楊 威，李安慶

(安徽郵電職業(yè)技術學院 通信工程系，安徽 合肥 230061)

在疾病診斷過程中，X光機是主要的成像設備之一，最早應用在無創(chuàng)傷性的內(nèi)臟檢查方面. 隨著科技的不斷進步和醫(yī)療水平的不斷發(fā)展，對高精度、高穩(wěn)定性、高質(zhì)量的醫(yī)用X光機的需求不斷增大. 在實際的臨床應用中，X射線成像必須以減少對患者的傷害，盡可能用最少的劑量來獲得最高的圖像質(zhì)量為前提，因此X光機電源系統(tǒng)的設計與研究在臨床應用方面就極為重要[1-3]. 電源系統(tǒng)輸出電壓值的高低極大地影響人體組織與X射線之間相互作用之后的成像質(zhì)量[4]. 傳統(tǒng)的X射線高壓型發(fā)生器存在著許多明顯的不足，如成像質(zhì)量差、頻率較低、體積大、穩(wěn)定性差等. 為了使X光管在臨床中滿足操作要求，對現(xiàn)有的X光機電源系統(tǒng)進行了改進，設計制作了頻率更高、體積更小、耐壓更強、便于現(xiàn)場操作的新型電源.

1 電源整體結構

根據(jù)高壓電源輸出功率的特性以及X光管的電流特性(X射線管高壓直流電源輸出電壓頻率高、紋波小、穩(wěn)定度高、安全可靠的要求)，采用高頻高壓開關變換技術的方案. 該高壓電源電路主要包括全橋逆變電路、高頻變壓器升壓電路、倍壓整流升壓電路以及內(nèi)部閉環(huán)反饋電路等幾部分組成[5]. 電源整體結構框圖如圖1所示. 電源的工作過程為：外界直流24 V電壓經(jīng)供電電源與軟起動電路加到變壓器一次側，高壓控制電路UC3525AN通過MOSFET通斷使一次側直流變?yōu)榻涣? 再經(jīng)過升壓變壓器升壓，二次側可得到大約5 kV類似正弦波. 在此為了防止高壓輸出端口外界短路和關斷時的尖峰電壓，增加了電阻負載來限制輸出功率和尖峰電壓吸收回路. 變壓器的二次側通過7級倍壓整流電路，可以輸出理論空載電壓為65 kV的高壓，但是因為存在損耗所以不能達到那么高，控制參數(shù)使輸出電壓在最大為50 kV高壓直流. 采用電阻直接采樣的方式，將采樣電壓通過反饋電路反饋給UC3525AN來控制輸出的PWM波形占空比，從而得到設定的電壓值(4～50 kV可調(diào)節(jié))，實現(xiàn)閉環(huán)控制.

圖1 電源整體結構框圖

2 基本電路

2.1 UC3525AN高壓驅(qū)動電路

UC3525AN是單片集成電路，包含一個5 V精度為1%的精密基準電壓源、脈寬調(diào)制器、欠壓保護、軟啟動電路、死區(qū)時間的調(diào)節(jié)電路、輸出驅(qū)動電路等[6]. 與單片機、DSP等微處理器相比，使用UC3525AN可以降低成本而且輸出電壓穩(wěn)定性更高. 與SG3526及其他芯片相比，該芯片內(nèi)的軟起動電路能夠避免開機瞬間的電流沖擊，造成功率開關管的損壞. 同時該芯片在單端模式下輸出最大脈沖占空比為50%.

高壓電源的驅(qū)動電路由芯片UC3525AN發(fā)出的PWM波控制MOSFET的通斷來控制高壓升壓變壓器的輸出功率. 高壓升壓變壓器驅(qū)動電路如圖2所示. 在電路中振蕩器的頻率選擇20 kHz. 外部繼電器通過切換+15 V和-15 V，達到控制UC3525AN的開通與關斷. CT與RT振蕩產(chǎn)生的基波與高壓反饋電壓Vref做比較，產(chǎn)生的PWM波形通過Q3輸出，控制MOSFET導通與關斷達到控制高壓變壓器的開通與關斷，進而控制升壓變壓器輸出功率. 當反饋值小于給定的高壓值時，Q3輸出的PWM方波占空比會增大，增大變壓器的輸出功率，進而升高輸出高壓；反之當反饋值大于給定的高壓值，Q3輸出的PWM方波占空比會減小，減小變壓器的輸出功率，進而降低輸出高壓，從而使電壓調(diào)整到設定電壓.

