一种电泳系统的电源装置

摘要

本发明涉及一种电泳系统的电源装置，它包括依次连接的输入单元、预稳压单元、开关换能单元和高压变换输出单元，将电网工频交流电压先转换成可程控和误差修正的直流电源，然后将直流电源转换为高压脉冲信号，再将高压脉冲信号转换为电泳系统所需的高压直流电压、电流，其特征在于，所述的预稳压单元、开关换能单元和高压变换输出单元与一控制单元构建闭环反馈控制，能够根据电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，以及高压变换输出单元输出误差分析结果，进行自适应调整，以恒压、恒流或恒功率的工作方式为电泳系统提供稳定的高压直流电压、电流。本发明可以用于对电源稳定性要求较高的电泳系统，能够使电泳系统中缓冲液pH梯度更加稳定。

权利要求

1.一种电泳系统的电源装置，其特征在于：它包括输入单元、预稳压单元、开关换能单元、高压变换输出单元、控制单元和辅助电源单元；

所述输入单元输入端连接电网，输出端分别连接所述预稳压单元和所述辅助电源单元输入端，于发生异常情况时切断电网电源的输入；

所述预稳压单元输出端连接所述开关换能单元输入端，将所述输入单元提供的工频交流电压转换为直流输出，输出给所述开关换能单元，同时还将直流输出与电网隔离；

所述开关换能单元输出端连接所述高压变换输出单元输入端，将所述预稳压单元提供的直流输出转换为高压脉冲信号，输出给所述高压变换输出单元；

所述高压变换输出单元输出端连接电泳系统分离腔电极，将所述开关换能单元提供的高压脉冲信号转换为所述电泳系统能够使用的高压直流电压、电流；

所述控制单元通过数据总线连接上位机，与所述上位机进行数据交互，通过数据总线连接所述高压变换输出单元输出端，采集所述高压变换输出单元输出的高压直流电压、电流，通过数据总线连接所述预稳压单元控制端，根据所述电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，以及所述高压变换输出单元输出误差分析结果，调控所述预稳压单元的直流输出，通过数据总线连接所述开关换能单元控制端，调控所述开关换能单元输出的高压脉冲信号的逆变频率和占空比；通过数据总线连接所述高压变换输出单元控制端，根据所述上位机的控制指令开启或关断所述高压变换输出单元的输出；

所述辅助电源单元输出端连接所述控制单元，为其提供工作电压；

所述预稳压单元由依次串联的高频隔离变压器、电涌保护电路、电磁兼容与电磁干扰滤波器、全波整流滤波电路、电压电流温度过流保护电路和三恒反馈控制电路构成；所述三恒反馈控制电路包括电压、电流、功率三个反馈控制分支，每一所述反馈控制分支中均包括一直流电源控制模块、一输出反馈控制模块、一运算放大器和一门控开关，所述直流电源控制模块的输入端连接所述控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接所述运算放大器的第一输入端，所述输出反馈控制模块的输入端连接所述控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接所述运算放大器的第一输入端，所述运算放大器的输出端连接所述门控开关；三个所述门控开关以三选一的逻辑方式导通。

2.如权利要求1所述的一种电泳系统的电源装置，其特征在于：所述输入单元由依次串联的交流接触器、漏电保护器和熔断保护器构成。

3.如权利要求1或2所述的一种电泳系统的电源装置，其特征在于：所述开关换能单元包括全桥移相开关控制模块和采用了软开关技术的全桥高频开关电路，所述全桥移相开关控制模块的输入端连接所述控制单元，输出端经一高压隔离驱动模块连接所述全桥高频开关电路，所述全桥高频开关电路的输入端连接所述预稳压单元的输出端，输出端连接所述高压变换输出单元的输入端。

