DNA分析仪高压电源纹波与噪声的测量

崔海涛 金川 公安部第一研究所

引言

直流高压电源为DNA分析仪样品进样和毛细管阵列电泳分离提供驱动力，是DNA分析仪的核心部件。大多数毛细管阵列电泳分离采用恒压操作模式[1]，高稳定度的电压是获得迁移时间重现性的必要条件，高压电源输出电压附着的纹波与噪声对电泳分离的精度、准确度和重现性有着决定性的影响，重现性是DNA分析仪进行定性鉴别的基础。

理解高压电源纹波与噪声的产生机理，了解纹波电压、纹波系数的定义，掌握高压电源纹波与噪声的测量方法，对筛选满足要求的高压电源至关重要，也有助于高压电源设计时有针对性地改进纹波与噪声抑制电路，从源头上抑制纹波与噪声的产生。

一、纹波与噪声产生机理

直流电源一般有线性电源和开关电源两种，线性电源一般不用在升压状态。DNA分析仪所用直流电源需要 0 ～20kV DC之间连续可调，要求体积小、重量轻、高可靠、低纹波，一般基于开关电源原理，采用高压谐振逆变技术结合具体的高压控制要求设计生产，这就必然会产生纹波和噪声的干扰。

纹波可以用数字示波器观察到，它附着于直流分量上，并围绕直流上下轻微波动，如同水平面上水纹的波动，所以称为纹波。纹波产生的原因很复杂，分为低频纹波、高频纹波和倍压电路产生的纹波。纹波一般呈现周期性，不同电源的纹波波形是不一样的，纹波不可能完全消除，但是可以采取措施抑制到尽量小。

噪声有共模噪声、超高频谐波噪声、闭环控制导致的噪声等。如电源内部的导线、功率器件与变压器初、次级线圈和散热片之间的寄生电容都会在输出端产生共模噪声；高频整流二极管反向恢复、功率器件工作在开关状态、线路中的寄生电感发生谐振都会产生超高频谐波噪声；闭环控制的元器件参数不合适、输出端负载变化则会产生闭环控制噪声。噪声也是无法避免的，但分清楚原因，有针对性地采取措施可以减小噪声。

通常在对高压电源进行测量时无法严格分别测量纹波电压与噪声，也没有必要刻意把它们分开，需要关注的是二者的共同作用对毛细管阵列电泳结果的影响，因此测量的是电源输出端纹波和噪声二者的合成干扰。通常将纹波与噪声合起来称为脉动电压，用δU表示，表达式为：

Up为 负载两端加载的平均直流高压值，Ip为负载平均电流值，RL为 负载电阻值，fc为 脉动电压频率。δU与Up的比值被称为脉动系数，用S表示，即：

在毛细管阵列电泳过程中，要求在额定电压下S≤0.02%，所需的高压源额定输出电压为-20kV，则脉动电压值应该不大于4V。

二、测量方法

由于高压电源额定输出电压超过了普通测试仪器（如万用表、数字示波器）的测量上限，必须采用间接测量的方式。高压直流分量一般先经过高压衰减探头的衰减，然后接入数字示波器测量，但是脉动电压不能这样测量，因为脉动电压波形经过变频（中频）平滑处理后其脉动峰值比直流电压平均值要小得多，经过高压衰减探头衰减后脉动电压基本被高压直流分量淹没，因此要准确测量并非一件容易的事。为了保证测量的准确性，尝试了各种不同的测量方法[3,4]，如分压器测量、脉动电流整流法及电容电阻法等，这些测试方法各有优缺点，对测试方法的要求是不能引起测试波形的失真、畸变，保证测试数据的真实性和有效性。

经过大量试验，C-R阻容法仍然被认为是目前最好的测量方法[5]，但是用此方法做到准确测量，必须在具体电路设计时注意许多特别的细节。

C-R阻容法测量原理如图2所示。从理论上说，如果想得到最理想的脉动电压波形，则隔值电容C相对高压直流分量可视为开路、相对脉动电压视为短路，即高压直流分量都降落在C上，而脉动电压全部降落在取样电阻R上，数字示波器就可以直接测量R两端的电压波形了。对图2中C和R组成的分压电路，其分压比对直流而言为零，对角频率为ω的脉动电压，分压比为：

