北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100101

一、引言

凝膠電泳是一種廣泛用于分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和生物化學(xué)的分析技術(shù)。微流控芯片技術(shù)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程的技術(shù)。微流凝膠電泳就是在微流芯片內(nèi)進(jìn)行凝膠電泳。研究表明，在微流控芯片上進(jìn)行凝膠電泳時(shí)，電泳電壓并不是單一不變的，需要電泳儀電源在一定時(shí)間內(nèi)分別變換不同的電壓，才能在微流芯片上得到令人滿意的凝膠電泳結(jié)果[1]，這種實(shí)驗(yàn)方式對電泳電源提出了新的要求。

目前，電泳裝置主要包括電泳儀、電泳儀電源和電泳成像設(shè)備。其中，電泳儀電源一般為單路或多路輸出的定時(shí)定壓高壓源，無法做到自動定時(shí)改變輸出電壓。在微流芯片凝膠電泳過程中，整個(gè)電泳時(shí)間縮短為1～2min，最小的電壓持續(xù)時(shí)間為1.5s，使用傳統(tǒng)的電泳儀電源無法完成這類電泳實(shí)驗(yàn)。

為解決此問題，本文研究了一種可對時(shí)間、電壓混合編程的具有穩(wěn)壓功能的小型化電泳儀電源方案。由自激式推挽多諧振蕩電路組成升壓電路，由單片機(jī)輸出多路控制信號實(shí)現(xiàn)對升壓電路的靈活控制。

二、可編程電泳儀電源硬件設(shè)計(jì)

本電泳儀電源硬件設(shè)計(jì)的基本原理為：由單片機(jī)輸出兩路時(shí)間和占空比可控的PWM信號，通過PWM-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為與占空比對應(yīng)的電壓，作為升壓穩(wěn)壓電路的控制電壓。升壓穩(wěn)壓電路根據(jù)設(shè)定電壓產(chǎn)生一個(gè)與控制電壓比例固定的高壓作為電源的輸出。可編程穩(wěn)壓小型化電泳儀電泳的本質(zhì)是對PWM控制信號進(jìn)行時(shí)間-占空比編程。整體硬件方案如圖1 所示。

1、PWM-模擬電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

PWM-模擬電壓轉(zhuǎn)換是一種D/A變換，由于轉(zhuǎn)換后為電壓輸出的控制信號，電路需要有足夠的精度和濾波能力。電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。設(shè)計(jì)其中的RC濾波電路時(shí)，應(yīng)保證下式以得到較好的D/A變換結(jié)果：

其中，f0—RC電路的截止頻率；

fPWM—PWM信號的頻率。

2、升壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

微流芯片凝膠電泳過程中，電流范圍大約為10～200mA，因此升壓穩(wěn)壓電路并不需要有大電流的承載能力。

電泳符合Kohlaush公式[4]，即帶電顆粒在電場中的泳動速度與介質(zhì)黏度系數(shù)、顆粒半徑成反比，與其所帶電荷、電場強(qiáng)度成正比：

其中，v—泳動速度；

η—介質(zhì)黏度系數(shù)；

γ—顆粒半徑；

Q—帶電顆粒所帶電荷；

E—電場強(qiáng)度。

因此電場強(qiáng)度（電壓）是影響電泳速度的重要因素。此外，電泳電源的穩(wěn)壓性是電泳電源的重要指標(biāo)。

綜合以上原因，本設(shè)計(jì)采用了以Royer升壓電路為核心電路的升壓穩(wěn)壓方案。方案的特點(diǎn)是器件少、體積小、效率高。方案如圖3所示。

其中，PWMIC選用可靠性高、外接元件少的TL494芯片，TL494外接的電阻Rt和電容Ct確定了振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波的頻率：

TL494的誤差放大器1接電壓反饋信號和控制信號，死區(qū)時(shí)間控制腳接入緩啟動電路。為了得到更高的驅(qū)動電流輸出，將TL494內(nèi)部的兩個(gè)NPN管并聯(lián)使用，兩管的集電極并聯(lián)接MOS管驅(qū)動電路，將輸出控制接地以關(guān)閉雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，此時(shí)，輸出的頻率和振蕩器頻率相同。

結(jié)合以上所述，當(dāng)Vset電壓變化時(shí)，在TL494的集電極輸出端即可得一個(gè)變化的PWM波使得VFB與Vset達(dá)到一致，這是一個(gè)最基本的電壓閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。

