醫(yī)用便攜式X射線機(jī)電源設(shè)計(jì)方案

楊梅

遼寧開(kāi)普醫(yī)療系統(tǒng)有限公司 遼寧本溪 117004

醫(yī)用便攜式X射線機(jī)又叫手提式X光機(jī)，由于該產(chǎn)品具有成本低、體積小、重量輕、對(duì)外部電源要求低、射線劑量低、操作簡(jiǎn)便、故障率低等特點(diǎn)，近年來(lái)受到眾多領(lǐng)域的青睞，如部隊(duì)、各級(jí)醫(yī)院、診所、校醫(yī)室、體檢中心、體育院校、寵物醫(yī)院等。

便攜式X射線機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，從設(shè)備外觀上看包括便攜式X射線機(jī)主機(jī)、束光器、曝光手柄、運(yùn)輸箱等；從功能及結(jié)構(gòu)上劃分，由X射線管芯、高壓油箱、控制部分、電源部分及輔助機(jī)械裝置等主要部件組成。其中的電源部分是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本文主要論述電源部分的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方法[1-2]。

便攜X射線機(jī)電源部分的主要功能是：為儲(chǔ)能組件充電、為控制部分提供工作電源、實(shí)現(xiàn)X射線管芯燈絲控制；電源部分應(yīng)具備七種接口：外部電源輸入接口、電源輸出接口、與限束器電源接口、燈絲輸出接口、與控制部分電源接口、驅(qū)動(dòng)輸入接口和逆變輸出接口。電源部分的電路在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不但要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能并提供這些接口，同時(shí)要求電源效率高、電路簡(jiǎn)潔、節(jié)省體積。根據(jù)上面的要求，將電源部分設(shè)計(jì)為四個(gè)功能模塊：整流濾波模塊、電源模塊、燈絲驅(qū)動(dòng)模塊、逆變模塊。電源部分結(jié)構(gòu)圖如下。下文將分別對(duì)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

圖1 電源結(jié)構(gòu)圖

整流濾波模塊由整流、濾波、緩啟動(dòng)、母線電壓準(zhǔn)備等電路組成；電源模塊由PWM、功率變換、整流濾波、穩(wěn)壓環(huán)路等電路組成；燈絲驅(qū)動(dòng)模塊由PFM、逆變、反饋取樣、燈絲切換等電路組成；逆變模塊主要由驅(qū)動(dòng)、逆變、諧振等電路組成。

整流濾波的功能是：將輸入的工頻網(wǎng)電源電壓經(jīng)過(guò)緩啟動(dòng)環(huán)節(jié)整流濾波（或倍壓整流濾波）為直流母線電壓，同時(shí)反饋給控制板一個(gè)邏輯信號(hào)，以確定母線電壓是否滿足曝光條件。緩啟動(dòng)和母線電壓準(zhǔn)備電路是這部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。上電時(shí)，控制部分不給繼電器動(dòng)作信號(hào)，繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)，濾波電容的充電電流只能流經(jīng)充電電阻，限制了充電電流的浪涌，當(dāng)電容組的充電電壓達(dá)到約290V左右時(shí)，充電信號(hào)產(chǎn)生，繼電器處于開(kāi)通狀態(tài)，電容組的充電電流將由繼電器流入，實(shí)現(xiàn)了緩啟動(dòng)功能。那么控制繼電器的信號(hào)是如何產(chǎn)生并完成緩啟動(dòng)的呢？首先，母線電壓準(zhǔn)備電路主要由母線電壓取樣電路和基準(zhǔn)比較反饋組成，當(dāng)母線電壓與電網(wǎng)電壓峰值相差15V時(shí)，反饋電平由0跳轉(zhuǎn)為12V，然后，控制部分讀取此信號(hào)，此時(shí)控制部分為緩啟動(dòng)電路提供繼電器開(kāi)通信號(hào)，這樣就完成緩啟動(dòng)過(guò)程。

電源電路的功能是將直流母線電壓轉(zhuǎn)換為燈絲電路、控制板、限束器等所需的直流電壓。這部分電源模塊由典型的反激多路輸出電路構(gòu)成，分別輸出+12V，-12V，+18V，+15V，+32V，穩(wěn)壓反饋由主輸出+12V提供。PWM調(diào)制電路和功率變換用MOSFET合二為一，可選擇TOP271EG芯片，使其兩者集成在一起。TOP271EG顯著特點(diǎn)是集成度高、外接元器件少，這樣可以減少體積，提高可靠性；另外，該器件有完整的內(nèi)部保護(hù)功能，包括輸入欠壓保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、芯片過(guò)熱保護(hù)以及故障消除后自重啟功能[3]。

燈絲電路的功能是，按照CPU設(shè)定，由燈絲驅(qū)動(dòng)電路，為球管的大、小燈絲提供燈絲電流，同時(shí)將大、小燈絲電流反饋給控制板，并檢測(cè)燈絲電流是否有錯(cuò)誤，以反饋至控制板。PFM和逆變電路PFM采用具有高可靠性的L6599D芯片，L6599D提供兩級(jí)過(guò)流保護(hù)、自鎖禁止輸入、輕負(fù)載突發(fā)模式操作和一個(gè)上電/斷電順序或欠壓保護(hù)，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供輸出電流0．6A、輸入電流1．2A的驅(qū)動(dòng)能力，內(nèi)部集成上管驅(qū)動(dòng)用的自舉二極管，適用于設(shè)計(jì)高效率小體積的半橋諧振變換器。本設(shè)計(jì)是使變換器工作于電流連續(xù)模式下的串聯(lián)諧振狀態(tài)，使得功率MOSFET一直工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，減少燈絲驅(qū)動(dòng)模塊的損耗，提升了整機(jī)效率。開(kāi)關(guān)頻率范圍為18kHz至100kHz。電流反饋回路，其電路工作過(guò)程如下：電流互感器對(duì)燈絲電流取樣，經(jīng)整流濾波后得到電流平均值，經(jīng)阻抗變換后，進(jìn)行信號(hào)放大，完成燈絲電流的IV轉(zhuǎn)換，將燈絲電流轉(zhuǎn)換為直流電壓值，作為燈絲電流反饋，與CPU輸入的燈絲電流給定一起輸入至誤差放大器，誤差放大器輸出作為PFM調(diào)制器的調(diào)制信號(hào)。

逆變模塊主要由逆變和諧振主回路構(gòu)成，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器分別為全橋逆變的超前臂和滯后臂的上下管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將母線直流電壓轉(zhuǎn)換為交流階梯波，作為諧振主回路的輸入，諧振主回路在開(kāi)關(guān)頻率內(nèi)將一直工作感性區(qū)域，使得逆變開(kāi)關(guān)管工作于零電壓開(kāi)通狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的電容使得開(kāi)關(guān)管工作于零電壓關(guān)斷條件。

以上是便攜X射線機(jī)電源部分的設(shè)計(jì)方案，在進(jìn)行電源部分的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意，接插件之間需要有一定空間，防止接線時(shí)干涉；接插件盡量選擇不同的型號(hào)，防止誤插。

綜上，醫(yī)用便攜式X射線機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，其電源部分的電路按照整流濾波模塊、電源模塊、燈絲驅(qū)動(dòng)模塊、逆變模塊四個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以在滿足系統(tǒng)儲(chǔ)能組件充電、為控制部分提供工作電源、實(shí)現(xiàn)X射線管芯燈絲控制功能的同時(shí)，提高電源效率并盡可能縮小電源部分的體積。