基于E类功放质谱射频的电源设计与优化*

孙明超，俞建成，邵千钧，宁志强，郁 力

(1.宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211；2.宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)



基于E类功放质谱射频的电源设计与优化*

孙明超1，俞建成2，邵千钧1，宁志强2，郁 力2

(1.宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211；2.宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)

现场质谱仪在野外长时间续航，要求低功耗、高工作效率、宽范围扫描电压的射频电源予以支持。为满足这些要求，设计了基于E类功放模型的射频电源。使用ADS设计π型阻抗匹配网络，通过Multisim联合仿真，对已设计的匹配网络进行参数优化，提高工作效率。与其它射频电源相比，采用单管E类开关功放，在简化设计、提升效率、提高射频扫描电压方面更具优势，并能够有效提高质谱仪的质量数扫描范围，增强质谱仪器的现场检测能力，具有十分广泛的应用前景和实际意义。

E类功放； 质谱； 射频电源； 阻抗匹配

0 引 言

质谱仪器是当今最重要的分析仪器之一。质谱仪是利用电场、磁场将运动的离子按质荷比进行分离和检测的设备，它可以准确地测定离子的质荷比(m/z)，进而得到离子的精确质量，从而分析被测物质的成分和结构性质。质谱检测具备结果准确可靠、灵敏度高、需要样品量少、分析速度快等特点，在一定程度上能够解决复杂基质中痕量和微量有机物定性与定量分析等难题，在生命科学、生物医药、环境检测、食品安全、安全消防、反恐防化、能源、化工、材料科学、以及国防航天等涉及国家安全的重大领域得到广泛使用，发挥着不可替代的作用[1～3]。

射频(RF)电源系统是质谱中离子运动的驱动力，通过射频电源在离子阱质量分析器中构建变化的电场，离子受电场力的驱动而运动。在离子阱质谱分析中通常采用射频幅度扫描技术，将质量分析器中捕获的离子依次推出物理稳定区域，出射至探测器，以此获得质谱的分析数据[4,5]。射频电源的电压扫描范围、功耗以及效率性等各项指标均会显著影响仪器的检测性能[6～8]。

当前国际上发展的小型化质谱仪中，Inficon公司生产的Hapsite质谱仪，由于射频电源电压范围受限，仪器测试的质量范围m/z只能达到300，因此,其应用仅局限于环境检测等小分子检测领域[9]。国内李延录等人研制的小型四极杆射频电源采用D类功放，需采用直流±215 V供电，2.764 8 MHz频率产生2 568 VPP，该射频电源供电要求高、质量扫描电压范围小、扫描速度低，难以应用于较高要求的场合[10]。此外，谢春光等人研制的飞行时间质谱仪射频电源存在着扫描电压范围较小的缺陷，无法实现宽范围质量数的扫描[11]。

基于上述问题，需要研究设计低功耗、高稳定性、宽扫描范围的射频电源。本文通过选择能量转化效率高的E类放大器，结合射频电源负载的谐振特性，采用ADS设计匹配网络，通过Multisim联合仿真，对匹配网络进行验证和参数优化，保证电路工作处于最佳状态。

1 功放电路设计

射频电源中的功放模型选择、匹配网络设计是研究中的技术关键和难点。在整个射频电源中，功率放大器是射频电源向外界发射功率的重要模块，也是射频电源中耗能最高的单元。低效率的放大器往往会产生大量的热，导致能量损耗严重，且放大器也会因温度过高而毁坏。因此，选择合适的功放模型和匹配网络，不仅可以减少能量的额外损耗，还可以降低对散热装置和电源设计的要求，提高系统工作的稳定性与安全性，保证最佳的功率输出[12]。

1.1 E类功放电路原理

本文采用单管E类功放电路模型，如图1所示。E类功放提高效率的方法是避免晶体管的电压和电流都不为零。通过对晶体管上的电压整形，使得当晶体管开始导通时，其两端的压降为零，电流不为零，而关断时，流过晶体管的电流为零，电压降不为零，即实现了所谓的零压开关，在理论上效率可达到100 %[13]。与李延录等人相比，从工程的角度成本更经济，采用单电源供电，供电方式更加简单，且克服了D类放大器由于交替导通、截止功耗大，管子容易被击穿的风险，有效地提高射频电源的稳定性与可靠性。相较于谢春光等人所采用的C类功放，本文设计的E类功放，理论上效率更高。

图1中R1是晶体管的稳定电阻，起到稳定功放、防止自激的作用。电容C1、电容C2和电感L1是输出匹配网络的一部分。同时电容C2是MOS管的寄生电容和外部引入的谐振电容的总和，能抵消一部分管子内部电容所引起的功率损耗，有助于提高效率[14]。L4是扼流线圈，阻止漏极交流电流通向直流电源，离子阱和射频线圈可视为LC串联谐振电路，通过LC谐振获得单一频率的高压射频信号。其中L2射频线圈、R2射频线圈内阻、C3为离子阱电容。为保证信号和功率的高效输出，设计了π型匹配网络。

