基于自耦变压器的喷雾仪设计与分析

戴银斌

（宁波三星医疗电气股份有限公司，浙江宁波315000）

0 引言

喷雾仪相关的应用已经实行多年，相关技术已经用到了补水保湿美容仪器上，它能快速实现水珠的纳米级雾化，而纳米喷雾仪的核心是微孔雾化片。但由于雾化片生产工艺的限制，其自身谐振频率存在一定差异，故而无法使用固定频率的驱动信号来驱动，因此首先需要获取雾化片谐振点，进而驱动雾化片喷雾。本文对扫频原理及控制雾化量方法做了进一步的研究。

1 雾化片驱动电路原理

1.1 微孔雾化片工作原理

微孔雾化片由环形压电陶瓷与圆形钢片（中心带激光孔）粘合而成，以外径20 mm、谐振频率113 kHz的雾化片为例，如图1所示，其原理是在雾化片的压电陶瓷两端（红黑线）施加一定频率的交流电压，使得压电陶瓷振动，高频振动导致喷雾仪水箱压强变化，使得水从雾化片微孔中喷出。

图1 雾化片示意图

雾化片驱动方式一般分为固定频率驱动和扫频获取频率驱动。固定频率驱动方式简化了操作流程，但这种方式无法使每个雾化片都工作在谐振频率点下，导致了驱动效率降低。因此，用扫频获取频率再驱动雾化片的方式更值得我们选择。

1.2 雾化片驱动电路

研究扫频原理前，首先需要了解雾化片的特性，当雾化片驱动信号的频率与雾化片自身谐振频率越接近，则雾化片自身等效阻抗越低，在谐振频率点阻抗最小。

1.2.1 两级升压式驱动电路

两级升压式驱动电路是一种比较常见的雾化片驱动电路，如图2所示。

图2 两级升压驱动电路原理图

该电路采用5 V电压信号通过两级升压的方式来驱动雾化片工作，在扫频过程中，一个恒定频率恒定占空比的驱动信号DCPWM输出至第一级[1]升压电路MOS管M1的栅极，使第一级升压电路处于恒定功率升压模式，同时SCPWM输出一个从100 kHz开始到120 kHz的递增步进频率信号。在此过程中通过采集反馈信号FB来确定雾化片的谐振频率，由于输出功率恒定，当FB电压最小时对应的频率就是该雾化片的谐振频率，但该方式效率较低，电感发热严重。

1.2.2 自耦变压器式驱动电路

较两级升压式驱动电路而言，自耦变压器[2]驱动电路效率更高，外围器件更少，省去了第一级升压电路，降低了电路复杂度，减少了成本，如图3所示。

图3 自耦变压器驱动电路原理图

该电路直接将5 V电压信号通过自耦变压器L1升压后，驱动雾化片工作。扫频原理与两级升压式驱动电路相似，在扫频过程中，M_GATE信号输出一定范围的递增（或递减）频率（该频率需覆盖雾化片谐振频率范围）驱动MOS管M2栅极，在此过程中通过采集反馈信号FB来确定雾化片的谐振频率，由于输出电压5 V恒定，当FB电压最大时对应的频率就是该雾化片的谐振频率。

对比两级升压式驱动电路，该电路性价比更优，值得我们研究。下节主要针对这种驱动电路，通过电路仿真来更好地确定自耦变压器的主要参数值。

2 扫频电路PSIM仿真

该节主要通过PSIM软件来对自耦变压器驱动电路进行仿真，搭建仿真电路之前，首先得确定雾化片的仿真模型。

2.1 微孔雾化片仿真模型

理论上任何一个器件都可以通过电感、电阻跟电容组合的方式来建模，如图4所示。

图4 雾化片PSIM仿真模型

其中，L1、C1和R1的值可以根据雾化片的谐振频率来确定（即LC组合成模型的谐振频率等于雾化片谐振频率），C2可以厂家所提供雾化片规格书里的静态电容值做参考。

2.2 自耦变压器选型

自耦变压器也称为三脚升压电感，有别于普通的变压器，但仿真时可以拿变压器来代替。

该电路的驱动方式，主要是通过自耦变压器与电容组成驱动电路，来驱动雾化片工作，本节通过PSIM仿真来确定变压器参考值，首先通过图3自耦变压器驱动电路原理图来搭建仿真模型，如图5所示。

图5 自耦变压器驱动电路仿真模型

通过对该电路模型的多次仿真可以判定：

自耦变压器副边电感量越趋于理想状态，雾化片两端的电压波形越接近于正弦波半波，而流经雾化片的电流波形越接近正弦波，如图6雾化片两端电压及电流波形1所示。

图6 雾化片两端电压及电流波形1

当电感量变小时，雾化片两端的电压波形便不再是正弦波半波，而流经雾化片的电流波形也不再是正弦波，如图7雾化片两端电压及电流波形2所示。

当电感量变大时，雾化片两端的电压波形不再是正弦波半波，如图8雾化片两端电压及电流波形3所示。

通过此方法，可获得自耦变压器副边理想的电感参考值。

而自耦变压器原副边的匝数比直接决定雾化片两端的正弦波半波电压幅值大小，原边电感量则根据实际雾化效果来决定（在雾化片可承受电气性能范围内选择）。

图7 雾化片两端电压及电流波形2

图8 雾化片两端电压及电流波形3

3 喷雾仪雾化量控制算法

调节喷雾仪雾化量最直接的方法就是调节雾化片两端的电压幅值，但这种方式只能在硬件参数还未确定的情况下操作，对于方案已经确定的情况来说，操作起来相对复杂麻烦，调节起来不够灵活。

下文在不改变硬件参数的前提下（硬件参数决定雾化量的最大值，所以下文给出的控制方法都是指将雾化量往小的方向调节），给出了三种不同的雾化量调节方法分析：（1）调节占空比法；（2）间断开关法；（3）依据电流确定频率法。

3.1 调节占空比法

顾名思义，该方法就是调节MOS管M2（图3）的栅极驱动信号的占空比大小，理想的占空比为50%，当减小占空比时，仿真所得的电压波形已经不是正弦波，影响转换效率，如图9所示，实际电路测试中发现当占空比减小后，对于不同雾化片之间的雾化量差异性过大。

图9 雾化片两端电压及电流波形4

3.2 间断开关法

间断开关法是将MOS管栅极驱动信号在原开关频率f0的基础上，再加入一级的开关频率f1（f1必定小于f0），该方式能在不改变驱动频率跟占空比的情况下有效减小雾化量，但是由于f1的开关频率较f0小很多（有噪声），用户体验较差。

3.3 依据电流确定频率法

该方法是通过雾化片工作电流大小来控制雾化量，首先需要先通过扫频电路获取雾化片的谐振频率f0，然后记下f0对应雾化片的工作电流大小I0，然后将I0按一定比例缩小得到I1，即：

n的数值可以根据实际雾化片调整，再通过扫频电路获取电流值I1对应的驱动频率f1，通过该方法，可有效减少雾化量，且实际验证在比例系数n取值合理的前提下，不同雾化片之间雾化量差异在可接受范围内。

因此，最终采用该方式控制雾化量。

4 结语

通过上述研究，经过制作样机验证，使用自耦变压器升压的驱动方式能高效准确地获取雾化片谐振点频率，并将PSIM仿真获取的自耦变压器电感量作为参考依据，能更好地得到合适的参数，样机采用根据电流确定驱动频率法很好地实现了喷雾仪的两级喷雾功能。