圖2 高壓升壓變壓器驅(qū)動電路圖

2.2 供電電源與軟啟動電路

為了減少在電源快關瞬間大電流對電容的沖擊，設計了帶有繼電器保護的軟啟動電路[7]. 外界直流電源直接供電+24 V. 電源24 V經(jīng)過FU保險絲給后面的器件供電. INTLK為鎖存，當INTLK懸空時繼電器K1不工作，繼電器K1的3腳沒有切換到4腳給后面器件供電；當INTLK通過一個470 Ω電阻接地時繼電器K1工作，繼電器K1的3腳切換到4腳給后面器件供電. 所以可以通過控制INTLK懸空與接地來控制繼電器，從而控制電源供電. 當繼電器K1工作，+24 V電源供電，與此同時K1的5腳接到6腳使6腳電平為-15 V，解除UC3525AN的鎖定. 此時的3腳與4腳相連接為+24 V電壓，此電壓一路通過壓敏電阻RT1給C1充電，使0～24 V電壓慢慢抬高；另一路通過R1給C2充電，當C2電壓達到+12 V時繼電器K2工作，K2的第3腳與第4腳相連接，讓+24 V直接與0～24 V連接，給高壓升壓變壓器供電. 從而完成了對供電電源的控制與電壓的軟啟動. 供電電源與軟啟動電路如圖3所示.

圖3 供電電源與軟起動電路圖

2.3 變換電路

變換電路由高頻變壓器和MOSFET構成. 根據(jù)電磁感應定律，開關電路在變壓器一次側通過周期性通關產(chǎn)生的周期性變化的電流，在變壓器的二次側會產(chǎn)生與一次側周期相同的感應電動勢，從而達到了直—交的升壓變換[8]. 因此MOSFET和高頻變壓器的選擇最為重要.

(1)MOSFET選擇

在高壓電源電路中,影響電源的可靠性的關鍵器件為MOSFET晶體管. MOSFET晶體管是一種依靠多數(shù)載流子工作的單級型晶體管且不存在二次擊穿的問題，因此MOSFET晶體管具有較大的安全工作區(qū)間，同時良好的散熱性和較快的關斷速度，這是作為高壓電源的最關鍵的選擇條件. 通常MOSFET晶體管的額定電壓必須要大于輸出電壓，額定電流要大于電感電流的峰值. 所以在選擇設計高壓電源時，MOSFET晶體管選擇IRF540N. 耐壓值為100 V，允許通過的最大電流為33 A，導通電阻僅為0.4 Ω，非常的小. IRF540N的開關速度為7 V/ns，非常快，從而大大減少了損耗.

(2)高頻變壓器

為了使X光機做到小型化、便攜式方便，高頻變壓器選擇采用錳鋅鐵氧化體作為變壓器的磁芯. 同時與合金磁性材料相比，鐵氧體的電阻率非常小，從而可以忽略通電時鐵氧體產(chǎn)生的渦流.

2.4 倍壓電路

倍壓整流電路是利用二極管的單相導電性以及濾波電容的儲能作用,從而可以獲得幾倍于高頻變壓器副邊的直流電壓[9]. 這種電路結構簡單，適用于小電流和高電壓電路. 本設計采用7級倍壓整流電路，整流電路的最大輸出電壓為50 kV. 7級倍壓整流電路如圖4所示.

