一種應(yīng)用于GDSRT的超聲波發(fā)生器驅(qū)動電源的設(shè)計

楊 闖 陳揚枝

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

目前，胃腸道藥物定位釋放技術(shù)（Gastrointestinal Drug Site-specific Release Technology，GDSRT）在國際醫(yī)學(xué)領(lǐng)域快速發(fā)展[1-2]。GDSRT主要包括三技術(shù)：胃腸道定位膠囊在人體胃腸道內(nèi)的定位技術(shù)、釋放藥物的觸發(fā)控制技術(shù)及釋放藥物的驅(qū)動技術(shù)。近幾年，陳揚枝等研究了一種“基于超聲觸發(fā)控制化學(xué)反應(yīng)氣壓式胃腸道藥物定位釋放膠囊”（以下簡稱膠囊），它就是利用超聲波觸發(fā)控制化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體驅(qū)動藥物釋放的一種GDSRT。這種膠囊的原理如圖1所示，當(dāng)膠囊通過胃腸道目標(biāo)區(qū)域時，體外的超聲波發(fā)生器啟動工作，在超聲波空化作用下，膠囊內(nèi)起阻隔作用的豬油迅速分散、溶解，實現(xiàn)觸發(fā)控制，使得兩種原本隔開的碳酸鈉和醋酸開始接觸反應(yīng)生成壓力氣體CO2；繼而產(chǎn)生的壓力CO2氣體推開樹膠實現(xiàn)藥物釋放[3]。

圖1 化學(xué)反應(yīng)氣壓式藥物定位釋放膠囊結(jié)構(gòu)示意圖

前期研究結(jié)果表明，在40KHz超聲波的作用下，換能器輸出功率在30-60瓦時，膠囊放藥效果最好[4]。為了達到最好的放藥效果，本文設(shè)計了一種應(yīng)用于觸發(fā)該膠囊的專用超聲波發(fā)生裝置的驅(qū)動電源。

1 超聲波發(fā)生裝置驅(qū)動電源的硬件電路設(shè)計

由于超聲波發(fā)生裝置在固定頻率條件下工作且其所帶負載不變時，在不同輸入電壓的情況下，其等效負載可以看做一定值。本文通過計算，設(shè)計一個調(diào)節(jié)電位器，可以實現(xiàn)交流輸出電壓在64V到90V之間變化，從而實現(xiàn)30W到60W功率可調(diào)。

本文的超聲波發(fā)生裝置的驅(qū)動電源硬件電路設(shè)計，主要包括直流降壓變換電路、推挽拓撲電路、反饋電路。直流降壓變換電路對實現(xiàn)輸出功率連續(xù)可調(diào)起決定性作用，推挽拓撲電路輸出固定的、高占空比的值決定著換能器供電電源的質(zhì)量，反饋電路決定著驅(qū)動電源的控制精度和穩(wěn)定性。

1.1 直流降壓變換電路設(shè)計[5]

由于需要裝置在一定范圍內(nèi)輸出功率連續(xù)可調(diào)，同時為了降低推挽拓撲中開關(guān)管的電壓應(yīng)力，所以增加了直流降壓變換器電路，將市電經(jīng)整流后的高電壓轉(zhuǎn)換成一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的低電壓。為了增加裝置的可靠性，降低電路的復(fù)雜程度，在此采用集成度高、性價比高的開關(guān)芯片。

本文采用TOPSwitch-HX系列TOP258Y作為直流降壓變換電路的控制芯片。基于TOP258Y開關(guān)芯片的直流降壓變換器主電路如圖2所示。從圖中可知，將市電進行整流濾波達到一個高壓直流電壓，將該直流電壓直接加在降壓變換電路的輸入端。當(dāng)TOP258Y內(nèi)部高壓功率MOSFET導(dǎo)通時，外接直流高壓電源通過濾波電容C1，儲能電感L1、TOP開關(guān)芯片組成的回路對電容充電，當(dāng)電容C1兩端的電壓高于檢測電壓時，TOP258Y的反饋控制動作，將控制芯片關(guān)斷，此時儲能電感L1通過續(xù)流二極管D1給輸出電容C1充電。

