适用于质谱仪的直流高压电源的正负极切换电源电路的制作方法

本实用新型涉及质谱仪的技术领域，特别涉及一种适用于质谱仪的直流高压电源的正负极切换电源电路。

背景技术：

常规的质谱仪所使用的检测器主要有电子倍增器(EM)，光电倍增管(PMT)等。检测器工作时需要高电压低电流的稳压电源以提供偏置电压，且由于需要检测不同极性的离子，稳压电源需要能够实现快速的正负极性切换和电压可调功能。然而，现有的正负极切换装置多采用机械切换的模式，在长时间使用后需要额外的硬件设备的维护，并且切换效率较低；另外，常规的切换指令主要通过拨码式开关切换装置实现，不能兼容上位机的操作；进一步地，现有的稳压电源通常体积较大，不利于集成化安装和调试。

技术实现要素：

为了克服上述缺陷，本实用新型提供了一种适用于质谱仪的直流高压电源的正负极切换方法，也是一种基于PWM控制技术的可调高压正负极切换直流开关电源。

本实用新型用于为质谱仪检测器如电子倍增器(EM)，光电倍增管(PMT)等提供可靠高压偏置源。该电路可以通过TTL电平改变电场极性，也可以通过485通讯指令切换电场极性，为上位机操作提供兼容平台。该项实用新型技术相较于常规工频高压电源电路，正负极性可切换，电压可调，体积小，稳定性好，响应速度快。

在本实用新型中，本实用新型提供了一种适用于质谱仪的直流高压电源的正负极性切换电路，该电路包括直流电源、MCU控制器、升压电路、正负极性切换电路、取样电路以及负载，其中，

直流电源连接于MCU控制器以向MCU控制器提供工作电压；

MCU控制器的输入端连接于外部控制信号端，MCU控制器的输出端连接于升压电路的输入端，MCU控制器用于根据外部控制信号产生直流电压信号；

正负极性切换电路连接于升压电路的输出端和负载之间，升压电路用于接收直流电压信号并且对直流电压信号进行升压以产生直流高压，正负极性切换电路用于根据直流高压的正负性改变负载的正负极性；

取样电路连接于升压电路的输出端和MCU控制器的输入端之间，用于从升压电路采集电压样本并将其反馈至MCU控制器，以供MCU控制器根据电压样本调节直流电压信号。

优选地，该电路还包括降压模块，连接于直流电源与MCU控制电路之间，用于进行直流-直流降压。

优选地，升压电路包括推挽式拓扑电路，倍压整流电路和滤波电路；其中，

推挽式拓扑电路的输入端连接于MCU控制器的输出端，用于对直流电压信号进行初次升压；

倍压整流电路的输入端连接于推挽式拓扑电路的输出端，用于对经过初次升压后的直流电压信号进行再次升压；

滤波电路的输入端连接于倍压整流电路的输出端，滤波电路的输出端连接于正负极性切换电路的输入端，用于对经过再次升压后的直流电压信号进行滤波以产生直流高压。

优选地，正负极性切换电路包括：

多个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q8，Q1、Q2、Q5和Q6的栅极相连，Q3、Q4、Q7和Q8的栅极相连；其中，

Q1的第一极与Q3的第一极相连，Q1的第二极与Q2的第一极相连，Q3的第二极与Q4的第一极相连，负载连接于Q2的第二极和Q4的第二极之间；Q2的第二极与Q7的第一极相连，Q4的第二极与Q5的第一极相连，Q7的第二极与Q8的第一极相连，Q5的第二极与Q6的第一极相连，Q6的第二极与Q8的第二极相连。

进一步地，MOS管Q1、Q2、Q3和Q4是P型MOS管，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的第一极是漏极，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的第二极是源极；

MOS管Q5、Q6、Q7和Q8是N型MOS管，MOS管Q5、Q6、Q7、Q8的第一极是源极，MOS管Q5、Q6、Q7、Q8是漏极。

优选地，该电路还包括功率MOS驱动电路，连接于MCU控制器与正负极性切换电路之间，用于调节MCU控制器和正负极性切换电路的基准电平一致。

优选地，外部控制信号端是232/485通讯电路，外部控制信号是二进制形式的电压控制指令；或者，外部控制信号端是TLL电平电路，外部控制信号是TLL电平。

优选地，直流电源还连接于推挽式拓扑电路以向推挽式拓扑电路提供偏置电压。

优选地，取样电路包括第一电阻、第二电阻、运算放大器和稳压二极管，第一电阻的第一端连接于倍压整流电路的输出端，第一电阻的第二端连接于运算放大器的反相输入端，第二电阻的第一端连接于第一电阻的第二端并且第二电阻的第二端接地，稳压二极管的负极连接于运算放大器的同相输入端并且稳压二极管的正极接地，运算放大器的输出端连接于MCU控制器，运算放大器用于将输出采样电压与基准电压进行差分运算并将放大处理后的差分信号反馈至MCU，通过MCU的闭环动态调节从而确保输出电压的稳定。

