DNA分析儀高壓電源紋波與噪聲的測(cè)量

崔海濤 金川 公安部第一研究所

引言

直流高壓電源為DNA分析儀樣品進(jìn)樣和毛細(xì)管陣列電泳分離提供驅(qū)動(dòng)力，是DNA分析儀的核心部件。大多數(shù)毛細(xì)管陣列電泳分離采用恒壓操作模式[1]，高穩(wěn)定度的電壓是獲得遷移時(shí)間重現(xiàn)性的必要條件，高壓電源輸出電壓附著的紋波與噪聲對(duì)電泳分離的精度、準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性有著決定性的影響，重現(xiàn)性是DNA分析儀進(jìn)行定性鑒別的基礎(chǔ)。

理解高壓電源紋波與噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，了解紋波電壓、紋波系數(shù)的定義，掌握高壓電源紋波與噪聲的測(cè)量方法，對(duì)篩選滿足要求的高壓電源至關(guān)重要，也有助于高壓電源設(shè)計(jì)時(shí)有針對(duì)性地改進(jìn)紋波與噪聲抑制電路，從源頭上抑制紋波與噪聲的產(chǎn)生。

一、紋波與噪聲產(chǎn)生機(jī)理

直流電源一般有線性電源和開關(guān)電源兩種，線性電源一般不用在升壓狀態(tài)。DNA分析儀所用直流電源需要 0 ～20kV DC之間連續(xù)可調(diào)，要求體積小、重量輕、高可靠、低紋波，一般基于開關(guān)電源原理，采用高壓諧振逆變技術(shù)結(jié)合具體的高壓控制要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)，這就必然會(huì)產(chǎn)生紋波和噪聲的干擾。

紋波可以用數(shù)字示波器觀察到，它附著于直流分量上，并圍繞直流上下輕微波動(dòng)，如同水平面上水紋的波動(dòng)，所以稱為紋波。紋波產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，分為低頻紋波、高頻紋波和倍壓電路產(chǎn)生的紋波。紋波一般呈現(xiàn)周期性，不同電源的紋波波形是不一樣的，紋波不可能完全消除，但是可以采取措施抑制到盡量小。

噪聲有共模噪聲、超高頻諧波噪聲、閉環(huán)控制導(dǎo)致的噪聲等。如電源內(nèi)部的導(dǎo)線、功率器件與變壓器初、次級(jí)線圈和散熱片之間的寄生電容都會(huì)在輸出端產(chǎn)生共模噪聲；高頻整流二極管反向恢復(fù)、功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)、線路中的寄生電感發(fā)生諧振都會(huì)產(chǎn)生超高頻諧波噪聲；閉環(huán)控制的元器件參數(shù)不合適、輸出端負(fù)載變化則會(huì)產(chǎn)生閉環(huán)控制噪聲。噪聲也是無(wú)法避免的，但分清楚原因，有針對(duì)性地采取措施可以減小噪聲。

通常在對(duì)高壓電源進(jìn)行測(cè)量時(shí)無(wú)法嚴(yán)格分別測(cè)量紋波電壓與噪聲，也沒(méi)有必要刻意把它們分開，需要關(guān)注的是二者的共同作用對(duì)毛細(xì)管陣列電泳結(jié)果的影響，因此測(cè)量的是電源輸出端紋波和噪聲二者的合成干擾。通常將紋波與噪聲合起來(lái)稱為脈動(dòng)電壓，用δU表示，表達(dá)式為：

Up為 負(fù)載兩端加載的平均直流高壓值，Ip為負(fù)載平均電流值，RL為 負(fù)載電阻值，fc為 脈動(dòng)電壓頻率。δU與Up的比值被稱為脈動(dòng)系數(shù)，用S表示，即：

在毛細(xì)管陣列電泳過(guò)程中，要求在額定電壓下S≤0.02%，所需的高壓源額定輸出電壓為-20kV，則脈動(dòng)電壓值應(yīng)該不大于4V。

二、測(cè)量方法

由于高壓電源額定輸出電壓超過(guò)了普通測(cè)試儀器（如萬(wàn)用表、數(shù)字示波器）的測(cè)量上限，必須采用間接測(cè)量的方式。高壓直流分量一般先經(jīng)過(guò)高壓衰減探頭的衰減，然后接入數(shù)字示波器測(cè)量，但是脈動(dòng)電壓不能這樣測(cè)量，因?yàn)槊}動(dòng)電壓波形經(jīng)過(guò)變頻（中頻）平滑處理后其脈動(dòng)峰值比直流電壓平均值要小得多，經(jīng)過(guò)高壓衰減探頭衰減后脈動(dòng)電壓基本被高壓直流分量淹沒(méi)，因此要準(zhǔn)確測(cè)量并非一件容易的事。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，嘗試了各種不同的測(cè)量方法[3,4]，如分壓器測(cè)量、脈動(dòng)電流整流法及電容電阻法等，這些測(cè)試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)測(cè)試方法的要求是不能引起測(cè)試波形的失真、畸變，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，C-R阻容法仍然被認(rèn)為是目前最好的測(cè)量方法[5]，但是用此方法做到準(zhǔn)確測(cè)量，必須在具體電路設(shè)計(jì)時(shí)注意許多特別的細(xì)節(jié)。

C-R阻容法測(cè)量原理如圖2所示。從理論上說(shuō)，如果想得到最理想的脈動(dòng)電壓波形，則隔值電容C相對(duì)高壓直流分量可視為開路、相對(duì)脈動(dòng)電壓視為短路，即高壓直流分量都降落在C上，而脈動(dòng)電壓全部降落在取樣電阻R上，數(shù)字示波器就可以直接測(cè)量R兩端的電壓波形了。對(duì)圖2中C和R組成的分壓電路，其分壓比對(duì)直流而言為零，對(duì)角頻率為ω的脈動(dòng)電壓，分壓比為：