图1 E类功放电路模型Fig 1 E class power amplifier circuit model

1.2 匹配网络设计

为了使得晶体管分别与信号源、负载阻抗匹配，设计中加入匹配网络，保证射频电源工作在合适的状态，实现信号的无反射传输或最大功率的传输。在频率不高的情况下，一般使用电容电感实现阻抗匹配，即分立元件匹配网络[15]。

匹配网络包括L型、T型、π型三种，L,T,π型是就阻抗匹配电路主要器件的拓扑结构分布而言，T型和π型都可以分解为L型。T型和π型匹配网络可以在设计时调整匹配网络的带宽，增加了设计的灵活性。

本文选用的是π型匹配网络。图2(a)是ADS软件中设计的输出匹配电路。根据图2(a)所示，考虑到LC谐振，因此,负载阻抗等效为线圈的电阻6 Ω。已知晶体管输出阻抗

Zout=5.8-1.5j

(1)

为实现最大功率传输，采用共轭匹配方式，即将Zout共轭以后得到

ZTerm 1=5.8+1.5j

(2)

S11，S21分别为表征匹配网络的反射损耗和插入损耗。图2(b)是匹配网络的仿真结果，在1.25 MHz频率点时，S11=-35.328 dB，远远小于工业上要求的-15 dB，S21近似为0，匹配效果很好，满足预期要求[16，17]。

图2 匹配网络设计Fig 2 Design of matching network

2 仿真验证

鉴于匹配网络的加入，电路等效二端口模型中的S参数会发生改变，进而影响部分指标，本文为满足设计目标，需要对匹配网络中的分立器件予以参数验证和优化。由于ADS中没有对应管子的模型，本文采用一种ADS和Multisim联合仿真的方法。

设计电路的实际仿真图，如图3所示。选用IRFP2410作为MOS管，其中,射频线圈采用电感和电阻串联的模型，设置线圈电感L2=600 μH，线圈内阻R2=6 Ω；电感L3=3.3 μH，扼流线圈L4=100 μH；电容C1，C2，电感L1设为可调。为实现对MOS管的保护，电路设计中加入限流电阻R3(仿真时为11 Ω)，防止管子被击穿。XFG1是信号发射器产生1.25 MHz方波信号，XWM1为瓦特计1检测直流输入功率，XWM2为瓦特计2检测射频输出功率，XWM3为瓦特计3检测射频输入功率，XSC1为示波器，分别记录瓦特计测出直流输入功率P1，射频输出功率P2，射频输入功率P3。

图3 E类功放模型仿真图Fig 3 Simulation of E class power amplifier model

评价射频电源的性能主要分为以下3个指标：峰值电压、输出功率、功率附加效率(PAE)。其中,PAE是射频电源的一个重要指标，反映直流功率转化为射频功率的能力，定义为功放输出功率减去输入功率之差与电源提供的直流功率的比值[18]

(3)

式中 Pdc为直流输入功率，Pout为输出功率，Pin为输入功率。

使用Multisim对已设计的π型匹配网络分立器件进行参数优化。如图4、图5、图6所示，分别讨论了C1,C2,L1参数对PAE、输出功率、峰值电压的影响，发现C2参数对匹配网络最重要，对PAE、输出功率、峰值电压影响最大。

在最佳工作点的情况下，通过Multisim联合仿真，不同输出峰值电压所对应的输出效率，如表1所示。可以看出在输出高压射频的情况下，PAE基本超过60 %，且随着高压输出的提升，效率呈上升趋势。

3 结束语

本文设计了一种基于E类功放模型的射频电源，提出了一种ADS和Multisim联合仿真的方法，有效解决了在ADS中没有具体元部件模型的问题，仿真结果可以与实际应用相匹配。在Multisim仿真结果中，输出峰值电压为25.758 kV情况下，直流输入功耗小于180 W，PAE超过67 %。当前常规用于便携式质谱射频电压通常为5 kV以下，根据表1直流输入功耗为11.2 W以下，效率超过57 %。因此,新设计的基于E类功放射频电源具有功耗低、输出射频电压幅度高，可以较好地保证便携式质谱仪的低功耗需求，增加续航时间，满足质谱仪在不同领域样品检测的需要。

图4 电容C1值对PAE、输出功率、峰值电压的影响 (C2=5 600 pF,L1=100 μH)Fig 4 Effect of capacitance C1 value on PAE,output power and peak voltage(C2=5 600 pF,L1=100 μH)

图5 电容C2值对PAE、输出功率、峰值电压的影响 (C1=400 nF,L1=100 μH)Fig 5 Effect of capacitance C2 value on PAE,output power and peak voltage(C1=400 nF,L1=100 μH)

图6 电感值L1对PAE、输出功率、峰值电压的影响 (C1=400 nF,C2=5 600 pF)Fig 6 Effect of inductance value L1 on PAE,output power and peak voltage(C1=400 nF,C2=5 600 pF)

表1 输出峰值电压与PAE

[1] 史绵红，余晶京，刘静思，等.我国突发环境事件现场应急监测仪器技术现状及展望[J].化学通报，2015，78(5)：414-420.

