制器的输入端连接，高压产生电路的第二输出端与开关驱动单元的第二输入端连接，开关驱动单元的输出端通过负载阻抗匹配电路与负载连接，本发明可以通过脉冲信号产生单元调节输出高压脉冲信号的频率，通过微控制器调节输出高压脉冲信号的幅度，而且通过开关驱动单元和负载阻抗匹配电路，使得高压脉冲信号的上升沿时间短，精度较高，可满足飞行时间质谱仪的驱动要求。
[0013]另外，脉冲放大隔离单元中采用脉冲变压器可以将直流高压信号和脉冲信号隔开，减少了系统的电磁干扰，提高了系统的稳定性及可靠性，而且采用MOSFET管进行驱动，可以实现直流高压的快速开和关，使得高压脉冲信号的上升沿时间小于100ns。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0015]图1是本发明的一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源的结构框图；
图2是图1中的部分电路的详细电路图；
图3是高压产生电路输出的电压为100V时高压脉冲信号的脉冲上升沿波形图；
图4是高压产生电路输出的电压为500V时高压脉冲信号的脉冲上升沿波形图；
图5是高压产生电路输出的电压为1000V时高压脉冲信号的脉冲上升沿波形图；
图6是高压脉冲信号的脉宽为I μ s时的波形图；
图7是高压脉冲信号的脉宽为5μ s时的波形图；
图8是高压脉冲信号的脉宽为10 μ s时的波形图。【具体实施方式】
[0016]参照图1，本发明提供了一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，包括脉冲信号产生单元、脉冲放大隔离单元、开关驱动单元、负载阻抗匹配单元及直流高压产生控制单元，所述脉冲信号产生单元的输出端通过脉冲放大隔离单元与开关驱动单元的第一输入端连接；
所述直流高压产生控制单元包括微控制器、A/D采样电路、D/A控制电路及高压产生电路，所述微控制器与脉冲信号产生单元连接，所述微控制器的输出端通过D/A控制电路与高压产生电路的输入端连接，所述高压产生电路的第一输出端通过A/D采样电路与微控制器的输入端连接，所述高压产生电路的第二输出端与开关驱动单元的第二输入端连接，所述开关驱动单元的输出端通过负载阻抗匹配电路与负载连接。
[0017]进一步作为优选的实施方式，所述放大隔离电路包括放大电路和隔离电路，所述放大电路包括施密特触发器和MOSFET驱动器，所述脉冲信号产生单元的输出端依次通过施密特触发器、MOSFET驱动器及隔离电路与开关驱动单元的第一输入端连接。
[0018]进一步作为优选的实施方式，所述隔离电路包括隔离电容Cl以及脉冲变压器T，所述脉冲变压器T包括初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，所述第一次级线圈和第二次级线圈的匝数相同；所述第一次级线圈与初级线圈同向耦合，输出开启脉冲，所述第二次级线圈与初级线圈反向I禹合，输出截止脉冲；
脉冲信号产生单元产生的脉冲信号依次通过施密特触发器和MOSFET驱动器后，通过隔离电容Cl接入脉冲变压器T的初级线圈，所述第一次级线圈和第二次级线圈分别与开关驱动单元连接。
[0019]进一步作为优选的实施方式，所述开关驱动单元包括第一 MOSFET管Q1、第二MOSFET管Q2、第三MOSFET管Q3、第四MOSFET管Q4、第一齐纳二极管D1、第二齐纳二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3 ；
所述第一次级线圈的同名端与第一 MOSFET管Ql的漏极连接，所述第一次级线圈的异名端分别与第一 MOSFET管Ql的栅极、第一齐纳二极管Dl的正极和第二 MOSFET管Q2的漏极连接，所述第一 MOSFET管Ql的源极通过第一电阻Rl分别与第二 MOSFET管Q2的栅极和第一齐纳二极管Dl的负极连接；
