便攜式醫療超聲前端電源組成和高壓電路設計

孟憲華 李健鐸

(東軟醫療系統股份有限公司，遼寧 沈陽110034）

醫療超聲成像具有無輻射、成像方便快捷、應用領域廣等優點，已成為臨床診斷上不可或缺的醫療設備。便攜式醫療超聲與傳統臺車式醫療超聲相比：它的成本低、功耗低，特別適用于重癥、急癥的現場診斷，災區的現場救治以及戰地醫療等多種場合。因此便攜式醫療超聲將具有廣闊的市場前景和巨大的應用價值。在此背景下，本文針對便攜式醫療超聲前端結構，設計了電源系統，同時對基于Flyback 拓撲的高壓電路做了原理圖分析、計算以及仿真等工作，驗證了方案得可行性。本文設計的電源系統在保證系統電路性能的基礎上縮小了便攜式醫療超聲的體積，提高了便攜性。

1 前端電源結構組成

前端電源主要負責前端系統供電，即高集成度AFE 芯片、高壓發射芯片以及前端波束合成用FPGA 等，其電源組成見圖1，電源系統啟動時序簡述如下：由電池穩壓器提供DC16V 電源，依據前端系統要求，需要優先啟動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 選擇匹配運行模式的電壓值進行高壓發射。

圖1 前端系統電源組成圖

2 高壓電路原理及設計

高壓電路要求：輸入14-20Vdc，輸出0-±90VDC 可調，單端電流0.135A，Pout 為2*12.5W。經過DCDC 變換器的拓撲對比，選定變換器作為高壓電路的拓撲進行設計。

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獲得能量而得名。Flyback 變換器在主開關管導通期間，電路只存儲而不傳遞能量；在主開關關斷時，才向負載傳遞能量。優點：電路簡單、能提供多路直流輸出；轉換效率高；匝數比值較?。惠斎腚妷翰▌哟髸r，輸出電壓仍然穩定。

圖2 Flyback 變換器拓撲

2.2 flyback 變換器的設計仿真

采用LTspice XVII 設計flyback 拓撲變換器，選擇比較成熟的LT3758A 為flyback 變換器的控制器，依據2.1 的公式理論計算值以及工程經驗結合LTspice 系統自帶的元件模型，設計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，該電路工作頻率設置300KHz，設置SS 腳電容為0.01uF 軟啟動時間1.3ms，仿真時間設置3ms。

圖4 flyback 變換器控制電路

設計電壓調節電路見圖5，采用非隔離式運放進行仿真，實際電路采用隔離運放。LT3758A 的FBX 引腳為高壓輸出反饋，內置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 的關系：+HV=(36.98Vdac)V,±HV 對稱輸出，±HV 輸出由Vdac 設定。

圖5 flyback 變換器調壓回路

3 高壓電路調試測試

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

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圖6 輸出±50V 啟動時間

4 結論

本文介紹的便攜式前端電源適用集成度較高的AFE 和發射芯片。采用LTspice 仿真flyback 反激變換器，驗證了電路參數計算和整體設計的合理性，避免了因各方面疏漏二次制板的風險。通過對Flyback 反激變換器的仿真，確定該高壓電路設計可對前端電路提供穩定可靠的正負高壓。