孫明超，俞建成，邵千鈞，寧志強，郁 力

(1.寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211；2.寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

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基于E類功放質譜射頻的電源設計與優(yōu)化*

孫明超1，俞建成2，邵千鈞1，寧志強2，郁 力2

(1.寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211；2.寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

現場質譜儀在野外長時間續(xù)航，要求低功耗、高工作效率、寬范圍掃描電壓的射頻電源予以支持。為滿足這些要求，設計了基于E類功放模型的射頻電源。使用ADS設計π型阻抗匹配網絡，通過Multisim聯(lián)合仿真，對已設計的匹配網絡進行參數優(yōu)化，提高工作效率。與其它射頻電源相比，采用單管E類開關功放，在簡化設計、提升效率、提高射頻掃描電壓方面更具優(yōu)勢，并能夠有效提高質譜儀的質量數掃描范圍，增強質譜儀器的現場檢測能力，具有十分廣泛的應用前景和實際意義。

E類功放； 質譜； 射頻電源； 阻抗匹配

0 引 言

質譜儀器是當今最重要的分析儀器之一。質譜儀是利用電場、磁場將運動的離子按質荷比進行分離和檢測的設備，它可以準確地測定離子的質荷比(m/z)，進而得到離子的精確質量，從而分析被測物質的成分和結構性質。質譜檢測具備結果準確可靠、靈敏度高、需要樣品量少、分析速度快等特點，在一定程度上能夠解決復雜基質中痕量和微量有機物定性與定量分析等難題，在生命科學、生物醫(yī)藥、環(huán)境檢測、食品安全、安全消防、反恐防化、能源、化工、材料科學、以及國防航天等涉及國家安全的重大領域得到廣泛使用，發(fā)揮著不可替代的作用[1～3]。

射頻(RF)電源系統(tǒng)是質譜中離子運動的驅動力，通過射頻電源在離子阱質量分析器中構建變化的電場，離子受電場力的驅動而運動。在離子阱質譜分析中通常采用射頻幅度掃描技術，將質量分析器中捕獲的離子依次推出物理穩(wěn)定區(qū)域，出射至探測器，以此獲得質譜的分析數據[4,5]。射頻電源的電壓掃描范圍、功耗以及效率性等各項指標均會顯著影響儀器的檢測性能[6～8]。

當前國際上發(fā)展的小型化質譜儀中，Inficon公司生產的Hapsite質譜儀，由于射頻電源電壓范圍受限，儀器測試的質量范圍m/z只能達到300，因此,其應用僅局限于環(huán)境檢測等小分子檢測領域[9]。國內李延錄等人研制的小型四極桿射頻電源采用D類功放，需采用直流±215 V供電，2.764 8 MHz頻率產生2 568 VPP，該射頻電源供電要求高、質量掃描電壓范圍小、掃描速度低，難以應用于較高要求的場合[10]。此外，謝春光等人研制的飛行時間質譜儀射頻電源存在著掃描電壓范圍較小的缺陷，無法實現寬范圍質量數的掃描[11]。

基于上述問題，需要研究設計低功耗、高穩(wěn)定性、寬掃描范圍的射頻電源。本文通過選擇能量轉化效率高的E類放大器，結合射頻電源負載的諧振特性，采用ADS設計匹配網絡，通過Multisim聯(lián)合仿真，對匹配網絡進行驗證和參數優(yōu)化，保證電路工作處于最佳狀態(tài)。

1 功放電路設計

射頻電源中的功放模型選擇、匹配網絡設計是研究中的技術關鍵和難點。在整個射頻電源中，功率放大器是射頻電源向外界發(fā)射功率的重要模塊，也是射頻電源中耗能最高的單元。低效率的放大器往往會產生大量的熱，導致能量損耗嚴重，且放大器也會因溫度過高而毀壞。因此，選擇合適的功放模型和匹配網絡，不僅可以減少能量的額外損耗，還可以降低對散熱裝置和電源設計的要求，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與安全性，保證最佳的功率輸出[12]。

1.1 E類功放電路原理

本文采用單管E類功放電路模型，如圖1所示。E類功放提高效率的方法是避免晶體管的電壓和電流都不為零。通過對晶體管上的電壓整形，使得當晶體管開始導通時，其兩端的壓降為零，電流不為零，而關斷時，流過晶體管的電流為零，電壓降不為零，即實現了所謂的零壓開關，在理論上效率可達到100 %[13]。與李延錄等人相比，從工程的角度成本更經濟，采用單電源供電，供電方式更加簡單，且克服了D類放大器由于交替導通、截止功耗大，管子容易被擊穿的風險，有效地提高射頻電源的穩(wěn)定性與可靠性。相較于謝春光等人所采用的C類功放，本文設計的E類功放，理論上效率更高。

