六级杆离子传输系统射频电源控制设计

任标，张超凡，贺飞耀，赵世平

(四川大学 a. 制造科学与工程学院; b. 生命科学学院，四川 成都 610065)

0 引言

质谱仪具有高灵敏度、快速、微量和可靠等优点，在生命科学、食品安全和环境检测等领域应用广泛[1-4]。在质谱仪器中，多级杆离子传输是较为成熟的技术，其中包括四级杆、六级杆和八级杆[5-7]。射频六级杆实物图如图1所示。射频电源对六级杆传输至关重要，本文射频六级杆离子传输对电源频率要求为1～6MHz，幅值≥900V。对比发现商用射频电源具有体积庞大、价格高昂、输出阻抗不易更改等缺点，不能满足射频六级杆对电源特殊的要求。在国内，李延录等[1-2]对四级杆射频电源在2.7648MHz输出电压为2568V时，采用模拟闭环控制以稳定输出电压，其缺点是调试复杂；使用直流DC±215V供电，对供电要求较高。李凯等[8]对四级质谱仪射频电源控制采用ARM和FPGA完成控制和数据采集，以减小系统体积和功耗并提高数据采集速度，其缺点是设计成本较高，不利于商品化。谢春光等[1,4]研制出飞行时间质谱仪传输区射频电源可调频率为150～900kHz和1～2MHz。输出频率和电压通过电位器调节并使用开环控制，其缺点是没有实现自动调节并对使用环境要求较高。张龙[9]研制离子阱射频电源通过调节PWM来改变供电电压，以达到调节和稳定输出电压，但需要独立设计供电电路。为满足六级杆对射频电压和频率要求，采用AB类射频推挽功放拓宽频率范围和提高功率并采用闭环控制稳定输出电压。

图1 射频六级杆实物图

1 射频电源控制原理

射频电源控制原理图如图2所示，本文采用直接频率合成器(direct digital synthesizer，DDS)作为射频信号源并通过模拟乘法器与数模转换器相乘来自动调整射频信号幅值和频率。首先，射频信号通过宽频运算放大器输出一定功率射频信号，然后通过末级AB类射频功放进一步提高输出功率，最后通过升压变压器输出高压射频电压用于射频六级杆离子传输。为了提高射频电源输出稳定性，采用负反馈闭环控制。控制器采用某公司STM32F103C8T6作为主控芯片，模数转换器实时采集射频输出电压并与设定电压比较，自动调节提高射频电源输出稳定性。射频电源实物图如图3所示。

图2 射频电源控制框图

图3 射频电源实物图

1.1 射频电源幅值自动调节模块

本文通过乘法器实现射频电源幅值和频率的自动调节。通过DDS和ADC生成不同频率和幅值信号，然后通过乘法器相乘实现输出频率和电压可调射频信号源用于自动调节射频电源输出。幅值自动调节原理框图如图4所示。

图4 幅值自动调节原理框图

DDS采用某公司生产的AD9835,最高时钟频率为50MHz，当AD9835采用25MHz时钟时，输出频率范围0～12.5MHz，分辨率为0.00582Hz。为了提高输出频率稳定性，采用25MHz有源晶振。DAC8562是16位高精度数模转换器，精度为4 LSB，内部具有4ppm /℃、 2.5V参考电压，可以配置为0～5V输出用于对射频输出电压准确设定。控制器可以通过改变幅值给定电压改变射频输出电压。MPY634是一款宽带、高精度、四象限模拟乘法器，最高带宽10MHz。允许用户配置乘法器、平方电路、倍频器和其他功能电路，同时保持±0.5 %高精度。控制器可以通过改变幅值给定电压改变射频输出电压。

1.2 射频功率放大模块

射频信号源输出信号十分微弱，需要多级功率放大才能输出足够大功率。本文首先通过高速缓冲器放大然后由AB类推挽再次放大。最后通过升压变压器提高射频输出电压。如图5所示，BUF634是一款高速开环单位增益缓冲器，具有2000V/μs压摆率和30MHz带宽，最大输出电流250mA，宽供电范围(±2.25V～±18V)，满足射频信号源放大要求。