优选地，降压模块还连接于232/485通讯电路，用于对直流电源的电压进行直流-直流降压以产生降压电压，从而向232/485通讯电路提供工作电压。

应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例中的适用于质谱仪的直流高压电源的正负极切换电源电路的模块示意图。

图2是本实用新型一个实施例中的适用于质谱仪的直流高压电源的正负极性切换电路中的正负极性切换电路的电路示意图。

图3是本实用新型的一个实施例中的适用于质谱仪的直流高压电源的正负极性切换电路的取样电路的电路结构图。

图4是本实用新型的一个实施例中的适用于质谱仪的直流高压电源的正负极性切换电路的电路示意图。

具体实施方式

发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种能够基于二进制式的外部控制信号和/或指令进行直流高压电源的正负极性切换的电路，本实用新型的电路主要适用于质谱仪，用于向质谱仪提供稳定快捷的实现正负极性切换的电源，并且基于PWM(脉冲宽度调制)方法进一步提高直流高压电源电压的范围以及极性切换的可调节性。

术语

如本文所用，术语“PWM”指脉冲宽度调制方法，具体地说，是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

如本文所用，术语“上位机”指可以直接发出操控命令的计算机，也可称为是PC/主机，上位机的屏幕能显示各种信号变化，例如交直流电压，液压，水位，温度等。

本实用新型涉及一种适用于质谱仪的直流高压电源的正负极切换电源电路，该电路包括直流电源、MCU控制器、升压电路、正负极性切换电路、取样电路以及负载，其中，直流电源连接于MCU控制器以向MCU控制器提供工作电压；MCU控制器的输入端连接于外部控制信号端，MCU控制器的输出端连接于升压电路的输入端，MCU控制器用于根据外部控制信号产生直流电压信号；正负极性切换电路连接于升压电路的输出端和负载之间，升压电路用于接收直流电压信号并且对直流电压信号进行升压以产生直流高压，正负极性切换电路用于根据直流高压的正负性改变负载的正负极性；取样电路连接于升压电路的输出端和MCU控制器的输入端之间，用于从升压电路采集电压样本并将其反馈至MCU控制器，以供MCU控制器根据电压样本调节直流电压信号。

本实用新型的主要优点包括：该装置可以通过TTL电平改变电场极性，也可以通过485通讯指令切换电场极性，为上位机操作提供兼容平台。该项实用新型技术相较于常规工频高压电源装置，正负极性可切换，电压可调，体积小，稳定性好，响应速度快。

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1是本实用新型的一个实施例中的适用于质谱仪的直流高压电源的正负极切换电源电路100的模块示意图。如图1所示，电路100包括24V直流电源101、降压电路102、MCU控制器103、推挽式拓扑电路104、倍压整流电路105、滤波电路106、正负极切换电路107、取样电路108、外部控制信号端109以及负载110，在本实施例中，外部控制信号端可以是232/485通讯电路(232/485通讯指令是一类通讯协议，按照该类通讯协议可以确保通信数据的准确及时)或者是TTL电平指令。

24V直流电源101直接连接于降压电路102，通过DC-DC(直流-直流)降压将直流电压值24V降至12V，并且经过降压后的直流电压12V作为232/485通讯电路109和MCU控制器提供工作电压。在另一实施例中，可以不使用降压电路。

MCU控制器103是具有存储和计算功能并且可以接收外部控制指令的单片机。在本实施例中，232/485通讯电路与TTL电平电路均连接于MCU控制器103。232/485通讯电路或者TTL电平电路可以在上位机进行操作，从而232/485通讯电路输出通讯指令，TTL电平电路输出TTL电平。通讯指令或者TTL电平代表负载110所需的输入到MCU控制器103的控制电压，该控制电压是具有正负极性切换间隔的电压。MCU控制器接收通讯指令或者TTL电平，在工作电压12V下产生直流电压信号。