圖4 7級倍壓整流電路圖

2.5 尖峰電壓吸收電路

變壓器是通過磁路耦合工作的，通過將一次側線圈將電能轉換為磁能然后傳輸?shù)蕉蝹龋俎D換為電能，實現(xiàn)電能的傳輸[10]. 尖峰電壓吸收電路如圖5所示. 當MOS管開通時變壓器漏感內(nèi)存儲了一定電能，當MOS關斷時這部分電能依然存在，若是沒有回路放電就會在MOS管關斷的瞬間產(chǎn)生極高的浪涌電壓，有可能會擊穿MOS管，甚至會對空氣放電產(chǎn)生火花. 所以在設計電路時要考慮這部分電能的釋放，圖中并聯(lián)在一次側的R3、C1、VD組成的Snobbery電路，就是專門用于吸收變壓器漏感內(nèi)的能量，減小MOS管關斷時候的浪涌電壓，保護MOS管. 由于MOS管的柵-源存在寄生電容CGS，在柵極有高電平驅(qū)動時容易產(chǎn)生尖峰電流，通過串入小電阻R1可以降低尖峰電流，減小尖峰電流的干擾. 在柵極與源極之間并接的電阻R2是靜態(tài)放電電阻，當MOS管斷開時，保證柵極與源極之間無電壓，防止MOS管誤動作，而且R2的接入還能使柵-源一直保持在低電阻狀態(tài)，增加對外界干擾的抵抗能力.

圖5 尖峰電壓吸收電路圖

3 高壓電源的實驗結果分析

加入X光球管進行帶負載測試是最理想的測試方法，但是因為實驗條件有限，加上產(chǎn)生的X射線對人體有害，所以采用4只200 MΩ電阻并聯(lián)代替X光球管作為負載，即負載電阻為50 MΩ.

3.1 高壓PWM仿真

高壓電路的PWM波是通過帶有高電平鎖定的芯片UC3525AN發(fā)出的. 仿真過程中正弦波模擬實際電路中的高壓反饋電壓，反饋電壓與UC3525AN的三角形基波做比較. 從波形圖上可以清晰地看到UC3525AN發(fā)出PWM波形的占空比隨著正弦波的幅值降低而減少，所以在實際設計電路時的反饋電壓Vref是經(jīng)過轉換得來的，滿足高壓增大反饋的Vref減少，高壓降低反饋的Vref增大. 仿真的結果可以驗證設計的電路原理圖是合理的. UC3525AN產(chǎn)生的PWM波形如圖6所示.

圖6 UC3525AN產(chǎn)生的PWM波形圖

3.2 閉環(huán)測試

測試系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)使用閉環(huán)測試. 對系統(tǒng)的可調(diào)性、穩(wěn)壓性進行檢測. 檢測方法為：記錄下可變電阻調(diào)節(jié)的輸入電壓值，反饋電阻反饋的電壓值，并用電表直接測量電阻兩端的實際電壓數(shù)值. 表1的實驗數(shù)據(jù)表明，輸入電壓值與實際測量值差別不大，紋波系數(shù)在1.5%，電壓精確度在2%，證明電源的控制系統(tǒng)達到要求，可以實現(xiàn)預期的功能.

表1 閉環(huán)測試實驗數(shù)據(jù)

3.3 性能測試實驗

測試系統(tǒng)在電流與電壓同時調(diào)節(jié)時輸出功率的指標. 測試方法為：記錄下可變電阻調(diào)節(jié)的輸入電壓與電流值，反饋電阻反饋的電壓與電流值，并換算為實際的電壓與電流，計算輸出功率. 實驗結果記錄在表2中. 由正常負載下的電壓和電流關系可知，電源實現(xiàn)了輸出電流在0～1 mA之間與電壓在4～50 kV之間連續(xù)可調(diào)；輸出功率達到50 W，滿足設計要求.

表2 性能測試實驗數(shù)據(jù)

4 結論

設計制作的小功率X光機的高壓電源實物如圖7所示. 可以滿足X光機的供電要求，而且使其工作在額定功率以下. 研制的高壓電源功耗低、體積小、性能穩(wěn)定. 通過多次仿真實驗和實驗室檢測以及對采集的數(shù)據(jù)進行分析，研制的高壓電源輸出電壓為4～50 kV，紋波系數(shù)在1.5%，電壓精確度在2%. 當輸出電壓為50 kV時，最大輸出功率為50 W. 實驗結果與理論分析一致，具有一定的醫(yī)學使用價值.

圖7 小功率X光機高壓電源實物圖