所述第二次级线圈的异名端与第三MOSFET管Q3的漏极连接，所述第二次级线圈的同名端分别与第三MOSFET管Q3的栅极和第二齐纳二极管D2的正极连接，所述第二次级线圈的同名端接地，所述第三MOSFET管Q3的源极通过第二电阻R2分别与第四MOSFET管Q4的栅极和第二齐纳二极管D2的负极连接；
所述第二 MOSFET管Q2的源极与高压产生电路连接，所述第二 MOSFET管Q2的漏极通过第三电阻R3与第四MOSFET管Q4的源极连接，所述第四MOSFET管Q4的漏极接地，所述第二 MOSFET管Q2的漏极通过负载阻抗匹配单元与负载的一端连接，所述负载的另一端接地。
[0020]进一步作为优选的实施方式，所述负载阻抗匹配单元包括可调电位器R4及可调电感器LI，所述第二 MOSFET管Q2的漏极依次通过可调电位器R4及可调电感器LI与负载的一端连接。[0021]进一步作为优选的实施方式，所述微控制器采用FPGA、单片机或ARM处理器。
[0022]进一步作为优选的实施方式，所述脉冲信号产生单元还连接有用于与上位机进行通讯的通讯接口。
[0023]进一步作为优选的实施方式，所述脉冲信号产生单元采用FPGA。
[0024]下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0025]参照图1，本发明提供了一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，包括脉冲信号产生单元、脉冲放大隔离单元、开关驱动单元、负载阻抗匹配单元及直流高压产生控制单元，脉冲信号产生单元的输出端通过脉冲放大隔离单元与开关驱动单元的第一输入端连接；
直流高压产生控制单元包括微控制器、A/D采样电路、D/A控制电路及高压产生电路，微控制器与脉冲信号产生单元连接，微控制器的输出端通过D/A控制电路与高压产生电路的输入端连接，高压产生电路的第一输出端通过A/D采样电路与微控制器的输入端连接，高压产生电路的第二输出端与开关驱动单元的第二输入端连接，开关驱动单元的输出端通过负载阻抗匹配电路与负载连接。
[0026]脉冲信号产生单元用于产生周期性的方波脉冲信号，直流高压产生控制单元用于生成高压信号，高压产生电路可以采用高压模块来生成高压，生成高压的电压值由微控制器进行控制，这里，微控制器用于设定要产生的高压信号的电压值，微控制器将设定的电压值通过D/A控制电路转换为模拟信号值后发送给高压产生电路，高压产生电路根据输入的模拟信号值产生相应的高压信号，同时，高压产生模块产生的电压值经过A/D采样电路采集后反馈到微控制器处。
[0027]A/D采样电路和D/A控制电路可以根据实际需求的电压精度来选择位数，包括8位、10位、12位或者更高位数。
[0028]放大隔离电路包括放大电路和隔离电路，放大电路包括施密特触发器和MOSFET驱动器，施密特触发器、MOSFET驱动器和隔离电路依次串联，脉冲信号产生单元的输出端依次通过施密特触发器、MOSFET驱动器及隔离电路与开关驱动单元的第一输入端连接。
[0029]详细的，参照图2，图2是隔离电路、开关驱动单元及负载阻抗匹配单元的详细电路图，隔离电路包括隔离电容Cl以及脉冲变压器T，脉冲变压器T包括初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，第一次级线圈和第二次级线圈的匝数相同；
脉冲信号产生单元产生的脉冲信号依次通过施密特触发器和MOSFET驱动器后，通过隔离电容Cl接入脉冲变压器T的初级线圈，第一次级线圈和第二次级线圈分别与开关驱动单元连接；脉冲信号产生单元产生的脉冲信号的电压幅值一般为3.3V，施密特触发器将脉冲信号的幅值调整为5V后发送到MOSFET驱动器将电压幅值调整到12V。隔离电容Cl为隔直电容，起到提供重启电压的作用，当脉冲信号经过隔离电容Cl后，方波脉冲信号变成具有正负极性的尖脉冲交流信号，同时，脉冲变压器T可将直流高压信号和脉冲信号隔开，减少了系统的电磁干扰，提高了系统的稳定性及可靠性。