推挽式拓扑电路104、倍压整流电路105和滤波电路106构成升压电路，该升压电路接收MCU控制器产生的直流电压信号并对其进行升压和滤波操作。具体地说，MCU控制器103的输出端连接到推挽式拓扑电路104，因此MCU控制器103驱动推挽式拓扑电路104进行初次升压，而且电路104的输出端连接到倍压整流电路105，从而电路105对直流电压信号进行再次升压。滤波电路106连接于倍压整流电路105的输出端以对经过再次升压的直流电压信号进行滤波，从而平滑输出的直流高压。

滤波电路106的输出端连接于正负极切换电路107，从而将直流高压输入到切换电路107。切换电路107设有多个相互连接的MOS管，因此可以根据直流高压的正负性改变切换电路107内的电流方向；而且，切换电路107与负载110相连，作为负载110的电源电压，当电流方向改变时，负载110两端的正负极性也发生改变，在本实施例中，负载110是用于质谱仪的检测器。

图2是本实用新型的一个实施例中的适用于质谱仪的直流高压电源的正负极性切换电路200中的正负极性切换电路的电路示意图。该电路200的结构与电路100类似，但是电路200还可以包括功率MOS驱动电路(图2中未示出具体电路结构)，其连接于MCU控制器与正负极性切换电路之间，该电路通过驱动变压器实现功率MOS的驱动，采用该方式可以有效解决上管功率MOS的悬浮地问题，从而确保上下管功率MOS充分打开，有效降低功率MOS的导通损耗。另外，图2中的虚线表示MCU控制器203与滤波电路206之间还连接有图1所示的其他电路，出于描述清楚的目的，在此省略。

如图2所示，正负极性切换电路207包括：多个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q8。Q1、Q2、Q5和Q6的栅极相连，Q3、Q4、Q7和Q8的栅极相连；其中，Q1的第一极与Q3的第一极相连，Q1的第二极与Q2的第一极相连，Q3的第二极与Q4的第一极相连，负载连接于Q2的第二极和Q4的第二极之间；Q2的第二极与Q7的第一极相连，Q4的第二极与Q5的第一极相连，Q7的第二极与Q8的第一极相连，Q5的第二极与Q6的第一极相连，Q6的第二极与Q8的第二极相连。

并且，MOS管Q1、Q2、Q3和Q4是P型MOS管，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的第一极是漏极，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的第二极是源极；MOS管Q5、Q6、Q7和Q8是N型MOS管，MOS管Q5、Q6、Q7、Q8的第一极是源极，MOS管Q5、Q6、Q7、Q8是漏极。

由于切换电路208采用了MOS管，基于MOS管的电路特性可以在输入的直流高压正负性快速变化时，及时改变负载两端的正负极性。例如，基于图2所示的切换电路207，当负载需要正电压供电时，MOS管Q1、Q2、Q5、Q6被导通，则负载220的正负极性为左正右负；当负载需要负电压供电时，MOS管Q3、Q4、Q7、Q8被导通，则负载220的正负极性为左负有正；因此当质谱仪筛选不同极性的离子对时，只需要通过切换该电源的正负极性即可满足筛选要求。相较于传统机械式拨码开关的正负极切换技术，其切换速率更快，生产工艺更简单，电路损耗更小，成本更低，且电路稳定性也更好。

应注意，此处所用的MCU控制器203、滤波电路206、负载210与上述的MCU控制器103、滤波电路106、负载110是一致的。

图3是本实用新型的一个实施例中的适用于质谱仪的直流高压电源的正负极性切换电路100的取样电路的电路结构图。电路100还设置有取样电路108，用于采集电压样本以供给MCU控制器103调节脉冲占空比。具体地说，取样电路需要连接在升压电路的输出端与MCU控制器的输入端之间，在本实施例中，取样电路108连接于滤波电路的输出端与MCU控制器103的输入端之间。如图3所示，取样电路108包括电阻R1、电阻R2、运算放大器U和稳压二极管D，电阻R1的第一端连接于倍压整流电路的输出端，电阻R1的第二端连接于运算放大器的反相输入端，电阻R2的第一端连接于电阻R1的第二端并且电阻R2的第二端接地，稳压二极管D的负极连接于运算放大器U的同相输入端并且稳压二极管的正极接地，运算放大器U的输出端连接于MCU控制器103，运算放大器U1用于将输出采样电压与基准电压进行差分运算并将放大处理后的差分信号反馈至MCU，通过MCU的闭环动态调节从而确保输出电压的稳定。

