醫用便攜式X射線機電源設計方案

楊梅

遼寧開普醫療系統有限公司 遼寧本溪 117004

醫用便攜式X射線機又叫手提式X光機，由于該產品具有成本低、體積小、重量輕、對外部電源要求低、射線劑量低、操作簡便、故障率低等特點，近年來受到眾多領域的青睞，如部隊、各級醫院、診所、校醫室、體檢中心、體育院校、寵物醫院等。

便攜式X射線機結構緊湊，從設備外觀上看包括便攜式X射線機主機、束光器、曝光手柄、運輸箱等；從功能及結構上劃分，由X射線管芯、高壓油箱、控制部分、電源部分及輔助機械裝置等主要部件組成。其中的電源部分是設計的難點，本文主要論述電源部分的設計方案及實現方法[1-2]。

便攜X射線機電源部分的主要功能是：為儲能組件充電、為控制部分提供工作電源、實現X射線管芯燈絲控制；電源部分應具備七種接口：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、驅動輸入接口和逆變輸出接口。電源部分的電路在設計過程中，不但要實現系統功能并提供這些接口，同時要求電源效率高、電路簡潔、節省體積。根據上面的要求，將電源部分設計為四個功能模塊：整流濾波模塊、電源模塊、燈絲驅動模塊、逆變模塊。電源部分結構圖如下。下文將分別對各個模塊的設計進行闡述。

圖1 電源結構圖

整流濾波模塊由整流、濾波、緩啟動、母線電壓準備等電路組成；電源模塊由PWM、功率變換、整流濾波、穩壓環路等電路組成；燈絲驅動模塊由PFM、逆變、反饋取樣、燈絲切換等電路組成；逆變模塊主要由驅動、逆變、諧振等電路組成。

整流濾波的功能是：將輸入的工頻網電源電壓經過緩啟動環節整流濾波（或倍壓整流濾波）為直流母線電壓，同時反饋給控制板一個邏輯信號，以確定母線電壓是否滿足曝光條件。緩啟動和母線電壓準備電路是這部分的設計重點。上電時，控制部分不給繼電器動作信號，繼電器處于關斷狀態，濾波電容的充電電流只能流經充電電阻，限制了充電電流的浪涌，當電容組的充電電壓達到約290V左右時，充電信號產生，繼電器處于開通狀態，電容組的充電電流將由繼電器流入，實現了緩啟動功能。那么控制繼電器的信號是如何產生并完成緩啟動的呢？首先，母線電壓準備電路主要由母線電壓取樣電路和基準比較反饋組成，當母線電壓與電網電壓峰值相差15V時，反饋電平由0跳轉為12V，然后，控制部分讀取此信號，此時控制部分為緩啟動電路提供繼電器開通信號，這樣就完成緩啟動過程。

電源電路的功能是將直流母線電壓轉換為燈絲電路、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成，分別輸出+12V，-12V，+18V，+15V，+32V，穩壓反饋由主輸出+12V提供。PWM調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，該器件有完整的內部保護功能，包括輸入欠壓保護、輸出過流保護、芯片過熱保護以及故障消除后自重啟功能[3]。

燈絲電路的功能是，按照CPU設定，由燈絲驅動電路，為球管的大、小燈絲提供燈絲電流，同時將大、小燈絲電流反饋給控制板，并檢測燈絲電流是否有錯誤，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提供兩級過流保護、自鎖禁止輸入、輕負載突發模式操作和一個上電/斷電順序或欠壓保護，柵極驅動電路提供輸出電流0．6A、輸入電流1．2A的驅動能力，內部集成上管驅動用的自舉二極管，適用于設計高效率小體積的半橋諧振變換器。本設計是使變換器工作于電流連續模式下的串聯諧振狀態，使得功率MOSFET一直工作于軟開關狀態，減少燈絲驅動模塊的損耗，提升了整機效率。開關頻率范圍為18kHz至100kHz。電流反饋回路，其電路工作過程如下：電流互感器對燈絲電流取樣，經整流濾波后得到電流平均值，經阻抗變換后，進行信號放大，完成燈絲電流的IV轉換，將燈絲電流轉換為直流電壓值，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調制器的調制信號。

逆變模塊主要由逆變和諧振主回路構成，兩個驅動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動信號，將母線直流電壓轉換為交流階梯波，作為諧振主回路的輸入，諧振主回路在開關頻率內將一直工作感性區域，使得逆變開關管工作于零電壓開通狀態，開關管并聯的電容使得開關管工作于零電壓關斷條件。

以上是便攜X射線機電源部分的設計方案，在進行電源部分的設計時，應注意，接插件之間需要有一定空間，防止接線時干涉；接插件盡量選擇不同的型號，防止誤插。

綜上，醫用便攜式X射線機設計過程中，其電源部分的電路按照整流濾波模塊、電源模塊、燈絲驅動模塊、逆變模塊四個部分進行設計，可以在滿足系統儲能組件充電、為控制部分提供工作電源、實現X射線管芯燈絲控制功能的同時，提高電源效率并盡可能縮小電源部分的體積。