圖1中R1是晶體管的穩(wěn)定電阻，起到穩(wěn)定功放、防止自激的作用。電容C1、電容C2和電感L1是輸出匹配網絡的一部分。同時電容C2是MOS管的寄生電容和外部引入的諧振電容的總和，能抵消一部分管子內部電容所引起的功率損耗，有助于提高效率[14]。L4是扼流線圈，阻止漏極交流電流通向直流電源，離子阱和射頻線圈可視為LC串聯(lián)諧振電路，通過LC諧振獲得單一頻率的高壓射頻信號。其中L2射頻線圈、R2射頻線圈內阻、C3為離子阱電容。為保證信號和功率的高效輸出，設計了π型匹配網絡。

圖1 E類功放電路模型Fig 1 E class power amplifier circuit model

1.2 匹配網絡設計

為了使得晶體管分別與信號源、負載阻抗匹配，設計中加入匹配網絡，保證射頻電源工作在合適的狀態(tài)，實現信號的無反射傳輸或最大功率的傳輸。在頻率不高的情況下，一般使用電容電感實現阻抗匹配，即分立元件匹配網絡[15]。

匹配網絡包括L型、T型、π型三種，L,T,π型是就阻抗匹配電路主要器件的拓撲結構分布而言，T型和π型都可以分解為L型。T型和π型匹配網絡可以在設計時調整匹配網絡的帶寬，增加了設計的靈活性。

本文選用的是π型匹配網絡。圖2(a)是ADS軟件中設計的輸出匹配電路。根據圖2(a)所示，考慮到LC諧振，因此,負載阻抗等效為線圈的電阻6 Ω。已知晶體管輸出阻抗

Zout=5.8-1.5j

(1)

為實現最大功率傳輸，采用共軛匹配方式，即將Zout共軛以后得到

ZTerm 1=5.8+1.5j

(2)

S11，S21分別為表征匹配網絡的反射損耗和插入損耗。圖2(b)是匹配網絡的仿真結果，在1.25 MHz頻率點時，S11=-35.328 dB，遠遠小于工業(yè)上要求的-15 dB，S21近似為0，匹配效果很好，滿足預期要求[16，17]。

圖2 匹配網絡設計Fig 2 Design of matching network

2 仿真驗證

鑒于匹配網絡的加入，電路等效二端口模型中的S參數會發(fā)生改變，進而影響部分指標，本文為滿足設計目標，需要對匹配網絡中的分立器件予以參數驗證和優(yōu)化。由于ADS中沒有對應管子的模型，本文采用一種ADS和Multisim聯(lián)合仿真的方法。

設計電路的實際仿真圖，如圖3所示。選用IRFP2410作為MOS管，其中,射頻線圈采用電感和電阻串聯(lián)的模型，設置線圈電感L2=600 μH，線圈內阻R2=6 Ω；電感L3=3.3 μH，扼流線圈L4=100 μH；電容C1，C2，電感L1設為可調。為實現對MOS管的保護，電路設計中加入限流電阻R3(仿真時為11 Ω)，防止管子被擊穿。XFG1是信號發(fā)射器產生1.25 MHz方波信號，XWM1為瓦特計1檢測直流輸入功率，XWM2為瓦特計2檢測射頻輸出功率，XWM3為瓦特計3檢測射頻輸入功率，XSC1為示波器，分別記錄瓦特計測出直流輸入功率P1，射頻輸出功率P2，射頻輸入功率P3。

圖3 E類功放模型仿真圖Fig 3 Simulation of E class power amplifier model

評價射頻電源的性能主要分為以下3個指標：峰值電壓、輸出功率、功率附加效率(PAE)。其中,PAE是射頻電源的一個重要指標，反映直流功率轉化為射頻功率的能力，定義為功放輸出功率減去輸入功率之差與電源提供的直流功率的比值[18]

(3)

式中 Pdc為直流輸入功率，Pout為輸出功率，Pin為輸入功率。

使用Multisim對已設計的π型匹配網絡分立器件進行參數優(yōu)化。如圖4、圖5、圖6所示，分別討論了C1,C2,L1參數對PAE、輸出功率、峰值電壓的影響，發(fā)現C2參數對匹配網絡最重要，對PAE、輸出功率、峰值電壓影響最大。

在最佳工作點的情況下，通過Multisim聯(lián)合仿真，不同輸出峰值電壓所對應的輸出效率，如表1所示?？梢钥闯鲈谳敵龈邏荷漕l的情況下，PAE基本超過60 %，且隨著高壓輸出的提升，效率呈上升趨勢。

3 結束語

本文設計了一種基于E類功放模型的射頻電源，提出了一種ADS和Multisim聯(lián)合仿真的方法，有效解決了在ADS中沒有具體元部件模型的問題，仿真結果可以與實際應用相匹配。在Multisim仿真結果中，輸出峰值電壓為25.758 kV情況下，直流輸入功耗小于180 W，PAE超過67 %。當前常規(guī)用于便攜式質譜射頻電壓通常為5 kV以下，根據表1直流輸入功耗為11.2 W以下，效率超過57 %。因此,新設計的基于E類功放射頻電源具有功耗低、輸出射頻電壓幅度高，可以較好地保證便攜式質譜儀的低功耗需求，增加續(xù)航時間，滿足質譜儀在不同領域樣品檢測的需要。

