小型化可编程电泳仪电源设计

北京信息科技大学自动化学院，北京 100101

一、引言

凝胶电泳是一种广泛用于分子生物学、遗传学和生物化学的分析技术。微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程的技术。微流凝胶电泳就是在微流芯片内进行凝胶电泳。研究表明，在微流控芯片上进行凝胶电泳时，电泳电压并不是单一不变的，需要电泳仪电源在一定时间内分别变换不同的电压，才能在微流芯片上得到令人满意的凝胶电泳结果[1]，这种实验方式对电泳电源提出了新的要求。

目前，电泳装置主要包括电泳仪、电泳仪电源和电泳成像设备。其中，电泳仪电源一般为单路或多路输出的定时定压高压源，无法做到自动定时改变输出电压。在微流芯片凝胶电泳过程中，整个电泳时间缩短为1～2min，最小的电压持续时间为1.5s，使用传统的电泳仪电源无法完成这类电泳实验。

为解决此问题，本文研究了一种可对时间、电压混合编程的具有稳压功能的小型化电泳仪电源方案。由自激式推挽多谐振荡电路组成升压电路，由单片机输出多路控制信号实现对升压电路的灵活控制。

二、可编程电泳仪电源硬件设计

本电泳仪电源硬件设计的基本原理为：由单片机输出两路时间和占空比可控的PWM信号，通过PWM-电压转换电路转换为与占空比对应的电压，作为升压稳压电路的控制电压。升压稳压电路根据设定电压产生一个与控制电压比例固定的高压作为电源的输出。可编程稳压小型化电泳仪电泳的本质是对PWM控制信号进行时间-占空比编程。整体硬件方案如图1 所示。

1、PWM-模拟电压转换电路设计

PWM-模拟电压转换是一种D/A变换，由于转换后为电压输出的控制信号，电路需要有足够的精度和滤波能力。电路的设计如图2所示。设计其中的RC滤波电路时，应保证下式以得到较好的D/A变换结果：

其中，f0—RC电路的截止频率；

fPWM—PWM信号的频率。

2、升压稳压电路设计

微流芯片凝胶电泳过程中，电流范围大约为10～200mA，因此升压稳压电路并不需要有大电流的承载能力。

电泳符合Kohlaush公式[4]，即带电颗粒在电场中的泳动速度与介质黏度系数、颗粒半径成反比，与其所带电荷、电场强度成正比：

其中，v—泳动速度；

η—介质黏度系数；

γ—颗粒半径；

Q—带电颗粒所带电荷；

E—电场强度。

因此电场强度（电压）是影响电泳速度的重要因素。此外，电泳电源的稳压性是电泳电源的重要指标。

综合以上原因，本设计采用了以Royer升压电路为核心电路的升压稳压方案。方案的特点是器件少、体积小、效率高。方案如图3所示。

其中，PWMIC选用可靠性高、外接元件少的TL494芯片，TL494外接的电阻Rt和电容Ct确定了振荡器产生的锯齿波的频率：

TL494的误差放大器1接电压反馈信号和控制信号，死区时间控制脚接入缓启动电路。为了得到更高的驱动电流输出，将TL494内部的两个NPN管并联使用，两管的集电极并联接MOS管驱动电路，将输出控制接地以关闭双稳态触发器，此时，输出的频率和振荡器频率相同。

结合以上所述，当Vset电压变化时，在TL494的集电极输出端即可得一个变化的PWM波使得VFB与Vset达到一致，这是一个最基本的电压闭环负反馈系统。

DC-AC升压电路采用Royer电路，它是一种经典的自激推挽式DC-AC升压变换电路，其特点是器件少，体积小。但Royer电路本身存在缺陷，应用时应选用改进的电流反馈型Royer电路[2]。Royer电路的变压器设计是整个电路的关键。在设计变压器时，可以先计算参考值，再经实际验证做调整。

经过计算及实验，本设计在设计Vo=600V时，NP=25，Nb=6，Ns=1400。Vo为输出电压，NP为初级绕组匝数，Nb为辅助绕组匝数，Ns为次级绕组匝数。

AC-DC电路为全波整流电路，二极管选用反向恢复时间短的快恢复二极管，并考虑耐压值[3,5]。

电压反馈电路取高侧分压反馈，为保证反馈精度，分压电阻选用1%以上的高精电阻，并在后端带有一级跟随器，这是电压采样电路的常用接法，但应注意的是，为保证小电压信号下电压跟随的宽度，运放应选用轨到轨运放或双电源供电运放。

三、实验结果及分析

对电泳仪电源的性能测试包括一系列实验，其中，纹波系数和负载效应是影响微流芯片电泳质量的重要因素，因此对本设计分别进行纹波系数实验和负载效应实验。

1、纹波系数实验

实验方法：在输入电压为标称值，输出电压为额定值，输出电流为额定功率下最大值的50%时，读出交流电压表显示的交流分量有效值并按下式计算纹波系数：

其中，δU—纹波系数；

ΔU—交流分量；

U—设定电压；

在100V～200V范围内设定5个输出电压值，测量交流分量并计算纹波系数，实验结果如表1。

表1 纹波系数实验数据表

从以上实验结果可以看出纹波系数均小于1%，纹波系数随电压升高出现下降的趋势，说明本设计符合电泳仪电源的要求，且在电压较高时纹波系数更小。

2、负载效应试验

实验方法：在输入电压相对于标称值升高10%，输出电压为额定值和输出电流为额定功率下最大值的50%时，测出输出电压Uo1，改变负载电阻使输出电流在额定功率下最大值的50%和30%之间阶跃变化，在达到稳态后的10s内测出输出电压Uo2。按下式计算电源的负载效应：

其中，K—负载效应系数；

Uo1—改变负载前的输出电压；

Uo2—改变负载后的输出电压；

在0～200V范围内设定5个输出电压值，测量Uo1、Uo2并计算负载效应，实验结果如表2所示。

表2 负载效应实验数据表

以上实验结果表明，本电源设计在作为电泳仪电源时，具有很好的负载效应。由于在不同的电泳试验中，琼脂糖凝胶的厚度和缓冲液的浓度和体积不尽相同，电泳仪电源的负载电阻变化很大。本设计方案较低的负载效应能够保证在不同的电泳实验中都能起到较好的供电作用。

四、结束语

本文详细阐述了一种可对时间和电压混合编程的电泳仪电源硬件设计方案，其中，由PWMIC，改进的Royer电路和全桥整流电路所组成的升压DC-DC变换器实现了电泳仪电源的基本功能；由单片机输出PWM信号作为控制信号实现了对电源输出的时间和电压的混合编程。实验证明，本文所设计并制作的电泳仪电源对传统的电泳仪电源进行了改进，能够满足微流芯片凝胶电泳实验的需求。