微网雾化器的电路设计与试验

朱庭旺， 任晓明， 庄文健， 陈 坚

(1.上海电机学院 电气学院, 上海 201306;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240)

当今微网雾化器由于其雾化颗粒粒径小、雾化速率适中等优点，日益成为治疗呼吸道等疾病的一款优秀产品。微网雾化器的工作原理是，在压电陶瓷片受到交流电压的激励之后，当交流电压的频率达到陶瓷片的谐振频率，压电陶瓷片因逆电压而产生变形，往复振动，进一步产生雾化。目前，对于雾化片的研究主要集中在雾化片的参数测试和参数特性上。如通过大信号阻抗测量来研究雾化片的器件特性，运用阻抗测量数据提取雾化片等效电路模型参数[1]。文献[2]对雾化片工作时的参数特性进行了研究，指出雾化器装置的谐振频率在100 h以下的持续运行中基本保持不变。雾化器性能指标的影响因素、雾化特点也得到了研究者的关注。文献[3-4]对雾化片孔的几何参数、谐振频率和雾化液滴粒径的关系进行了研究。文献[5-6]使用照相分析测量超声雾化器中的液滴尺寸分布。文献[7-9]对超声波基板振动的液滴雾化特点进行了分析。一些学者对雾化片和雾化喷头进行了有限元仿真，如雾化片的参数优化设计[10]，超声雾化喷头的有限元仿真[11-12]。文献[13]设计了一种低频超声雾化喷头驱动电源。然而对雾化片驱动电路的优化设计，以及如何确定雾化片的最佳驱动频率的相关研究较少。本文设计了压电陶瓷雾化片工作所需的各种电路，并通过Multisim软件仿真，配置升压振荡电路等元器件参数，比较不同元器件取不同值时对应的雾化片两端电压值、效率(雾化片两端的输出功率/升压振荡电路输入功率)。在仿真的基础上搭建实验，验证设计的雾化器各电路与各元器件参数的可行性，并运用扫频程序与追频检测电路确定(110±5)kHz雾化片的最佳驱动频率为110 kHz。通过对雾化颗粒粒径、雾化速率的检测，可验证驱动(110±5)kHz雾化片的合适谐振频率为110 kHz。

1 设计方案

1.1 压电陶瓷片电学模型

工作在谐振频率下的压电陶瓷片电学模型如图1所示。L1、C1、R1分别为雾化片的动态电感、动态电容和动态电阻，C2为雾化片的静态电容。

图1 压电陶瓷片电学模型

由理论可知，L1与C1的串联支路谐振频率为

(1)

雾化片的输出频率应和串联支路谐振频率fs相同[9]，此时串联支路输出有功功率最大。为实现这一目标，需要使驱动电路的频率等于串联支路谐振频率。

1.2 仿真电路原理及元件参数设置

通过压电陶瓷片电学模型，L1、C1和R1的值可以根据雾化片的谐振频率来确定，即L1和C1组合成模型的谐振频率等于雾化片谐振频率，C2通过LCR分析仪测得为2.2 nF。选择的雾化片的出厂参数谐振频率为(110±5)kHz，仿真模型中L1、C1、R1的参数通过文献[1]的测试方法确定。通过Multisim仿真软件，搭建了包含雾化片等效电路的升压振荡电路仿真模型如图2所示。电容C3的作用是防止直流电压加在雾化片两端，对雾化片造成破坏。通过调节电容C3和C4，可调节雾化片的输出雾量。R3、C6构成追频电路，当雾化片工作在最佳谐振频率时，追频电路检测到的电压值最大。PWM波控制场效应管Q1的开断，当Q1导通时，电流通过L2、Q1、R2、L2进行储能。当Q1关闭时，L2储存的能量进行释放，电流流入雾化片进行储能。当Q1再导通时，电流通过L2、Q1、R2、L2进行储能；同时雾化片储存的能量开始反向通过Q1和R2进行能量释放。当Q1再关闭时，L2储存的能量进行释放，电流流入雾化片再次进行储能。该电路通过以上电路原理便能将输入电压的值进行升压使雾化片工作。通过升压振荡电路的各元器件参数的选取，得到元器件不同参数所对应的雾化片两端输出电压峰峰值、效率。仿真电路两个瓦特表分别测得升压振荡电路输入功率和雾化片两端的输出功率。雾化片两端的输出功率和升压振荡电路输入功率的比值便是效率的大小。

图2 升压振荡电路仿真模型

经过分析计算，本文PWM波的最佳占空比为0.5，因此，仿真涉及的PWM波占空比都设置为0.5。该雾化片出厂参数的谐振频率为(110±5)kHz，因此仿真中的PWM波频率设置为105～115 kHz，每1 kHz递增进行仿真。首先确定提供给升压振荡电路的电压值，根据雾化片可在交流电压峰峰值50～80 V范围内进行雾化，通过3种具有代表性输入电压值进行仿真。图3所示为3种不同输入电压值对应的雾化片在PWM波频率为105～115 kHz作用下的两端电压峰峰值、效率关系图。