[2] 陈晓明，李景明，李艳霞，等.电子鼻在食品工业中的应用研究进展[J].传感器与微系统，2006,25(4):8-11.

[3] 李 琦，邓一兵,黄 刚.小型离子阱技术及其航天应用进展[J].传感器与微系统，2006，25(4)：8-11.

[4] 李 凯，李 明，唐兴斌，等.直接数字频率合成技术在四极质谱仪射频电源中的应用[J].冶金分析，2014，34(2)：20-24.

[5] 徐福兴，王 亮，汪源源，等.栅网电极离子阱质量分析器的结构与性能[J].分析化学，2013，41(5)：781-786.

[6] 戴茂飞.脉冲调制射频磁控溅射电源的研制[D].武汉：中南民族大学，2012.

[7] Ouyang Zheng，Noll R J，Cooks R，et al.Miniature ion trap mass spectrometers[J].Analytical Biochemistry，2009，81(7)：2421-2425.

[8] Boumsellek S，Ferran R J.Trade-offs in miniature quadrupole designs[J].Journal of American Society Mass Spectrometry,2001，12(6)：633-640.

[9] 汪玉花，张竹青，李 成.便携式气质联用仪在环境污染事故应急监测中的一个应用实例[J].现代科学仪器，2011(4)：75-77.

[10] 李延录，安卫东，承学东,等.一种小型四极杆射频电源技术研究[J].分析仪器，2015(1)：11-17.

[11] 谢春光，郭长娟，王 姜，等.飞行时间质谱仪传输区射频电源的研制[J].分析测试学报，2012，31(8)：922-927.

[12] 李勤建，高翠琢，边国辉.微波功率放大器的热管散热设计[J].半导体技术，2012，37(8)：658-661.

[13] 高葆新，梁春广.高效率 E类放大器[J].半导体技术，2001，26(8)：44-48．

[14] 丘小辉，卢文成，毛行奎.E类放大电路的并联谐振电容分析[J].电气技术，2015(6)：52-56.

[15] 刘 岚，聂 丹.分立元件的匹配网络设计及仿真[J].信息技术，2004，28(4)：58-60.

[16] 黄秋元，董诗波.射频电路中匹配网络的设计和分析[J].武汉理工大学学报，2007，31(6)：1061-1063.

[17] 曹锋光，张德玲，王新兵，等.射频电源中的阻抗匹配研究[J].应用激光，2005，25(2)：101-103.

[18] 方智奇.E类及逆E类射频功率放大器的研究[D].南京：南京理工大学，2014.

孙明超(1990- )，男，浙江宁波人，硕士，研究方向为仪器仪表及电路与电子。

俞建成，通讯作者，E-mail:yujiancheng@nbu.edu.cn。

Design and optimization of RF power supply based on class E power amplifier massspectrum*

SUN Ming-chao1，YU Jian-cheng2，SHAO Qian-jun1，NING Zhi-qiang2，YU Li2

(1. School of Mechanical Engineering and Mechanics,Ningbo University， Ningbo 315211，China； 2.School of Information Science and Engineering， Ningbo University，Ningbo 315211，China)

When mass spectrometer is used in the field during a long time,the radio frequency(RF)power is required to work with low power consumption,high efficiency and wide range scanning voltage.To meet these requirements,design a kind of RF power supply based on class E power amplifier model.Based on ADS,design π type impedance matching network and by joint simulation of Multisim,matching network designed for parameter optimization,improve working efficiency.Compared with other RF power,the design using a single class E switching power amplifier is more simple,efficient as well as increasing RF scanning voltage.Besides,the design effectively broadens the scanning range of the mass number and strengthens the field detecting ability of mass spectrometer,thus owning broad prospect of application and practical significance.

class E amplifier； massspectrum； radio frequency(RF)power； impedance matching

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0109—04

2016—08—30

国家自然科学基金资助项目(61501273)；浙江省自然科学基金资助项目(LY16B050002)；宁波市自然科学基金资助项目(2014A610098)

TN 722

A

1000—9787(2016)11—0109—04