DC-AC升壓電路采用Royer電路，它是一種經(jīng)典的自激推挽式DC-AC升壓變換電路，其特點(diǎn)是器件少，體積小。但Royer電路本身存在缺陷，應(yīng)用時(shí)應(yīng)選用改進(jìn)的電流反饋型Royer電路[2]。Royer電路的變壓器設(shè)計(jì)是整個(gè)電路的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，可以先計(jì)算參考值，再經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證做調(diào)整。

經(jīng)過計(jì)算及實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)Vo=600V時(shí)，NP=25，Nb=6，Ns=1400。Vo為輸出電壓，NP為初級繞組匝數(shù)，Nb為輔助繞組匝數(shù)，Ns為次級繞組匝數(shù)。

AC-DC電路為全波整流電路，二極管選用反向恢復(fù)時(shí)間短的快恢復(fù)二極管，并考慮耐壓值[3,5]。

電壓反饋電路取高側(cè)分壓反饋，為保證反饋精度，分壓電阻選用1%以上的高精電阻，并在后端帶有一級跟隨器，這是電壓采樣電路的常用接法，但應(yīng)注意的是，為保證小電壓信號下電壓跟隨的寬度，運(yùn)放應(yīng)選用軌到軌運(yùn)放或雙電源供電運(yùn)放。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對電泳儀電源的性能測試包括一系列實(shí)驗(yàn)，其中，紋波系數(shù)和負(fù)載效應(yīng)是影響微流芯片電泳質(zhì)量的重要因素，因此對本設(shè)計(jì)分別進(jìn)行紋波系數(shù)實(shí)驗(yàn)和負(fù)載效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

1、紋波系數(shù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：在輸入電壓為標(biāo)稱值，輸出電壓為額定值，輸出電流為額定功率下最大值的50%時(shí)，讀出交流電壓表顯示的交流分量有效值并按下式計(jì)算紋波系數(shù)：

其中，δU—紋波系數(shù)；

ΔU—交流分量；

U—設(shè)定電壓；

在100V～200V范圍內(nèi)設(shè)定5個(gè)輸出電壓值，測量交流分量并計(jì)算紋波系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 紋波系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出紋波系數(shù)均小于1%，紋波系數(shù)隨電壓升高出現(xiàn)下降的趨勢，說明本設(shè)計(jì)符合電泳儀電源的要求，且在電壓較高時(shí)紋波系數(shù)更小。

2、負(fù)載效應(yīng)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：在輸入電壓相對于標(biāo)稱值升高10%，輸出電壓為額定值和輸出電流為額定功率下最大值的50%時(shí)，測出輸出電壓Uo1，改變負(fù)載電阻使輸出電流在額定功率下最大值的50%和30%之間階躍變化，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的10s內(nèi)測出輸出電壓Uo2。按下式計(jì)算電源的負(fù)載效應(yīng)：

其中，K—負(fù)載效應(yīng)系數(shù)；

Uo1—改變負(fù)載前的輸出電壓；

Uo2—改變負(fù)載后的輸出電壓；

在0～200V范圍內(nèi)設(shè)定5個(gè)輸出電壓值，測量Uo1、Uo2并計(jì)算負(fù)載效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 負(fù)載效應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本電源設(shè)計(jì)在作為電泳儀電源時(shí)，具有很好的負(fù)載效應(yīng)。由于在不同的電泳試驗(yàn)中，瓊脂糖凝膠的厚度和緩沖液的濃度和體積不盡相同，電泳儀電源的負(fù)載電阻變化很大。本設(shè)計(jì)方案較低的負(fù)載效應(yīng)能夠保證在不同的電泳實(shí)驗(yàn)中都能起到較好的供電作用。

四、結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了一種可對時(shí)間和電壓混合編程的電泳儀電源硬件設(shè)計(jì)方案，其中，由PWMIC，改進(jìn)的Royer電路和全橋整流電路所組成的升壓DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)了電泳儀電源的基本功能；由單片機(jī)輸出PWM信號作為控制信號實(shí)現(xiàn)了對電源輸出的時(shí)間和電壓的混合編程。實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)并制作的電泳儀電源對傳統(tǒng)的電泳儀電源進(jìn)行了改進(jìn)，能夠滿足微流芯片凝膠電泳實(shí)驗(yàn)的需求。