由图3可知，当输入电压为20.4 V时即可满足雾化片工作要求，当驱动频率在110～111 kHz时电路的效率较好。通过仿真，电容C4取1、0.1、0.01 μF中的0.01 μF时，雾化片等效电路两端输出的电压波形才稳定，其他值得到的波形不稳定，因此，C4选择0.01 μF。电感的估值为

图3 不同输入电压时频率和电压峰峰值、效率的关系

(2)

式中：Ui为输入电压;D为占空比;f为驱动频率;Io为升压振荡电路的输出电流。通过对维持雾化片工作所需要的输出电流大小的估计，并代入式(2)得到电感的取值在110～330 μH之间。接着对电感L2进行确定，图4为3种电感值在PWM波频率为105～115 kHz作用下的输出电压峰峰值、效率。

由图4可知，当L2为110 μH时，其电压峰峰值和效率更符合要求。图5所示为电容C3取不同值时在PWM波频率为105～115 kHz作用下对应的输出电压峰峰值、效率。由图5可知，当电容值取0.1 μF时更符合雾化片工作所需条件。

图4 不同输入电感时频率和电压峰峰值、效率的关系

图5 电容C3取不同值时频率和电压峰峰值、效率的关系

当电感L2取110 μH，电容C3取0.1 μF，C4取0.01 μF，在驱动频率105～115 kHz作用下，追频电路检测到的电压值如图6所示。根据在不同驱动频率时追频电路检测的电压值可初步估计，雾化片在110 kHz的驱动频率下工作效果较好。

图6 不同驱动频率时追频电路检测的电压值

1.3 硬件电路系统设计

硬件电路结构框图如图7所示。5 V直流电压通过锂电池充电电路为锂电池充电，锂电池输出电压通过升压电路以及升压振荡电路得到雾化片工作所需要的交流电压。稳压电路为MCU控制电路提供工作电压。由发光二极管构成的显示电路可以反映雾化器的工作和充电等状态。水位检测电路可通过雾化喷头的检测电极得到有水和无水时的不同电压信号。MCU控制电路可提供升压振荡电路所需的PWM波、检测锂电池充电状态及水位检测等功能。

图7 硬件电路结构框图

1.4 软件设计

软件设计中需要实现雾化片工作的智能控制，单片机需控制充电电路的状态显示、锂电池电压状态监测、水位检测电路的控制等。软件设计流程如图8所示。

图8 软件设计流程

2 实物制作与测试结果

搭建硬件电路测试实物如图9所示，实际升压振荡电路的电感与仿真确定的参数保持一致，L2取110 μH，C3取0.1 μF，C4取0.01 μF。编写扫频程序，根据追频检测电路来确定雾化片的最佳谐振频率。追频检测电路得到(110±5)kHz的雾化片的最佳谐振频率为110 kHz，此时雾化片两端的输出电压波形如图10所示。

图9 雾化器样机制作

图10 驱动频率110 kHz下雾化片输出电压波形

雾化器性能优劣的2个衡量指标是雾化颗粒粒径和雾化速率，雾化颗粒粒径小于5 μm的占比值，且雾化速率越大，则代表雾化器性能越好[4]。因此，通过Winner311XP激光粒度仪对颗粒粒径进行检测，X50为雾化所得雾滴累计分布达到50%时的粒径大小，小于此粒径的雾滴体积总量恰好占全部雾滴的50%。小于5 μm占比的大小可以通过激光粒度仪检测分析报告得到。雾化速率通过3 min内雾化器的雾化量与时间的比值获得。105～115 kHz频率下雾化器的X50值与低于5 μm的占比值、雾化器的雾化速率如图11所示。

图11 不同频率下雾化器的X50值与低于5 μm的占比值、雾化器的雾化速率

由图11可知，频率为110 kHz时雾化器粒径低于5 μm的占比达67.97%，高于其他驱动频率对应的雾化粒径低于5 μm的占比值，且其雾化速率达0.39 mL/min。通过颗粒粒径和雾化速率检测，证实了驱动频率为110 kHz时，雾化片的工作效果最好。

3 结 论

通过使雾化片高效工作的各电路设计，在雾化片谐振等效电路的基础上，运用Multisim软件对升压振荡电路输入电压、电感、电容的不同取值进行仿真，得出各参数不同取值所对应的雾化片在不同驱动频率下的两端电压值、效率值，以仿真的追频检测电路初步确定雾化片的谐振频率。通过硬件电路的调试，其结果可以验证仿真电路和元件各参数的正确性，编写的追频检测电路程序可确定雾化片的最佳驱动频率。通过对雾化颗粒粒径、雾化速率的检测，证实了驱动(110±5)kHz雾化片工作的谐振频率为110 kHz时输出效果最佳。在该频率驱动下，雾化器输出颗粒粒径低于5 μm的占比为67.97%，雾化速率为0.39 mL/min。