4.如权利要求1或2所述的一种电泳系统的电源装置，其特征在于：所述高压变换输出单元由依次串联的高压全波整流电路、高压滤波电路、高压EMI滤波电路和电压、电流采样电路，以及输出控制电路构成；所述电压、电流采样电路的输出端分别通过一电压采样信号调理模块、一电流采样信号调理模块连接所述控制单元；所述输出控制电路的控制端通过一高压隔离驱动模块连接所述控制单元，输出端连接所述电泳系统分离腔电极。

5.如权利要求3所述的一种电泳系统的电源装置，其特征在于：所述高压变换输出单元由依次串联的高压全波整流电路、高压滤波电路、高压EMI滤波电路和电压、电流采样电路，以及输出控制电路构成；所述电压、电流采样电路的输出端分别通过一电压采样信号调理模块、一电流采样信号调理模块连接所述控制单元；所述输出控制电路的控制端通过一高压隔离驱动模块连接所述控制单元，输出端连接所述电泳系统分离腔电极。

6.如权利要求1或2或5所述的一种电泳系统的电源装置，其特征在于：所述电压、电流采样信号调理模块均由串联的隔离光耦电路和AD采集电路构成。

7.如权利要求3所述的一种电泳系统的电源装置，其特征在于：所述电压、电流采样信号调理模块均由串联的隔离光耦电路和AD采集电路构成。

8.如权利要求4所述的一种电泳系统的电源装置，其特征在于：所述电压、电流采样信号调理模块均由串联的隔离光耦电路和AD采集电路构成。

说明书

一种电泳系统的电源装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电源装置，特别是关于一种能够用于大型液相等电聚焦电泳系统的电源装置。

背景技术

[0002] 近年来，液相等电聚焦电泳技术给生物大分子的分析和分离注入了新的活力。如在蛋白质分析和分离方面，液相等电聚焦电泳技术能够将蛋白质的损失降低到最小，能够胜任较为精细的蛋白质分析工作，以及完成蛋白质的制备分离实验。在液相等电聚焦电泳系统中，缓冲液pH梯度的稳定性一直是影响蛋白质分离质量的一个重要因素。为了保证缓冲液pH梯度的稳定性，人们一般是从加注缓冲液的方式上来着手：其中，一种方式是直接将具有较低电泳迁移率的不同两性电解质的混合物溶液注入分离腔，在电场的作用下，逐步形成一个天然的pH梯度；另一种方式是，在不同的缓冲液注入口，同时并行注入不同pH的多种缓冲液，形成一个人工的pH梯度。上述两种方式，缓冲液的连续加注和样品的不间断上样，都会导致分离电场入口端的电导不稳定，从而影响电泳的分离精度。

[0003] 在蛋白质分离时，液相等电聚焦电泳系统中缓冲液的pH梯度是靠电场维系的，稳定的pH梯度取决于系统电源的负载适应能力。现有的液相等电聚焦电泳系统一般使用的是传统的“三恒电源”，也就是使用者在使用时，“三恒电源”一次只能输出恒压、恒流或恒功率中的一种。如果“三恒电源”能够自适应地调整进而保持电压或电流的设置值，那么就能够延长分离腔前端pH梯度的稳定时间，因此，研制具备自适应能力的可控高压稳定电源，以更好地保证自由流电泳系统中缓冲液pH梯度的稳定性，是当前研究的总体趋势。

发明内容

[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够根据需要，以恒压、恒流或恒功率的工作方式，自适应地提供稳定的高压直流电源的电泳系统的电源装置。