[0030]参照图2，开关驱动单元包括第一 MOSFET管Ql、第二 MOSFET管Q2、第三MOSFET管Q3、第四MOSFET管Q4、第一齐纳二极管D1、第二齐纳二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3;
第一次级线圈的同名端与第一 MOSFET管Ql的漏极连接，第一次级线圈的异名端分别与第一 MOSFET管Ql的栅极、第一齐纳二极管Dl的正极和第二 MOSFET管Q2的漏极连接，第一 MOSFET管Ql的源极通过第一电阻Rl分别与第二 MOSFET管Q2的栅极和第一齐纳二极管Dl的负极连接；
第二次级线圈的异名端与第三MOSFET管Q3的漏极连接，第二次级线圈的同名端分别与第三MOSFET管Q3的栅极和第二齐纳二极管D2的正极连接，第二次级线圈的同名端接地，第三MOSFET管Q3的源极通过第二电阻R2分别与第四MOSFET管Q4的栅极和第二齐纳二极管D2的负极连接；
第二 MOSFET管Q2的源极与高压产生电路连接，第二 MOSFET管Q2的漏极通过第三电阻R3与第四MOSFET管Q4的源极连接，第四MOSFET管Q4的漏极接地，第二 MOSFET管Q2的漏极通过负载阻抗匹配单元与负载的一端连接，负载的另一端接地；
负载阻抗匹配单元包括可调电位器R4及可调电感器LI，第二 MOSFET管Q2的漏极依次通过可调电位器R4及可调电感器LI与负载的一端连接。由于负载是飞行时间质谱仪的推斥面板，属于容性负载，而当对容性负载施加高压脉冲信号时，会破坏脉冲信号的完整性，造成高压脉冲上升沿抖动，且脉冲上升沿时间变长，因此，这里采用了可调电位器R4及可调电感器LI，通过手动调节可调电位器R4和可调电感器LI从而获得合适的电阻值和电感值，可使得负载阻抗达到一个有效的匹配度，以此消除容性负载带来的不良影响。
[0031]本发明采用MOSFET管进行驱动，可以实现直流高压的快速开关，上升沿时间可以调节到小于100 ns，而且调节负载阻抗匹配电路可以使得输出高压脉冲信号的波形更加平滑。图3、图4、图5分别是高压产生电路输出的电压为100V、500V和1000V时，本高压脉冲电源输出的高压脉冲信号的脉冲上升沿波形图，由图中可以清晰地看出，这些高压脉冲信号的上升沿时间均小于100ns，且上升沿波形平稳，无抖动，可以重复满足飞行时间质谱仪的要求。另外，通过对脉冲信号产生电路进行调节可以对本电源输出的高压脉冲信号的脉宽进行调节，图6、图7、图8分别是脉宽为1118、5118和IOys的波形图。
[0032]优选的，本实施例的脉冲信号产生单元还连接有用于与上位机进行通讯的通讯接口，从而脉冲信号产生单元可以接收上位机的控制指令，对产生的脉冲信号进行调节。同时脉冲信号产生单元还可以接收上位机输入的脉冲电压值后发送到微控制器，微控制器根据接收到的脉冲电压值设定要产生的高压信号的电压值。
[0033]本实施例中，微控制器可采用FPGA、单片机或ARM处理器等，脉冲信号产生单元可采用FPGA来实现。
[0034]另外，需要注意的是，本发明中对图1的结构框图进行描述时采用的第一输入端、第二输入端、第一输出端及第二输出端等只是结合结构框图的不同功能模块来区分不同的输入及输出端，并不是对于具体端口数量的限定。例如开关驱动单元的第一输入端，具体到图2中对应为4个输入端口，分别为第一次级线圈的同名端、异名端，以及第二次级线圈的同名端及异名端。
[0035]以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
【权利要求】
1.一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，其特征在于，包括脉冲信号产生单元、脉冲放大隔离单元、开关驱动单元、负载阻抗匹配单元及直流高压产生控制单元，所述脉冲信号产生单元的输出端通过脉冲放大隔离单元与开关驱动单元的第一输入端连接； 