取样电路108从升压电路采集电压样本，并将其反馈至MCU控制器103，MCU控制器103将该电压样本与MCU内部的基准电压进行比较，从而调节直流电压信号的脉冲占空比，能够对直流电压信号进行PWM调制。

图4是本实用新型的一个实施例中的适用于质谱仪的直流高压电源的正负极性切换电路的电路示意图。如图4所示，该电路包括：直流电源(VCC＝24V)、降压电路402、MCU控制器403、推挽式拓扑电路404、倍压整流电路405、滤波电路、正负极性切换电路407、取样电路、功率MOS驱动电路及负载410。

应注意，此处所用的降压电路402、MCU控制器403、推挽式拓扑电路404、倍压整流电路405、正负极性切换电路407及负载410与上述的降压电路102、MCU控制器103、推挽式拓扑电路104、倍压整流电路105、正负极性切换电路107及负载110是一致的。

其中，推挽式拓扑电路404、倍压整流电路405、以及功率MOS驱动电路的电路结构如图4所示，推挽式拓扑电路404和倍压整流电路405用于对MCU输出的直流电压信号进行两次升压，功率MOS驱动电路则是保证MCU控制器403输出的电压信号与正负极性切换电路407上直流电压的基准电平一致。

滤波电路为电感器L1和电容器C4构成的RC滤波器。取样电路则包括电阻R3，电阻R4，稳压二极管D13和运算放大器U1，运放U1的输入连接到MCU，经过滤波电路滤波的直流高压信号(即电压样本)经过电阻R3输入到运放U1的反相输入端，运放U1的同相输入端则通过稳压二极管D13接地。运放U1进行差分比较(对输出电压采样信号和基准电压源进行差分比较)并将放大后的信号输入MCU以供MCU调节直流电压信号的脉冲占空比。

MCU控制器403设有两个用于接收来自外部控制信号端(例如“上位机”)的控制信号的接口。如图所示，MCU403的输入包括TTL电平和232/485通讯指令，TTL电平和232/485通讯指令可以通过用户自定义的形式实现输出控制。而且MCU控制器403的有两条输出线连接到功率MOS驱动电路的一侧将MCU产生的直流电压信号输入到前述驱动电路，以作后续电平校准。

进一步地，如图4所示，正负极性切换电路407包括：多个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7和Q8，Q1、Q2、Q5和Q6的栅极相连，Q3、Q4、Q7和Q8的栅极相连；其中，Q1的第一极与Q3的第一极相连，Q1的第二极与Q2的第一极相连，Q3的第二极与Q4的第一极相连，负载连接于Q2的第二极和Q4的第二极之间；Q2的第二极与Q7的第一极相连，Q4的第二极与Q5的第一极相连，Q7的第二极与Q8的第一极相连，Q5的第二极与Q6的第一极相连，Q6的第二极与Q8的第二极相连。

并且，MOS管Q1、Q2、Q3和Q4是P型MOS管，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的第一极是漏极，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的第二极是源极；MOS管Q5、Q6、Q7和Q8是N型MOS管，MOS管Q5、Q6、Q7、Q8的第一极是源极，MOS管Q5、Q6、Q7、Q8的第二极是漏极。

而且，还包括多个稳压二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8，用于保护上述多个MOS管安全，防止出现瞬态电压过高击穿MOS管导致其损坏。如图4所示，二极管D1和D2串联并且D1的负极与Q1的漏极连接，二极管D3和D4的串联并且D4的负极与Q3的漏极连接，二极管D5和D6串联并且D5的正极与Q6的漏极连接，二极管D7和D8串联并且D7的正极与Q8的漏极连接；二极管D2和D3的正极相连并且还连接到滤波电路106的电感器L1和电容器C4，二极管D6和D8的正极相连并且接地。

而且MOS管Q1、Q2、Q5和Q6的栅极相连并且输出线连接到功率MOS驱动电路的另一侧，Q3、Q4、Q7和Q8的栅极相连并且输出线连接到功率MOS驱动电路的另一侧，因此，功率MOS驱动电路可以对MCU控制器403和正负极性切换电路407的电压进行基准电平校准。

在本实用新型提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。