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在如今的许多应用中,要求的额定输入电压超过许多现有DC/DC控制器的VIN最大额定值。对此,传统的解决办法包括使用昂贵的前端保护或实现低端栅极驱动器件。这意味着采用隔离拓扑,如反激式转换器。隔离拓扑通常需要自定义磁性,且与非隔离方法相比,设计复杂性和成本也有所增加。存在着另一种解决方案,可以通过使用VIN max(最大输入电压)小于系统输入电压的简易降压控制器来解决问题。这是如何实现的呢?降压控制器通常来源于参考电位(0V)的偏置电源(图1a)。偏置电源来自输入电压;因此,器件需要承受全部的VIN电位。然而,因为开通P通道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所需的栅极驱动电压在VGS低于VIN,P通道降压控制器具有参考VIN(图1b)的栅极驱动电源。关闭P通道MOSFET则仅需简单地将栅极电压变为VIN(0V VGS)(图2)。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180427/20180427105529_59985.png[/img][/align][align=center]图1:N通道(a)的VCC偏置生成;和P通道控制器(b)[/align][align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180427/20180427105553_80655.png[/img][/align][align=center]图2:P通道控制器的栅极驱动[/align]非同步P通道控制器导出其偏置电源以驱动P通道栅极,可带来巨大的效益,并且可能实现提供悬浮在0V电位以上的虚拟接地。对于N通道高侧MOSFET,电压来自接地的参考电源。这是使用升压电容器和二极管泵送的电荷,以提供高于VIN源极电位的栅极电压。使用P通道高侧MOSFET可以显著简化该问题。要打开P通道MOSFET,栅极电位需要低于VIN的源极电位。因此,电源仅参考VIN,而非上面提到的VIN和接地。[b]悬浮接地[/b]如何为控制器创建悬浮接地?这很简单,通过使用射极跟随器即可实现。图3所示为这种方案的基本实践。PNP发射极的电位为Vbe(~0.7V),低于齐纳二极管电压电位(Vz)。实质上,您可以将控制器浮动到VIN,并调节控制器的参考值,以限制VIN与器件接地之间的电压。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180427/20180427105709_72732.png[/img][/align][align=center]图3:使用简易射极跟踪器方案创建虚拟接地[/align][b]输出电压转换[/b]这里有一项挑战需要克服。由于控制器位于虚拟接地(Vz-Vbe),并产生参考接地(0V)电位的降压输出电压,因此如何才能将输出电压信号转换为位于虚拟接地上方的反馈电压(通常介于0.8V和1.25V之间)?图4说明了具体的挑战。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180427/20180427105725_81936.png[/img][/align][align=center]图4:展示VOUT(参考0V接地)与控制器的反馈电压(参考虚拟接地)之间电压电位差的示意图[/align]要关闭环路,您可以使用一对配对晶体管以实践图5所示的电路。一匹配对将反馈信号发送至VIN;另一匹配对产生从VIN到虚拟接地之上电位的电流。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180427/20180427105739_91524.png[/img][/align][align=center]图5:非同步控制器和使用配对晶体管的馈电实践的高级原理图[/align][b]输出电压调节[/b]当瞬态电压显著高于LM5085的绝对最大值时,适合应用这一想法。LM5085是一个恒定导通时间(COT)控制器;因此,其导通时间(Ton)与VIN成反比。然而,当将VIN钳位到LM5085时,Ton将不再随着VIN(至功率级)的增加而调整,因为器件将具有由齐纳二极管设置的固定电压,而VIN(至功率级)将不断增大。这将导致频率下降,因为功率级输入电压的增加值超过LM5085的钳位电压;因此调节电压可能会稍微开始增加。因此,为确保以Type 1 纹波注入标准规定纹波注入电压的大小。最终,确保纹波被制定在可接受的范围内,以维持稳定性及最小化当纹波增加时的输出误差。[b]示例原理图[/b]图6所示为绝对最大VIN额定值为150V的48V电源的示意图。示例可以在3A条件下提供12VOUT。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180427/20180427105754_43661.png[/img][/align][align=center]图6:使用LM5085在3A设计时为24V至150VIN(最大)/ 12VOUT[/align]图7所示为从原型电路板获得的效率图,图中两大参数为效率(%)和负载电流(A)。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180427/20180427105807_58183.png[/img][/align][align=center]图7:不同输入电压下效率(%)与负载电流(A)的关系[/align]图8所示为150VIN时的开关节点电压和电感纹波电流。[align=center][img]https://www.yishangm.com/upload/image/20180427/20180427105818_20270.png[/img][/align][align=center]图8:通道1开关节点电压,通道4电感纹波电流[/align][b]结论[/b]在系统输入电压高于器件最大输入电压额定值的应用中使用P通道非同步降压控制器。该应用的优点在于使用成本较低的控制器,且最大程度地减少了组件数量。