[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电泳系统的电源装置，其特征在于：它包括输入单元、预稳压单元、开关换能单元、高压变换输出单元、控制单元和辅助电源单元；输入单元输入端连接电网，输出端分别连接预稳压单元和辅助电源单元输入端，于发生异常情况时切断电网电源的输入；预稳压单元输出端连接开关换能单元输入端，将输入单元提供的工频交流电压转换为直流输出，输出给开关换能单元，同时还将直流输出与电网隔离；开关换能单元输出端连接高压变换输出单元输入端，将预稳压单元提供的直流输出转换为高压脉冲信号，输出给高压变换输出单元；高压变换输出单元输出端连接电泳系统分离腔电极，将开关换能单元提供的高压脉冲信号转换为电泳系统能够使用的高压直流电压、电流；控制单元通过数据总线连接上位机，与上位机进行数据交互，通过数据总线连接高压变换输出单元输出端，采集高压变换输出单元输出的高压直流电压、电流，通过数据总线连接预稳压单元控制端，根据电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，以及高压变换输出单元输出误差分析结果，调控预稳压单元的直流输出，通过数据总线连接开关换能单元控制端，调控开关换能单元输出的高压脉冲信号的逆变频率和占空比；通过数据总线连接高压变换输出单元控制端，根据上位机的控制指令开启或关断高压变换输出单元的输出；辅助电源单元输出端连接控制单元，为其提供工作电压。

[0006] 上述预稳压单元由依次串联的高频隔离变压器、电涌保护电路、电磁兼容与电磁干扰滤波器、全波整流滤波电路、电压电流温度过流保护电路和三恒反馈控制电路构成；三恒反馈控制电路包括电压、电流、功率三个反馈控制分支，每一反馈控制分支中均包括一直流电源控制模块、一输出反馈控制模块、一运算放大器和一门控开关，直流电源控制模块的输入端连接控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接运算放大器的输入端，输出反馈控制模块的输入端连接控制单元，输出端通过高压隔离驱动模块和数模转换模块连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接门控开关；三个门控开关以三选一的逻辑方式导通。

[0007] 上述输入单元由依次串联的交流接触器、漏电保护器和熔断保护器构成。

[0008] 上述开关换能单元包括全桥移相开关控制模块和采用了软开关技术的全桥高频开关电路，全桥移相开关控制模块的输入端连接控制单元，输出端经一高压隔离驱动模块连接全桥高频开关电路，全桥高频开关电路的输入端连接预稳压单元的输出端，输出端连接高压变换输出单元的输入端。

[0009] 上述高压变换输出单元由依次串联的高压全波整流电路、高压滤波电路、高压EMI滤波电路和电压、电流采样电路，以及输出控制电路构成；电压、电流采样电路的输出端分别通过一电压采样信号调理模块、一电流采样信号调理模块连接控制单元；输出控制电路的控制端通过一高压隔离驱动模块连接控制单元，输出端连接电泳系统分离腔电极。

[0010] 上述电压、电流采样信号调理模块均由串联的隔离光藕电路和AD采集电路构成。

[0011] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过设置一控制单元，根据电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，自适应地调整电源装置中预稳压单元输出的电压、电流值、功率状态，可以在液相等电聚焦电泳系统分离结合有染料的蛋白质样本时，使其初始泳动的偏移角度明显加大。2、本发明通过设置一控制单元，实时精密采集电源的实际输出，通过相关运算，转化为误差控制信号，反馈控制电源电压、电流、功率的三恒输出，从而能够有效降低电源输出波动，进一步提高电源输出的稳定性，使电泳系统中缓冲液pH梯度更加稳定。3、本发明通过设置一控制单元与上位机交互，通过上位机设置液相等电聚焦电泳系统电源的量程，并实时返回电源的工作状态，实现程控智能操作，此外，还能根据需要及时开启或通断电源输出，增强了电源装置的安全性能。本发明可以用于对电源稳定性要求较高的电泳系统，如液相等电聚焦电泳系统，从而使电泳系统中缓冲液pH梯度更加稳定。

附图说明

[0012] 图1是本发明的组成示意图；

[0013] 图2是本发明的输入单元的组成示意图；

[0014] 图3是本发明的预稳压单元的组成示意图；

[0015] 图4是本发明的预稳压单元的三恒反馈控制电路的组成示意图；

[0016] 图5是本发明的开关换能单元的全桥移相开关控制模块的连接示意图；

[0017] 图6是本发明的开关换能单元的全桥高频开关电路的组成示意图；

[0018] 图7是本发明的高压变换输出单元的组成示意图；

[0019] 图8是本发明的高压变换输出单元的电压、电流采样电路的组成示意图；

[0020] 图9是本发明的高压变换输出单元的高压隔离驱动模块的连接示意图；

[0021] 图10是本发明在恒压、恒流、恒功率工作状态下的电源输出关系示意图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

