医用便携式X射线机电源设计方案

杨梅

辽宁开普医疗系统有限公司 辽宁本溪 117004

医用便携式X射线机又叫手提式X光机，由于该产品具有成本低、体积小、重量轻、对外部电源要求低、射线剂量低、操作简便、故障率低等特点，近年来受到众多领域的青睐，如部队、各级医院、诊所、校医室、体检中心、体育院校、宠物医院等。

便携式X射线机结构紧凑，从设备外观上看包括便携式X射线机主机、束光器、曝光手柄、运输箱等；从功能及结构上划分，由X射线管芯、高压油箱、控制部分、电源部分及辅助机械装置等主要部件组成。其中的电源部分是设计的难点，本文主要论述电源部分的设计方案及实现方法[1-2]。

便携X射线机电源部分的主要功能是：为储能组件充电、为控制部分提供工作电源、实现X射线管芯灯丝控制；电源部分应具备七种接口：外部电源输入接口、电源输出接口、与限束器电源接口、灯丝输出接口、与控制部分电源接口、驱动输入接口和逆变输出接口。电源部分的电路在设计过程中，不但要实现系统功能并提供这些接口，同时要求电源效率高、电路简洁、节省体积。根据上面的要求，将电源部分设计为四个功能模块：整流滤波模块、电源模块、灯丝驱动模块、逆变模块。电源部分结构图如下。下文将分别对各个模块的设计进行阐述。

图1 电源结构图

整流滤波模块由整流、滤波、缓启动、母线电压准备等电路组成；电源模块由PWM、功率变换、整流滤波、稳压环路等电路组成；灯丝驱动模块由PFM、逆变、反馈取样、灯丝切换等电路组成；逆变模块主要由驱动、逆变、谐振等电路组成。

整流滤波的功能是：将输入的工频网电源电压经过缓启动环节整流滤波（或倍压整流滤波）为直流母线电压，同时反馈给控制板一个逻辑信号，以确定母线电压是否满足曝光条件。缓启动和母线电压准备电路是这部分的设计重点。上电时，控制部分不给继电器动作信号，继电器处于关断状态，滤波电容的充电电流只能流经充电电阻，限制了充电电流的浪涌，当电容组的充电电压达到约290V左右时，充电信号产生，继电器处于开通状态，电容组的充电电流将由继电器流入，实现了缓启动功能。那么控制继电器的信号是如何产生并完成缓启动的呢？首先，母线电压准备电路主要由母线电压取样电路和基准比较反馈组成，当母线电压与电网电压峰值相差15V时，反馈电平由0跳转为12V，然后，控制部分读取此信号，此时控制部分为缓启动电路提供继电器开通信号，这样就完成缓启动过程。

电源电路的功能是将直流母线电压转换为灯丝电路、控制板、限束器等所需的直流电压。这部分电源模块由典型的反激多路输出电路构成，分别输出+12V，-12V，+18V，+15V，+32V，稳压反馈由主输出+12V提供。PWM调制电路和功率变换用MOSFET合二为一，可选择TOP271EG芯片，使其两者集成在一起。TOP271EG显著特点是集成度高、外接元器件少，这样可以减少体积，提高可靠性；另外，该器件有完整的内部保护功能，包括输入欠压保护、输出过流保护、芯片过热保护以及故障消除后自重启功能[3]。

灯丝电路的功能是，按照CPU设定，由灯丝驱动电路，为球管的大、小灯丝提供灯丝电流，同时将大、小灯丝电流反馈给控制板，并检测灯丝电流是否有错误，以反馈至控制板。PFM和逆变电路PFM采用具有高可靠性的L6599D芯片，L6599D提供两级过流保护、自锁禁止输入、轻负载突发模式操作和一个上电/断电顺序或欠压保护，栅极驱动电路提供输出电流0．6A、输入电流1．2A的驱动能力，内部集成上管驱动用的自举二极管，适用于设计高效率小体积的半桥谐振变换器。本设计是使变换器工作于电流连续模式下的串联谐振状态，使得功率MOSFET一直工作于软开关状态，减少灯丝驱动模块的损耗，提升了整机效率。开关频率范围为18kHz至100kHz。电流反馈回路，其电路工作过程如下：电流互感器对灯丝电流取样，经整流滤波后得到电流平均值，经阻抗变换后，进行信号放大，完成灯丝电流的IV转换，将灯丝电流转换为直流电压值，作为灯丝电流反馈，与CPU输入的灯丝电流给定一起输入至误差放大器，误差放大器输出作为PFM调制器的调制信号。

逆变模块主要由逆变和谐振主回路构成，两个驱动变压器分别为全桥逆变的超前臂和滞后臂的上下管提供驱动信号，将母线直流电压转换为交流阶梯波，作为谐振主回路的输入，谐振主回路在开关频率内将一直工作感性区域，使得逆变开关管工作于零电压开通状态，开关管并联的电容使得开关管工作于零电压关断条件。

以上是便携X射线机电源部分的设计方案，在进行电源部分的设计时，应注意，接插件之间需要有一定空间，防止接线时干涉；接插件尽量选择不同的型号，防止误插。

综上，医用便携式X射线机设计过程中，其电源部分的电路按照整流滤波模块、电源模块、灯丝驱动模块、逆变模块四个部分进行设计，可以在满足系统储能组件充电、为控制部分提供工作电源、实现X射线管芯灯丝控制功能的同时，提高电源效率并尽可能缩小电源部分的体积。