压电驱动无针注射器脉冲电源设计*

梁 莉， 董义奎， 张铁民

(华南农业大学工程学院 广州，510642)

引 言

无针注射用于疫苗注射，可以消除针刺带来的感染，大幅降低疫病发生，缩短注射时间，减少创伤，提高注射效率和疫苗的吸收率，世界卫生组织呼吁大力发展无针注射技术。无针注射的动力驱动直接影响到注射效果，以压电陶瓷作为动力很容易进行通断控制，反应灵敏，可以有效控制注射深度。压电陶瓷驱动电源分为电流型和电压型。电流型驱动电源可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变，但是电路比较复杂，充电电流小，响应时间长。电压型驱动电源功耗小、效率高，但是电源输出纹波较大，频响范围较窄[1-4]。

根据压电驱动的无针注射需求，采用PWM控制技术设计组合式脉冲电源，输出0～400 V 电压幅值和频率可调的小电流连续的瞬时高压脉冲信号，输出信号稳定可靠，以精确控制注射用药量。

1 驱动电源主电路设计

由电池提供12 V的直流电压，通过Buck与推挽电路级联电路升压后整流滤波输出0～400 V 直流可调电压，经过全桥逆变电路输出脉冲电压。微处理器的输出经过光耦驱动为Buck与推挽级联电路和全桥逆变电路提供驱动控制信号，反馈电路对输出电压进行校正，系统主电路组成如图1所示。

图1 驱动控制系统硬件结构框图Fig.1 Drive control system block diagram

2 硬件电路设计

2.1 基于推挽电路的脉冲电源电路

基于推挽电路的脉冲电源由Buck电路、推挽电路、整流滤波和反馈电路组成，如图2所示。

图2 基于推挽电路的脉冲电源电路原理图Fig.2 The power supply circuit principle diagram of push-pull circuit based on pulse

2.1.1 Buck与推挽级联电路

Buck与推挽级联电路由MOS管、二极管、电感、电容和变压器组成。12 V的直流输入通过调节MOS管T1占空比控制Buck电路输出0～12 V直流电压，Buck输出电压作为推挽电路的输入电压(即Vi2=0～12 V )。由于推挽电路互补，为避免两个开关管同时导通，所以两个MOS管T2和T3的占空比0<α<50%。T2和T3断态时承受的峰值电压均为两倍的Vi2，并且还要留有裕量，同时考虑无针注射功率较小，Buck输出电流不超过2 A。为此，选用MOS管选择型号为FU120，同理，T1也选用FU120[5]。

2.1.2 整流滤波电路

整流电路是由4个整流二极管组成全桥整流，因为输出最高电压U0在400 V左右，经过整流桥反向电压为

(1)

留一定的裕量，取UR≥600 V，而DB107能承受的最大反向电压为1 kV，完全满足要求。滤波电容C2为电解电容且电容值为22 μF/630 V。

2.1.3 全桥逆变电路设计

全桥逆变电路由4个MOS管构成H桥，如图3所示，通过PWM控制开关管(T4～T7)的通断，实现单/双相之间的转换，其中：HDC为直流输入正极；LDC为直流输入负极。

图3 全桥逆变电路Fig.3 Full-bridge inverted circuit

MOS管在开关过程中会产生瞬态冲击高压，为了减少产生的电压应力，采用了RCD(电阻Rs、电容Cs和二极管VDs的英文首字母)缓冲电路对其进行保护。由于电路工作在较高频状态，因此选用玻璃钝化的超快速二极管BYV26D快速恢复，电容C3使绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, 简称IGBT)电压在tf时间内快速上升到2VHDC。

(2)

其中：IP为全桥逆变电路的输入电流；tf为IGBT电流从初始值下降到零的时间；VHDC为输入电压，经计算电容取220 pF。

存储在电容中的大部分电量被电阻消耗，为避免电容饱和，在下一个关断前要求电容剩余的电量不得超过所充电荷的5%，因此选择电阻为30 Ω[6-8]。

2.2 光耦驱动电路设计

2.2.1 Buck驱动电路

如图4所示，通过TLP251给Buck电路的MOS管T1加入驱动信号。STM32的2号引脚给TLP251输入PWM1， TLP251的6号引脚提供给MOS管T1，驱动MOS管T1的开关。R10为栅极电阻，取值在10～30 Ω之间，如果过高会导致上升时间很长，过低会导致过阻尼，故取中间值R10=20 Ω，R2为MOS管的栅极保护电阻，用来调节开关速度，减少栅极出现振铃现象。减小EMI可对栅极电容充放电起限流作用，减慢开关速度保证了栅极稳定，取值20 kΩ，R11为限流电阻，取R11=1 kΩ。

图4 Buck电路驱动电路Fig.4 Buck circuit drive circuit

2.2.2 推挽和全桥驱动电路

如图5所示，采用具有自举功能的NCP5181作为推挽电路和全桥电路的驱动器，控制MOS管的开关，NCP5181为一款相互独立的互补输出芯片，其1号和2号引脚接受输入信号，4号和7号引脚是作为输出，C7为自举电容，用作抬升电压，取值为0.1 μF；D8为续流二极管，选择高速开关管FR107；D6和D7加速MOS管的放电，选择1N4148；电阻R12和R13为栅极电阻，取值均为20 Ω。

图5 推挽和全桥驱动电路Fig.5 Push-pull and full-bridge drive circuit

2.3 反馈电路设计

如图6所示，V0为输出电压，VCC为芯片供电电压，采样电路R19的取值要考虑：a. TL431参考输入端的电流一般为2 μA左右，为了避免此端电流影响分压比和噪音的影响，一般取流过电阻R19的电流为参考段电流的100倍以上，所以此电阻要小于2.5 V/200 μA=12.5 kΩ； b.待机功耗在满足小于12.5 kΩ的情况下尽量取大值[6, 9]。这里采用滑动变阻器R18和R19根据需要进行适当的调节。