[0023] 如图1所示，本发明主要由输入单元10、预稳压单元20、开关换能单元30、高压变换输出单元40、控制单元50和辅助电源单元60组成。其中：

[0024] 输入单元10输入端连接电网，输出端分别连接预稳压单元20和辅助电源单元60输入端，用于发生异常情况时切断电网电源的输入，起到保护人身安全的作用。

[0025] 预稳压单元20输出端连接开关换能单元30输入端，用于将输入单元10提供的工频交流电压转换为直流输出，输出给开关换能单元30，同时还将直流输出与电网隔离，以降低电磁干扰。

[0026] 开关换能单元30输出端连接高压变换输出单元40输入端，用于将预稳压单元20提供的直流输出转换为高压脉冲信号，输出给高压变换输出单元40。

[0027] 高压变换输出单元40输出端连接电泳系统分离腔电极，用于将开关换能单元30提供的高压脉冲信号转换为电泳系统能够使用的高压直流电压、电流。

[0028] 控制单元50具有多个信号输入、输出端，其中：

[0029] 1）通过数据总线连接上位机70，与上位机70进行数据交互，接收上位机70的控制指令，反馈本发明电源装置的工作状况；

[0030] 2）通过数据总线连接高压变换输出单元40输出端，采集高压变换输出单元40输出的高压直流电压、电流，以进行误差分析；

[0031] 3）通过数据总线连接预稳压单元20控制端，以根据电泳系统的电源要求和缓冲液负载的变化，以及高压变换输出单元40输出误差分析结果，调控预稳压单元20的直流输出，实现以恒压、恒流或恒功率为目的的闭环反馈控制；

[0032] 4）通过数据总线连接开关换能单元30控制端，调控开关换能单元30输出的高压脉冲信号的逆变频率和占空比，以实现稳压控制；

[0033] 5）通过数据总线连接高压变换输出单元40控制端，根据上位机70的控制指令开启或关断高压变换输出单元40的输出。

[0034] 辅助电源单元60输出端连接控制单元50，为控制单元50提供工作电压。

[0035] 下面结合附图详细说明上述各个单元的具体设置：

[0036] 如图2所示，本发明的输入单元10可以由依次串联的交流接触器17、漏电保护器18和熔断保护器19构成。其中，交流接触器17的输入端与电网输出端连接，熔断保护器
19的输出端分别与预稳压单元20和辅助电源单元60的输入端连接。

[0037] 如图3所示，本发明的预稳压单元20可以由依次串联的高频隔离变压器21、电涌保护电路22、电磁兼容与电磁干扰滤波器23、全波整流滤波电路24、电压电流温度过流保护电路25和三恒反馈控制电路26构成。其中，高频隔离变压器21的输入端与输入单元10中熔断保护器19的输出端连接。三恒反馈控制电路26的输出端与开关换能单元30的输入端连接。全波整流滤波电路24将工频的交流电压转换为预稳直流电压。

[0038] 如图4所示，三恒反馈控制电路26主要由电压、电流、功率三个反馈控制分支构成，每一反馈控制分支中均包括一直流电源控制模块、一输出反馈控制模块、一运算放大器和一门控开关，直流电源控制模块的输入端连接控制单元50，输出端通过一高压隔离驱动模块和一数模转换模块（D/A）连接运算放大器的输入端，输出反馈控制模块的输入端连接控制单元50，输出端通过一高压隔离驱动模块和一数模转换模块（D/A）连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接门控开关。上述三个门控开关以三选一的逻辑方式导通，从而使三恒反馈控制电路26只能以恒压、恒流或恒功率的工作方式输出直流电压、电流给后一级的开关换能单元30。其中，恒压工作方式：电压反馈控制分支中的直流电源控制模块在控制单元发出的电压设置指令下，经高压隔离驱动模块和数模转换模块，输出电压设置信号，同时输出反馈控制模块在控制单元发出的误差修正指令下，输出电压误差信号，电压设置信号和电压误差信号经运算放大器叠加后共同作用于电压电流温度过流保护电路25输出的预稳直流电压，将其调整为符合目标的稳定直流电压，提供给后一级的开关换能单元30。恒流或恒功率的工作方式与恒压的工作方式类似，此处不再赘述。