所述直流高压产生控制单元包括微控制器、A/D采样电路、D/A控制电路及高压产生电路，所述微控制器与脉冲信号产生单元连接，所述微控制器的输出端通过D/A控制电路与高压产生电路的输入端连接，所述高压产生电路的第一输出端通过A/D采样电路与微控制器的输入端连接，所述高压产生电路的第二输出端与开关驱动单元的第二输入端连接，所述开关驱动单元的输出端通过负载阻抗匹配电路与负载连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，其特征在于，所述放大隔离电路包括放大电路和隔离电路，所述放大电路包括施密特触发器和MOSFET驱动器，所述脉冲信号产生单元的输出端依次通过施密特触发器、MOSFET驱动器及隔离电路与开关驱动单元的第一输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，其特征在于，所述隔离电路包括隔离电容(Cl)以及脉冲变压器(T)，所述脉冲变压器(T)包括初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，所述第一次级线圈和第二次级线圈的匝数相同； 脉冲信号产生单元产生的脉冲信号依次通过施密特触发器和MOSFET驱动器后，通过隔离电容(Cl)接入脉冲变压器(T)的初级线圈，所述第一次级线圈和第二次级线圈分别与开关驱动单元连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，其特征在于，所述开关驱动单元包括第一 MOSFET管(Q1)、第二 MOSFET管(Q2)、第三MOSFET管(Q3)、第四MOSFET管(Q4)、第一齐纳二极管(D1)、第二齐纳二极管(D2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)及第三电阻(R3)； 所述第一次级线圈的同名端与第一 MOSFET管(Ql)的漏极连接，所述第一次级线圈的异名端分别与第一 MOSFET管(Ql)的栅极、第一齐纳二极管(Dl)的正极和第二 MOSFET管(Q2)的漏极连接，所述第一 MOSFET管(Ql)的源极通过第一电阻(Rl)分别与第二 MOSFET管(Q2)的栅极和第一齐纳二极管(Dl)的负极连接； 所述第二次级线圈的异名端与第三MOSFET管(Q3)的漏极连接，所述第二次级线圈的同名端分别与第三MOSFET管(Q3)的栅极和第二齐纳二极管(D2)的正极连接，所述第二次级线圈的同名端接地，所述第三MOSFET管(Q3)的源极通过第二电阻(R2)分别与第四MOSFET管(Q4)的栅极和第二齐纳二极管(D2)的负极连接； 所述第二 MOSFET管(Q2)的源极与高压产生电路连接，所述第二 MOSFET管(Q2)的漏极通过第三电阻(R3)与第四MOSFET管(Q4)的源极连接，所述第四MOSFET管(Q4)的漏极接地，所述第二 MOSFET管(Q2)的漏极通过负载阻抗匹配单元与负载的一端连接，所述负载的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，其特征在于，所述负载阻抗匹配单元包括可调电位器(R4)及可调电感器(LI)，所述第二 MOSFET管(Q2)的漏极依次通过可调电位器(R4)及可调电感器(LI)与负载的一端连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，其特征在于，所述微控制器采用FPGA、单片机或ARM处理器。
7.根据权利要求1所述的一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，其特征在于，所述脉冲信号产生单元还连接有用于与上位机进行通讯的通讯接口。
8.根据权利要求1所述的一种用于飞行时间质谱仪的高压脉冲电源，其特征在于，所述脉冲信号产生 单元采用FPGA。
【文档编号】H02M9/02GK103956932SQ201410134478
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】孙宁, 李磊, 刘志影, 吕金诺, 郝慈环, 高伟, 黄正旭, 周振 申请人:上海大学, 广州禾信分析仪器有限公司, 昆山禾信质谱技术有限公司