[size=16px][color=#339999][b]摘要:针对微流控芯片压力驱动进样系统中压力和流量的高精度控制,本文提出了国产化替代解决方案。解决方案采用了积木式结构,便于快速搭建起气压驱动进样系统。解决方案的核心是采用了串级控制模式,结合高精度的传感器、电气比例阀和PID控制器,通过压力和流量的双闭环PID控制回路可实现微流控芯片内液体流量的高精度控制。另外,解决方案具有强大的拓展功能,可进行手动、自动、程序和周期控制,同时也具备芯片的温度控制功能。[/b][/color][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 微流控芯片是将成百上千的微流道集成于以平方厘米为单位的芯片上,以实现样本的制备、分离、筛选、检测等功能,其特点在于可以用极少量的检测样本有效地完成各类检测,可取代常规的生化实验平台。微流控芯片中的微流道内径非常细小,可以实现低至1微米的空间细胞操作精度,因此在向微流道中进样时,对于流量的控制要求非常高。[/size][size=16px] 目前的微流控进样系统,主要是一些国外进口产品,如法国FLUENT公司基于传统的压力控制元件生产的MFCS-EZ流体驱动-精密压力控制器性能比较优良,达到稳定的时间可低至100ms,压力稳定误差小于0.1%,但价格昂贵;美国ELVEFLOW公司基于压电效应设计的OB1 MK3压力控制器性能更加优异,达到稳定的时间可低至35ms,压力稳定误差小于0.01%,但其功耗较高,售价更为昂贵。[/size][size=16px] 为了实现对微流控芯片内微流体压力和流量的高精度自动控制,特别是为了实现国产化替代,本文提出了一种压力和流量的串级控制解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 压力驱动的微流量精密控制工作原理[/b][/color][/size][size=16px] 微流控芯片中气压驱动进样系统的工作原理非常简单,如图1所示,即采用可调气压作为驱动力,控制一个装有液体的封闭容器中的气体压力实现液体驱动,控制液体向微流控芯片进行充注。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.微流控芯片压力驱动进样系统工作原理图,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306271542286750_971_3221506_3.jpg!w690x369.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 压力驱动进样系统工作原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 充液过程中随着流阻的变化,负载也在不断改变,为保证流经微流控芯片液体流量的恒定在设定值,对应的驱动压力也应随时进行调节。[/size][size=16px] 在微流控芯片气压驱动进样系统中,针对不同的应用场景和要求,目前国外产品普遍采用了两种控制技术,一种是对驱动压力进行控制的开环控制技术,另一种是同时对压力和流量进行控制的闭环控制技术。[/size][size=16px] 如图2所示,在仅对驱动气压进行控制的进样系统中,是在进气端口增加了一个压力调节器。此压力调节器中集成了压力传感器、阀门和PID控制器,通过对高压气源的减压控制,由此用来精密调节和控制密闭容器上部的气体压力。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.微流控芯片进样系统纯压力控制工作原理图,600,248]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306271541131358_1798_3221506_3.jpg!w690x286.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 微流控芯片进样系统纯压力控制工作原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图2可以看出,这种纯压力控制方式尽管可以调节微流控芯片内液体的流量,但无法获知具体流量是多少,这样一种开环控制形式更无法对液体流量进行高精度控制。[/size][size=16px] 为实现对微流控芯片内液体流量的精密控制,在上述开环控制形式的基础上,通过增加液体流量计和PID控制器,与压力调节器组成一个闭环控制回路,如图3所示。在此闭环控制回路中,PID控制器检测流量传感器信号并与设定值进行比较,通过PID控制算法计算后向压力调节器输出控制信号,压力调节器对进气气压进行调节,最终使微流控芯片内的液体流量在设定值处恒定。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=03.