[0039] 如图5所示，本发明的开关换能单元30可以由采用了软开关技术的全桥高频开关电路31和全桥移相开关控制模块32构成。全桥移相开关控制模块32的输入端连接控制单元50，输出端经高压隔离驱动模块连接全桥高频开关电路31，全桥高频开关电路31的输入端连接预稳压单元20的输出端，输出端连接高压变换输出单元40的输入端。所谓软开关技术是指在电路中增加电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，以消除电压、电流的重叠，降低开关损耗和开关噪声。

[0040] 如图6所示，一种采用了软开关技术的全桥高频开关电路31：作为开关管的MOSFET功率管A/C与B/D轮流导通，相差180°相位角，但是A和D或者B和C不能同时导通，A和B先导通，称为超前桥臂；C和D后导通，称为滞后桥臂。其中，超前桥臂容易实现零电压开关ZVS（Zero Voltage Switch），主要输出滤波电感参与谐振，可以满足开关管A和B关断时并联电容C1和C2的冲放电需要；滞后桥臂由于关断过程中，高压变换器33的副边短路，只有高压变换器33的原边漏感参与谐振，不能迅速完成并联电容C3和C4的冲放电工作，因此需要在滞后桥臂一侧的原边增加原边谐振电感Lr，以实现零电压开关。由于原边谐振电感Lr的增大，会延长原边电流在正负半周期的变化时间，容易导致副边占空比的丢失率升高，降低电源效率，所以原边谐振电感Lr取值不宜过大。零电压开关实质是利用谐振过程对并联电容的冲放电，让某一桥臂中点电压快速升到输入端的电压值（也即预稳压单元20输出的直流电压值）或下降到零值。在同一桥臂的开关管A和B或C和D即将接通时，其并联的二极管D1和D2或D3和D4接通，将对应开关管的两端电压钳在0V，为实现零电压开关创造条件。为了使滞后桥臂更好地实现零电压开关，可以在滞后桥臂的两端并联一辅助谐振网络（图6中电感La，电容C5、C6，二极管D5、D6所构成的电路），既不干扰主回路，又可减小副边占空比丢失率，提高电源效率。

[0041] 高压变换器33是全桥高频开关电路31的重要组成部分，其参数的设定应当充分考虑预估漏感、绕组电容、峰值磁通密度、直流绕组电阻、高频交流电阻、铜损、铁损、重量、温升、窗口利用系数等实际变压器的参数值。由于高压变换器33功率较大(一般数百瓦量级以上)，所以应选用适宜于大功率传输的全桥变换拓扑结构。同时由于高压打火可能经高压变压器分布电容传至控制回路，所以还应对控制回路增加较强的退耦隔离措施。这些均为现有技术，此处不再详述。

[0042] 全桥高频开关电路31中的开关管A/B和C/D由全桥移相开关控制模块32驱动。全桥移相开关控制模块32输出信号，经过高压隔离驱动模块传至全桥高频开关电路31中的两对开关管A/B和C/D，使其以PWM方式交替导通和截止，从而将预稳压单元20提供的直流电压逆变成高频方波交流电压，传送到高压变换器33的原边。高压变换器33通过电能变换，在其副边产生可达几千伏的高压脉冲信号。其中，开关频率和PWM占空比（也即高压脉冲信号的逆变频率和占空比）由控制单元50设定，这样可以达到输出电压的稳压控制效果。同时发生异常时，全桥移相开关控制模块32还能切断全桥高频开关电路31的输出，起到保护电路装置的作用。