图5 初级功率放大电路

在电源设计中为提高输出效率多采用推挽结构。射频功率放大器采用AB类推挽放大电路。AB类推挽结构具有良好的线性度和较高的输出电路效率。如图6所示，Q1、Q2采用HEXFET功率场效应管IRF640。其主要电路参数为：Vds=200V，Id=17A，Pd=200V，供电电压为150V，工作频率30MHz，输出功率150W。本设计射频电源供电15V，工作频率1～6MHz， T1是输入耦合变压器，T2是输出耦合变压器，T3是两路输出变压器和检测线圈。电感 L2是高频扼流电感，电容C13、C14为滤波电容。

图6 AB类功率放大电路

1.3 射频电源幅值检测模块

射频电源幅值检测是闭环控制重要环节，其精度直接影响其控制精度。射频电源幅值检测模块如图7所示。首先由检测线圈检测出六级杆上交流信号，然后通过整流电路输出直流信号，最后通过高精度模数转换器检测直流信号并送ARM控制器做处理。本文模数转换器采用ADS8689高精度模数转换器。ADS8689是16位、100ksps，内部集成低温漂4.096V参考源，输入电压配置为0～12.288V，以提高检测精度。

图7 射检波电路原理图

检波电路如图8所示，检波线圈输出信号经电容C6滤除直流成分，二极管D1向电容C9充电直至最大电压，二极管截止时，电容C9缓慢放电，模数转换器通过采集电容C9电压来反映射频输出电压。考虑到射频输出频率1～6MHz，采用反向恢复时间短的1N4148。

图8 射检波电路原理图

1.4 射频电源通信模块

本射频电源通过串口与用户计算机通信来设置射频输出电压和频率。串口通信波特率采用115 200，数据位8位，停止位1位。本文采用某公司MAX232 RS-232收发器。该芯片采用3.3V供电，电流低至10nA，速度高达1Mbps。电路设计如图9所示，串口调试界面如图10所示。

图9 串口通信原理图

图10 串口调试界面

2 射频电源控制软件设计

射频电源软件设计采用C语言编写，主要内容包括各芯片初始化程序、输出频率和电压设置程序、射频输出峰峰值检测程序和PID控制程序等组成。射频电源控制软件流程图如图11所示。

图11 射频电源程序流程图

在多数电源设计中为提高电压稳定性采用PID控制。本文为了提高射频电源输出稳定，采用增量式PID控制。增量式PID控制表达式推导如式(1)-式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

其中：kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；T为采样周期；ek为控制输入；uk为控制输出。经过优化确定kp=5时，射频电源控制效果满足设计要求。

3 实验结果与分析

3.1 射频电源峰峰值和对称性测试

如图12-图14所示，固定DDS信号源输入频率并调节幅值给定电压，从六级杆两组电极上测得射频的电压峰峰值。从图中可以看出共振频率点在1.420MHz、3.086MHz、5.347MHz时峰峰值分别为2020V、1960V、928V，满足射频六级杆对电源输出相位要求。

图12 射频电源1.420 MHz输出电压波形

图13 射频电源3.086 MHz输出电压波形

图14 射频电源5.347 MHz输出电压波形

3.2 射频电源频率输出特性测试

射频电源频率输出特性表明频率对输出电压的影响，本实验通过改变电感参数来设置不同谐振频率。如图15所示，谐振频率于1.420MHz、3.086MHz、5.347MHz时峰峰值分别为2020V、1960V、928V。实验中可看出频率改变使输出电压值急速下降，射频电源只有工作在谐振点才能达到最大电压输出。

图15 射频电源输出频率特性

3.3 射频电源稳定性测试

射频电源稳定性是在可靠散热(散热片面积为15cm×12cm，风扇功率为10W)和电路良好屏蔽(采用金属铝盒屏蔽)条件下测试，测试时间为连续15h。在3.094MHz测得电压和频率稳定性分别为0.44%和0.096%(图16)。本设计满足射频六级杆对稳定性要求。

图16 射频电源稳定性测试

4 结语

本文设计一种基于AB类推挽功放结构射频线性电源。通过串口通信设定射频输出频率和电压并通过增量式PID控制以提高输出电压稳定性。实验测得在3.094MHz时测得电压和频率稳定性分别为0.44%和0.096%；在1.420MHz、3.086MHz、5.347MHz时峰峰值分别为2020V、1960V、928V，满足六级杆对射频电源要求。射频电源已用于六级杆实验中并稳定运行。