微流控芯片进样系统压力和流量串级控制工作原理图,600,289]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306271541419942_6786_3221506_3.jpg!w690x333.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 微流控芯片进样系统压力和流量同时控制工作原理图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图3可以看出,这种压力和流量同时控制的工作原理采用了一个非常典型的PID串级控制(级联控制)结构,即压力调节器作为压力控制的PID辅助控制回路,同时压力调节器作为执行器与流量传感器和PID控制器构成PID主控制回路。这种PID串级控制结构常用于高精度控制领域中,所以采用这种串级控制方法可以实现微流体压力驱动进样系统流量的高精度调节和控制。需要说明的是流量传感器可以布置在微流控芯片的进口端或出口端,具体可以根据微流控芯片的具体结构来进行选择。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 从上述微流控芯片压力驱动进样系统的串级控制工作原理可知,采用串级控制方式在理论上可实现流量的高精度控制,而要实现这种高精度控制,还需要相应的硬件配置提供保证。为此,本解决方案提出的硬件系统结构如图4所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=04.微流控芯片进样系统压力和流量串级控制系统结构示意图,650,366]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306271542005587_5164_3221506_3.jpg!w690x389.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图4 微流控芯片进样系统压力和流量串级控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在图4所示的系统中,为实现高精度的压力和流量控制,解决方案中的关键部件配置如下:[/size][size=16px] (1)流量传感器:需根据流量的范围和控制精度需要选择合适的流量传感器,目前市场上有多种国内外的液体流量传感器可供选择。同时要求传感器具有相应的模拟量信号输出。[/size][size=16px] (2)压力调节器:压力调节器可选择电气比例阀,同样需要根据压力调节范围选择相应的型号。另外尽可能采用高精度和高速电气比例阀,特别是更快速度的压电式电气比例阀。[/size][size=16px] (3)超高精度PID控制器:在测量精度和控制精度都满足要求的前提下,主回路PID控制器精度将最终决定流量控制精度,如果PID控制器精度不够,则无法发挥传感器和压力调节器的精度优势。为了,本解决方案选择了超高精度的PID控制器,其具有24位AD、16位DA和采用双精度浮点运行的0.01%最小输出百分比。另外,此控制器具有PID参数自整定功能,并带有标准MODBUS通讯协议的RS485接口,可方便与上位计算机连接。[/size][size=16px] 通过上述高精度器件的配置,可很方便的搭建起微流控气压驱动进样系统并实现高精度的压力和流量控制。另外,采用超高精度PID控制器的高级功能,还可实现以下拓展功能:[/size][size=16px] (1)采用自带的计算机软件,可通过上位计算机直接进行界面操作,无需再进行编程。[/size][size=16px] (2)采用远程设定点功能,可实现手动旋钮调节方式的压力和流量控制。[/size][size=16px] (3)同样采用远程设定点功能以及外置一个周期信号发生器,可对压力和流量按照设定周期和幅度进行周期性变化。[/size][size=16px] (4)采用正反向控制功能以及外置一个TEC半导体制冷模组,可实现对微流控芯片的加热和制冷控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]4. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述,通过此解决方案模块式结构以及高精度器件的配置,可灵活和快速搭建起微流控芯片进样系统,并可在很高的精度上实现微流控芯片压力驱动进样系统中的压力和流量控制。[/size][size=16px] 另外,依此解决方案所搭建的压力和流量控制系统还具有强大的拓展功能,可满足各种微流控芯片气压驱动进样系统的使用,完全可以替代进口产品,同时也为后续多通道微流控压力驱动进样系统的国产化替代奠定的技术基础。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align]
冷凝水试验箱控制器采用日本原装进口“优易控”品牌温湿度仪表,7英寸高清真彩液晶触摸显示屏,带给您触觉和视觉的尊贵与舒适; 冷凝水试验箱控制器功能介绍: 1、具有1000段程式、每段可循环999步骤的容量,每段设定最大值为99小时59分;10组程序链接功能; 2、控制器可存储600天内历史数据(24小时运行状态下,记录间隔1min以上,温湿度数据同时记录时),且可回放上传的控制内历史数据曲线; 3、可随时插入U盘导出或上传数据,并可通过随机赠送软件在电脑查看或转成EXCEL格式; 4、仪表配备USB端口,可直接通过端口驱动微型打印机预览及打印(选配); 5、控制器面板标配有10M/100M以太网络接口,自动获取IP地址远程控制。可支持实时监控、历史曲线回放、程序编辑、FTP上传下载、历史故障查看、远程定值/程序控制等功能;