[0043] 如图7所示，本发明的高压变换输出电路40可以由依次串联的高压全波整流电路41、高压滤波电路42、高压EMI滤波电路43和电压、电流采样电路44，以及输出控制电路45构成。其中，高压全波整流电路41的输入端与开关换能单元30的输出端连接。输出控制电路45的输出端与电泳系统分离腔电极连接。高压全波整流电路41和高压滤波电路42将开关换能单元30提供的高压脉冲信号整流、滤波，进而转换成高压直流电压；其中，高压滤波电路42由输出滤波电感器和电容组成，输出滤波电感器的参数设定需要考虑滤波电路输出有效电流的最大值和最大波动电流、电感磁芯、功率容量以及滤波电容等多种因素。
一般来说，可以选取输出滤波电感的电流脉动值为最大输出电流的20%，同时在二分之一脉动值时，输出滤波电感应保持连续状态。高压EMI滤波电路43用于进一步提高高压直流电压的抗干扰能力，降低电磁噪声，去除纹波干扰。

[0044] 如图8所示，电压、电流采样电路44对高压滤波EMI电路43输出的高压直流电压、电流进行电阻电容平衡稳压稳流滤波采样，所采集的电压、电流信号分别经过一电压采样信号调理模块、一电流采样信号调理模块送入控制单元50。所述电压、电流采样信号调理模块均可以由串联的隔离光藕电路和AD（模数）采集电路构成。此外，由于开关换能单元30中的高压变换器33容易发生高压泄漏，因此本发明优选低温漂精密电阻构建电压、电流采样电路44。

[0045] 如图9所示，输出控制电路45的控制端通过一高压隔离驱动模块连接控制单元50，在控制单元50的控制下开通或关断高压直流输出，也即本发明的电源输出，以保证电泳系统工作安全性。

[0046] 上述实施例中，可以采用如ADI公司的数字隔离芯片ADUM1410作为图4、图5和图9中的高压隔离驱动模块，将控制单元50与其控制的预稳压单元20、开关换能单元30和高变压输出单元40等高压电路隔离。

[0047] 上述实施例中，可以采用单片机控制芯片作控制单元50。

[0048] 上述实施例中，可以采用UC3879主控芯片作全桥移相开关控制模块32。

[0049] 上述实施例中，电源装置内还可以设置过压、过流、过温保护电路，并将相应的故障指示信号反馈给控制单元50。

[0050] 如图10所示，是本发明在恒压、恒流、恒功率工作状态下的输出，其电压V、电流I、功率P以及负载R随时间变化的示意图：

[0051] 在等电聚焦电泳时，蛋白质分离缓冲液的pH梯度是靠电场维系，稳定的pH梯度取决于液相等电聚焦电泳系统稳定电源的负载适应能力。电泳过程中，可以把电泳腔体等效为一只负载电阻，其阻值高低由缓冲体系的离子强度决定。在电泳初始时刻，由于缓冲液的阻抗较小，电流较大，当超过某一限度，产生的焦耳热就可能导致系统工作失败。因此需要预先设置电流上限值IW，当电流达到IW时，本发明启动控制单元，以恒流输出状态工作。t0～t1就是恒流输出阶段。在恒流输出阶段，缓冲体系中两性电解质的趋向泳动导致电泳电极间的电压升高和输出功率增大。根据系统对焦耳热的交换能力，在保证系统正常工作的前提下，预先设置输出功率的上限PW。当输出功率达到PW时，本发明启动控制单元，以恒功率输出状态工作。t1～t2就是恒功率输出阶段。在恒功率输出阶段，电压仍在上升，而电流在下降，电压和电流的乘积保持不变。随着电泳系统阻抗RL的持续增加，输出电压继续上升。因此需要预先设置电压的上限值UW，当电压达到UW时，本发明启动控制单元，以恒压输出状态工作。t2之后就是恒压输出阶段。

[0052] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。