便攜式醫(yī)療超聲前端電源組成和高壓電路設(shè)計(jì)

孟憲華 李健鐸

(東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 沈陽110034）

醫(yī)療超聲成像具有無輻射、成像方便快捷、應(yīng)用領(lǐng)域廣等優(yōu)點(diǎn)，已成為臨床診斷上不可或缺的醫(yī)療設(shè)備。便攜式醫(yī)療超聲與傳統(tǒng)臺車式醫(yī)療超聲相比：它的成本低、功耗低，特別適用于重癥、急癥的現(xiàn)場診斷，災(zāi)區(qū)的現(xiàn)場救治以及戰(zhàn)地醫(yī)療等多種場合。因此便攜式醫(yī)療超聲將具有廣闊的市場前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值。在此背景下，本文針對便攜式醫(yī)療超聲前端結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了電源系統(tǒng)，同時(shí)對基于Flyback 拓?fù)涞母邏弘娐纷隽嗽韴D分析、計(jì)算以及仿真等工作，驗(yàn)證了方案得可行性。本文設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)在保證系統(tǒng)電路性能的基礎(chǔ)上縮小了便攜式醫(yī)療超聲的體積，提高了便攜性。

1 前端電源結(jié)構(gòu)組成

前端電源主要負(fù)責(zé)前端系統(tǒng)供電，即高集成度AFE 芯片、高壓發(fā)射芯片以及前端波束合成用FPGA 等，其電源組成見圖1，電源系統(tǒng)啟動時(shí)序簡述如下：由電池穩(wěn)壓器提供DC16V 電源，依據(jù)前端系統(tǒng)要求，需要優(yōu)先啟動3.3V 為clock、Flash 等供電；其次，前端FPGA 上電依次+D1P0V、+D1P8V、+D1P2V、+D2P5V 順序進(jìn)行啟動；啟動3V、18.V、±3.3V、2.5V 等為AFE、TX 等芯片供電；最后啟動0～±100V 選擇匹配運(yùn)行模式的電壓值進(jìn)行高壓發(fā)射。

圖1 前端系統(tǒng)電源組成圖

2 高壓電路原理及設(shè)計(jì)

高壓電路要求：輸入14-20Vdc，輸出0-±90VDC 可調(diào)，單端電流0.135A，Pout 為2*12.5W。經(jīng)過DCDC 變換器的拓?fù)鋵Ρ?，選定變換器作為高壓電路的拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 Flyback 變換器原理

Flyback 變換器，也稱單端反激式DCDC 變換器，因其輸出端在原邊繞組斷開電源時(shí)獲得能量而得名。Flyback 變換器在主開關(guān)管導(dǎo)通期間，電路只存儲而不傳遞能量；在主開關(guān)關(guān)斷時(shí)，才向負(fù)載傳遞能量。優(yōu)點(diǎn)：電路簡單、能提供多路直流輸出；轉(zhuǎn)換效率高；匝數(shù)比值較小；輸入電壓波動大時(shí)，輸出電壓仍然穩(wěn)定。

圖2 Flyback 變換器拓?fù)?/p>

2.2 flyback 變換器的設(shè)計(jì)仿真

采用LTspice XVII 設(shè)計(jì)flyback 拓?fù)渥儞Q器，選擇比較成熟的LT3758A 為flyback 變換器的控制器，依據(jù)2.1 的公式理論計(jì)算值以及工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合LTspice 系統(tǒng)自帶的元件模型，設(shè)計(jì)出反激變換器的主回路見圖3。

圖3 flyback 變換器主回路

控制電路如圖4 所示，該電路工作頻率設(shè)置300KHz，設(shè)置SS 腳電容為0.01uF 軟啟動時(shí)間1.3ms，仿真時(shí)間設(shè)置3ms。

圖4 flyback 變換器控制電路

設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)電路見圖5，采用非隔離式運(yùn)放進(jìn)行仿真，實(shí)際電路采用隔離運(yùn)放。LT3758A 的FBX 引腳為高壓輸出反饋，內(nèi)置1.6V 參考電壓，反饋用電阻精度選擇0.1%，則理論高壓輸出和Vdac 的關(guān)系：+HV=(36.98Vdac)V,±HV 對稱輸出，±HV 輸出由Vdac 設(shè)定。

圖5 flyback 變換器調(diào)壓回路

3 高壓電路調(diào)試測試

手動設(shè)置DAC 電壓值0～2.44V 則HV 輸出在0～90.23V 范圍內(nèi)，啟動仿真器并測試仿真結(jié)果見下表，輸出值均在要求范圍內(nèi)，圖6 為設(shè)定±50V 輸出波形。

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圖6 輸出±50V 啟動時(shí)間

4 結(jié)論

本文介紹的便攜式前端電源適用集成度較高的AFE 和發(fā)射芯片。采用LTspice 仿真flyback 反激變換器，驗(yàn)證了電路參數(shù)計(jì)算和整體設(shè)計(jì)的合理性，避免了因各方面疏漏二次制板的風(fēng)險(xiǎn)。通過對Flyback 反激變換器的仿真，確定該高壓電路設(shè)計(jì)可對前端電路提供穩(wěn)定可靠的正負(fù)高壓。