由于TLP431的死区电流为1 mA，也就是R15的电流接近于零时，也要保证TLP431有1 mA，所以R16≤V0/1 mA,R14取1 kΩ，补偿电路电容C9=0.02 μF[5, 8-9]。

图6 反馈电路Fig.6 Feedback circuit

3 驱动电源软件设计

3.1 总体软件设计

采用STM32F103ZX作为控制芯片，系统的软件结构框图如图7所示。TIM1和TIM8输出2路PWM，TIM2输出1路PWM。

图7 软件结构框图Fig.7 Software block diagram

系统上电后，首先进行系统初始化，开启中断服务函数；并进行开机检测是否正常，若正常则启动脉冲电源，否则进入异常处理[10]；对压电陶瓷形变进行控制，若无针注射量实验值与理论值相等，工作正常，若无针注射量的实验值与理论值存在偏差，工作不正常，马上结束程序。实时判断系统工作是否在正常状态，若不正常则进入异常处理，以保证系统安全，系统总体软件控制流程图如图8所示。实验注射量是每次注射用量筒测得，理论注射量=压电陶瓷的变形量*安瓿的横截面积。

图8 控制系统软件程序框图Fig.8 Control system software block diagram

3.2 PWM信号设计

采用STM32F103ZX的定时器TIM1和TIM8，输出两路互补PWM，控制NCP5181分别驱动推挽和全桥逆变电路。通用定时器TIM2输出一路PWM,，控制TLP251驱动Buck电路，用示波器测得TIM1和TIM8的互补输出波形如图9所示。图中横坐标表示时间/μs，纵坐标表示电压/V。TIM2通过按键调节占空比，一次输入加10%或者减10%，呈梯形加减，得到α=40%，α=50%，α=60 %和α=70% 4个输出波形，如图10所示。图中横坐标表示时间/μs，纵坐标表示电压/V。

图9 互补输出Fig.9 Complementary output

图10 Buck电路PWM输入波形图Fig.10 PWM input waveform of the Buck circuit

4 实验分析

实物图如图11所示。其中：直流电源提供12 V直流电；Buck与推挽级联电路和整流滤波电路产生0～400 V可调直流电；全桥逆变电路将直流电转换成交流电输出；7805稳压芯片给芯片供电；STM32输出PWM调控输出；示波器测试输出波形；万用表测输出电压，实时观测比较。

4.1 输出波形

4.1.1 调幅输出波形

调节Buck电路的占空比a，得到不同的输出电压U0，用示波器测其输出的脉冲波形，取a=10%，a=30%，a=60%和a=90%，如图12所示。

图11 实物图Fig.11 Physical diagram

4.1.2 调频和调占空比输出波形

如图13所示，取3种波形的占空比都为50%，频率分别为100，300和500 Hz。频率不同，单位时间内3个脉冲产生高电平的次数明显不同。

图12 电路输出波形Fig.12 Circuit output waveform

图13 调频波形图Fig.13 FM waveform cycle waveform

如图14所示，波形A是频率为50 Hz、占空比为50%的方波，波形B是频率为100 Hz、占空比为50%的方波，波形C是频率为100 Hz、占空比为80%的方波。比较波形A和波形B，占空比一定时频率增加了一倍，周期t为原来的一半，相同的周期t内，高电平触发的次数增加了一倍。比较波形B和波形C，频率一定时高电平触发的次数相同，但是占空比越大，每次触发时间越长。

图14 调占空比波形图Fig.14 Adjust the duty

4.2 实验数据

通过实验分别测得推挽电路占空比变化时对应的脉冲输出、脉冲电源输出频率与脉冲数脉冲宽度的关系和通过调节Buck电路得到最终脉冲电压输出数据。

4.2.1 推挽电路输出

通过死区调节推挽电路, 占空比从5%到45%，以5%为间隔，10 V直流输入，得到相应的电压输出如表1所示。

表1 推挽输出

Tab.1 Push-pull output

推挽占空比/%51015202530354045电压输出/V364362360360360360344340340

4.2.2 脉冲电源输出频率

为防止两个管子同时导通，导致瞬间短路，烧毁MOS管，选定输出占空比α为45%, 小于50%,输出频率为F1时的脉冲数为1个，通过程序控制全桥电路输出频率，即脉冲电源的输出频率来实现改变输出脉冲数，输出脉冲宽度和输出脉冲数为

(3)

(4)

其中：Dn为第n次输出脉冲宽度；α为输出占空比；Fn为第n次输出频率；Nn为第n次输出脉冲数。

4.2.3 脉冲电源输出幅值

推挽电路占空比为30%时，实验测得Buck电路占空比取10%，20%，…，90%等9组，以10%递增的输出电压U0的相关数据如表2所示。

表2 脉冲输出

4.3 相关曲线

根据表2数据，当推挽电路的占空比一定时，得到Buck电路占空比与输出电压量之间的关系曲线如图15所示。通过SPSS统计分析软件进行回归线性分析得R2=0.999。

图15 Buck电路占空比与输出电压的关系曲线Fig.15 Buck circuit duty cycle and the output voltage of the curve

5 结 论

1) 设计了新型脉冲电源用来驱动压电动力的无针注射器，该脉冲电源可提供不同幅值、不同频率的脉冲动力源，且体积小，结构简单。

2) 输入12 V直流电，通过Buck与推挽电路的级联电路输出0～400 V可调的直流电，经过全桥逆变电路，最终输出幅值和频率可调的脉冲电。

3) 通过调节输出频率和占空比，改变输出波形的周期和导通时间，不仅提高输出效率，而且更加精确实现对无针注射器流量精准控制。