若C上无脉动压降，则：

即

代入（3）式

在整个频谱范围内要使（6）式成立，必须

通过调整R或C的值可以满足（7）式的要求。

隔值电容C与示波器探头线缆、示波器入口电容、示波器输入电阻串联在一起组成了一个关于ω的分压电路，要求C值大于示波器探头线缆电容和示波器入口电容之和，在ω下的阻抗值(ωC)-1小于示波器的输入电阻，否则在C上会有脉动电压的分压，数字示波器的测量值会偏小。

R值取值要远大于示波器的输入电阻值，两者的并联值近似等于示波器输入电阻值，则R可视为开路，脉动电压全部降落在示波器入口处，这时的测量结果就足够准确了。

三、实验

（一）平台设计

根据以上分析设计的测试平台如图3所示，主要由CR分压电路、数字示波器、负载电阻、高压衰减探头、被测电源等组成。高压负载电阻用来模拟毛细管阵列电泳时的等效电阻值，由于毛细管阵列电泳时近似于开路，因此高压负载一般选取60MΩ～100MΩ、耐压值大于40kV。高压衰减探头采用美国泰克公司的P6015A型，其衰减比为1000:1，用来测量电源输出的高压直流分量。

C-R分压电路及幅频特性曲线如图4所示。

隔直电容C的选型非常重要，要求耐压高、漏电流小、体积小。为提高耐压值使用5个电容串联，为防止因串联电容器的漏电流不均匀造成电容之间电压分配不均匀而引起的电容击穿，需要对电容筛选以保证性能一致。测试平台使用尺寸小、耐压高、性能稳定、不易燃爆的陶瓷电容，电容值为2.2nF/20kV DC。

由所测试的高压电源电路工作原理得知，功率器件的开关频率在1MHz以上。为满足公式（7）的要求，取样电阻R选取100kΩ±0.1%的精密金属模电阻。

实际使用时还需考虑采取安全措施，按照国家相关标准，被测电压达到20kV时，安全距离要大于0.7m，并对场地条件提出了要求，这给测试平台使用带来了不便，为此将C-R分压电路密闭于一个绝缘壳体中央，壳体两端只留有必要的输入、输出接头。在绝缘壳体内部为了防止高压放电，在高压器件与屏蔽壳之间灌满绝缘胶，输入、输出接口处也用绝缘胶封闭。绝缘壳体使用高耐压材料制作，如聚四氟乙烯（PTFE/F-4，耐压值>10kV/mm）、聚酰亚胺（PI，耐压值>100kV/mm）等。

使用5500A型多功能校正器和数字示波器对测试平台的频率响应进行测试，结果如图4所示，可见从几十Hz到20MHz幅频曲线是平滑的，增益基本为0dB。

（二）测试试验

采用以上平台对2台HPR-30N（A）-L2高压电源进行测试，测试波形如图5所示，可以看出该高压电源输出纹波主要为开关变换电路产生的高频纹波，噪声为功率器件开关时产生的超高频谐波噪声。

两台电源输出高压直流分量与脉动电压的测量结果如表1、表2所示，从表中计算的脉动系数可以看出均小于万分之二，满足毛细管阵列电泳的要求。

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使用MATLAB软件将高压输出值与脉动电压进行曲线拟合，图6与表1、表2结合可以看出，随着输出高压的升高，脉动电压随之升高，脉动系数也增大，说明脉动电压相较于输出高压增大的速率更快，因此如果要进行高压电源纹波抑制电路设计，重点是抑制高电压阶段的脉动电压输出。

四、结论

利用C-R阻容法构成的纹波采样电路与数字示波器、高压衰减探头一起建立了高压电源纹波与噪声测试平台，详细介绍了C-R阻容电路关键器件的选取要点，测试结果真实反映了被测高压电源的纹波与噪声波形，为毛细管阵列电泳选择合适的高压电源提供了技术依据。对脉动电压与高压输出值进行了曲线拟和，直观显示了两者之间的关系，为自行设计高压电源模块抑制纹波与噪声提供了准确的数据支撑。