若C上無(wú)脈動(dòng)壓降，則：

即

代入（3）式

在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)要使（6）式成立，必須

通過(guò)調(diào)整R或C的值可以滿足（7）式的要求。

隔值電容C與示波器探頭線纜、示波器入口電容、示波器輸入電阻串聯(lián)在一起組成了一個(gè)關(guān)于ω的分壓電路，要求C值大于示波器探頭線纜電容和示波器入口電容之和，在ω下的阻抗值(ωC)-1小于示波器的輸入電阻，否則在C上會(huì)有脈動(dòng)電壓的分壓，數(shù)字示波器的測(cè)量值會(huì)偏小。

R值取值要遠(yuǎn)大于示波器的輸入電阻值，兩者的并聯(lián)值近似等于示波器輸入電阻值，則R可視為開路，脈動(dòng)電壓全部降落在示波器入口處，這時(shí)的測(cè)量結(jié)果就足夠準(zhǔn)確了。

三、實(shí)驗(yàn)

（一）平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)如圖3所示，主要由CR分壓電路、數(shù)字示波器、負(fù)載電阻、高壓衰減探頭、被測(cè)電源等組成。高壓負(fù)載電阻用來(lái)模擬毛細(xì)管陣列電泳時(shí)的等效電阻值，由于毛細(xì)管陣列電泳時(shí)近似于開路，因此高壓負(fù)載一般選取60MΩ～100MΩ、耐壓值大于40kV。高壓衰減探頭采用美國(guó)泰克公司的P6015A型，其衰減比為1000:1，用來(lái)測(cè)量電源輸出的高壓直流分量。

C-R分壓電路及幅頻特性曲線如圖4所示。

隔直電容C的選型非常重要，要求耐壓高、漏電流小、體積小。為提高耐壓值使用5個(gè)電容串聯(lián)，為防止因串聯(lián)電容器的漏電流不均勻造成電容之間電壓分配不均勻而引起的電容擊穿，需要對(duì)電容篩選以保證性能一致。測(cè)試平臺(tái)使用尺寸小、耐壓高、性能穩(wěn)定、不易燃爆的陶瓷電容，電容值為2.2nF/20kV DC。

由所測(cè)試的高壓電源電路工作原理得知，功率器件的開關(guān)頻率在1MHz以上。為滿足公式（7）的要求，取樣電阻R選取100kΩ±0.1%的精密金屬模電阻。

實(shí)際使用時(shí)還需考慮采取安全措施，按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，被測(cè)電壓達(dá)到20kV時(shí)，安全距離要大于0.7m，并對(duì)場(chǎng)地條件提出了要求，這給測(cè)試平臺(tái)使用帶來(lái)了不便，為此將C-R分壓電路密閉于一個(gè)絕緣殼體中央，殼體兩端只留有必要的輸入、輸出接頭。在絕緣殼體內(nèi)部為了防止高壓放電，在高壓器件與屏蔽殼之間灌滿絕緣膠，輸入、輸出接口處也用絕緣膠封閉。絕緣殼體使用高耐壓材料制作，如聚四氟乙烯（PTFE/F-4，耐壓值>10kV/mm）、聚酰亞胺（PI，耐壓值>100kV/mm）等。

使用5500A型多功能校正器和數(shù)字示波器對(duì)測(cè)試平臺(tái)的頻率響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)從幾十Hz到20MHz幅頻曲線是平滑的，增益基本為0dB。

（二）測(cè)試試驗(yàn)

采用以上平臺(tái)對(duì)2臺(tái)HPR-30N（A）-L2高壓電源進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試波形如圖5所示，可以看出該高壓電源輸出紋波主要為開關(guān)變換電路產(chǎn)生的高頻紋波，噪聲為功率器件開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的超高頻諧波噪聲。

兩臺(tái)電源輸出高壓直流分量與脈動(dòng)電壓的測(cè)量結(jié)果如表1、表2所示，從表中計(jì)算的脈動(dòng)系數(shù)可以看出均小于萬(wàn)分之二，滿足毛細(xì)管陣列電泳的要求。

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使用MATLAB軟件將高壓輸出值與脈動(dòng)電壓進(jìn)行曲線擬合，圖6與表1、表2結(jié)合可以看出，隨著輸出高壓的升高，脈動(dòng)電壓隨之升高，脈動(dòng)系數(shù)也增大，說(shuō)明脈動(dòng)電壓相較于輸出高壓增大的速率更快，因此如果要進(jìn)行高壓電源紋波抑制電路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是抑制高電壓階段的脈動(dòng)電壓輸出。

四、結(jié)論

利用C-R阻容法構(gòu)成的紋波采樣電路與數(shù)字示波器、高壓衰減探頭一起建立了高壓電源紋波與噪聲測(cè)試平臺(tái)，詳細(xì)介紹了C-R阻容電路關(guān)鍵器件的選取要點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果真實(shí)反映了被測(cè)高壓電源的紋波與噪聲波形，為毛細(xì)管陣列電泳選擇合適的高壓電源提供了技術(shù)依據(jù)。對(duì)脈動(dòng)電壓與高壓輸出值進(jìn)行了曲線擬和，直觀顯示了兩者之間的關(guān)系，為自行設(shè)計(jì)高壓電源模塊抑制紋波與噪聲提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。