圖4 電容C1值對PAE、輸出功率、峰值電壓的影響 (C2=5 600 pF,L1=100 μH)Fig 4 Effect of capacitance C1 value on PAE,output power and peak voltage(C2=5 600 pF,L1=100 μH)

圖5 電容C2值對PAE、輸出功率、峰值電壓的影響 (C1=400 nF,L1=100 μH)Fig 5 Effect of capacitance C2 value on PAE,output power and peak voltage(C1=400 nF,L1=100 μH)

圖6 電感值L1對PAE、輸出功率、峰值電壓的影響 (C1=400 nF,C2=5 600 pF)Fig 6 Effect of inductance value L1 on PAE,output power and peak voltage(C1=400 nF,C2=5 600 pF)

表1 輸出峰值電壓與PAE

[1] 史綿紅，余晶京，劉靜思，等.我國突發(fā)環(huán)境事件現場應急監(jiān)測儀器技術現狀及展望[J].化學通報，2015，78(5)：414-420.

[2] 陳曉明，李景明，李艷霞，等.電子鼻在食品工業(yè)中的應用研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006,25(4):8-11.

[3] 李 琦，鄧一兵,黃 剛.小型離子阱技術及其航天應用進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(4)：8-11.

[4] 李 凱，李 明，唐興斌，等.直接數字頻率合成技術在四極質譜儀射頻電源中的應用[J].冶金分析，2014，34(2)：20-24.

[5] 徐福興，王 亮，汪源源，等.柵網電極離子阱質量分析器的結構與性能[J].分析化學，2013，41(5)：781-786.

[6] 戴茂飛.脈沖調制射頻磁控濺射電源的研制[D].武漢：中南民族大學，2012.

[7] Ouyang Zheng，Noll R J，Cooks R，et al.Miniature ion trap mass spectrometers[J].Analytical Biochemistry，2009，81(7)：2421-2425.

[8] Boumsellek S，Ferran R J.Trade-offs in miniature quadrupole designs[J].Journal of American Society Mass Spectrometry,2001，12(6)：633-640.

[9] 汪玉花，張竹青，李 成.便攜式氣質聯(lián)用儀在環(huán)境污染事故應急監(jiān)測中的一個應用實例[J].現代科學儀器，2011(4)：75-77.

[10] 李延錄，安衛(wèi)東，承學東,等.一種小型四極桿射頻電源技術研究[J].分析儀器，2015(1)：11-17.

[11] 謝春光，郭長娟，王 姜，等.飛行時間質譜儀傳輸區(qū)射頻電源的研制[J].分析測試學報，2012，31(8)：922-927.

[12] 李勤建，高翠琢，邊國輝.微波功率放大器的熱管散熱設計[J].半導體技術，2012，37(8)：658-661.

[13] 高葆新，梁春廣.高效率 E類放大器[J].半導體技術，2001，26(8)：44-48．

[14] 丘小輝，盧文成，毛行奎.E類放大電路的并聯(lián)諧振電容分析[J].電氣技術，2015(6)：52-56.

[15] 劉 嵐，聶 丹.分立元件的匹配網絡設計及仿真[J].信息技術，2004，28(4)：58-60.

[16] 黃秋元，董詩波.射頻電路中匹配網絡的設計和分析[J].武漢理工大學學報，2007，31(6)：1061-1063.

[17] 曹鋒光，張德玲，王新兵，等.射頻電源中的阻抗匹配研究[J].應用激光，2005，25(2)：101-103.

[18] 方智奇.E類及逆E類射頻功率放大器的研究[D].南京：南京理工大學，2014.

孫明超(1990- )，男，浙江寧波人，碩士，研究方向為儀器儀表及電路與電子。

俞建成，通訊作者，E-mail:yujiancheng@nbu.edu.cn。

Design and optimization of RF power supply based on class E power amplifier massspectrum*

SUN Ming-chao1，YU Jian-cheng2，SHAO Qian-jun1，NING Zhi-qiang2，YU Li2

(1. School of Mechanical Engineering and Mechanics,Ningbo University， Ningbo 315211，China； 2.School of Information Science and Engineering， Ningbo University，Ningbo 315211，China)

When mass spectrometer is used in the field during a long time,the radio frequency(RF)power is required to work with low power consumption,high efficiency and wide range scanning voltage.To meet these requirements,design a kind of RF power supply based on class E power amplifier model.Based on ADS,design π type impedance matching network and by joint simulation of Multisim,matching network designed for parameter optimization,improve working efficiency.Compared with other RF power,the design using a single class E switching power amplifier is more simple,efficient as well as increasing RF scanning voltage.Besides,the design effectively broadens the scanning range of the mass number and strengthens the field detecting ability of mass spectrometer,thus owning broad prospect of application and practical significance.

class E amplifier； massspectrum； radio frequency(RF)power； impedance matching

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0109—04

2016—08—30

國家自然科學基金資助項目(61501273)；浙江省自然科學基金資助項目(LY16B050002)；寧波市自然科學基金資助項目(2014A610098)

TN 722

A

1000—9787(2016)11—0109—04