圖2 基于TOP258Y開關(guān)芯片的直流降壓變換器主電路

為了元器件工作安全，過壓保護電路是必須有的。圖3所示的過壓保護電路主要是在剛啟動的過程中起作用，當(dāng)電路正常工作以后，該保護電路不再起作用。當(dāng)直流降壓變換器輸出電壓高于設(shè)定值時，U1和三極管Q1同時導(dǎo)通，此時電阻R2被短路，外接輸入電源的電壓幾乎全部加在電阻R4兩端，從而使得流入TOP258Y控制芯片電壓監(jiān)測（V）引腳的電流高于流限值，使得控制芯片關(guān)斷，使得直流降壓變換電路輸出電壓降低，在下一個周期到來時控制芯片正常工作；當(dāng)直流降壓變換器輸出電壓低于設(shè)定值時，U1和三極管Q1都關(guān)斷，此時外接輸入電源的電壓加在電阻R2和電阻R4兩端，此時流入TOP258Y控制芯片電壓監(jiān)測（V）引腳的電流低于流限值，控制芯片正常工作。當(dāng)電路正常工作后，就是圖4中的過壓保護電路起作用。當(dāng)輸出電壓Vo超過過壓保護設(shè)定值時，U1導(dǎo)通，此時光耦隔離電路工作，Vo2通過限流電阻R4流入控制芯片的控制端口，從而實現(xiàn)控制芯片的占空比調(diào)整，維持輸出電壓穩(wěn)定。

圖3 過壓保護電路1

圖4 過壓保護電路2

1.2 推挽拓撲電路設(shè)計[6-8]

推挽拓撲電路的設(shè)計是超聲波電源的一個重要部分，由于是給超聲波換能器供電，為了使換能器諧振，同時滿足負載功率在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的要求，該推挽拓撲電路的占空比應(yīng)該固定且在滿足開關(guān)死區(qū)的前提下占空比取值應(yīng)盡可能高。為了解決固定占空比的問題，采用SG3526控制芯片搭建推挽拓撲電路中兩個開關(guān)管的柵極驅(qū)動控制電路，如圖5所示。SG3526脈寬調(diào)制控制器適用于使用MOS管為開關(guān)器件的DC/DC變換器，具有性能優(yōu)異，所需外圍器件少的優(yōu)點。

在本電路中為了保證輸出占空比盡可能的大，將死區(qū)設(shè)置引腳直接接地。固定占空比的實現(xiàn)：正常工作時誤差放大器的輸出端一直為高電平，該高電平值高于振蕩電容端CT鋸齒波振蕩信號的最大幅值，此時鋸齒波調(diào)制信號與誤差放大器輸出信號作用后的信號保持穩(wěn)定，得到所需固定占空比值的驅(qū)動信號。

圖5 基于SG3526脈寬調(diào)制控制器的驅(qū)動電路

1.3 反饋電路設(shè)計

一個電路能否正常穩(wěn)定的工作，反饋電路設(shè)計的好壞起著很重要的作用。本文設(shè)計的反饋電路如圖6所示。其中OPT1為用于隔離反饋信號的光耦合器；R1用于提供偏置電流回路；U1為三端比較器TL431；V1和V2同為變壓器次級輸出電壓；但它們不共地相互隔離；其中V1用作反饋電壓；C4為超前校正電容；R4和R6組成分壓電路；R7為電位器。

圖6 主電路的反饋電路

在電路正常工作時，輸出電壓V1在設(shè)定值附近波動，從而TL431的參考端的電壓也在2.5V附近做微小的波動。由于電容有通交隔直的作用，當(dāng)輸出電壓V1增加一個ΔV值時，則該變化電壓ΔV將全部加在TL431的參考端，增加了TL431的響應(yīng)速度，所以電容C4有超前校正的作用。當(dāng)參考端電壓為2.5+ΔV時，TL431導(dǎo)通，光耦合器輸入端通過R3和TL431形成通路，光耦合器內(nèi)部開關(guān)管導(dǎo)通，電源V2通過限流電阻給控制芯片供電。當(dāng)流入控制芯片的電流將控制引腳充電達到分路穩(wěn)壓器電壓時，超過芯片消耗的電流將通過NMOS電流鏡分流到源極引腳。而NMOS電流鏡的輸出電流用于控制功率MOS管的占空比，從而實現(xiàn)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。

1.4 總電路設(shè)計原理圖

將上面的電路進行整合，得到驅(qū)動電源總電路設(shè)計原理圖，如圖7、8所示

圖7 超聲波發(fā)生器驅(qū)動電源原理圖

圖8 超聲波發(fā)生器驅(qū)動電源原理圖

2 實物測試

通過計算，濾波電容選用耐壓450V、電容值為220uF的電解電容；降壓變換電路儲能電感選用1mH的電感；降壓變換電路續(xù)流二極管選用耐壓600V，最大平均電流為4A的快恢復(fù)二極管MUR460；推挽電路選用耐壓60V，最大平均電流為2A的肖特基二極管MUR260作為濾波電感的續(xù)流二極管；為使超聲波驅(qū)動電源的輸出內(nèi)阻與負載阻抗一致，采用變壓器匹配的方法，變壓器的磁芯選擇EI33磁芯[9]，有效面積為119mm2，線圈線徑取為0.35mm，初級半繞組取58匝，三路輔助輸出的匝數(shù)都為8匝；三路輔助輸出電路的整流二極管選肖特基二極管SS14。

2.1 固定占空比電路測試

脈沖調(diào)制芯片SG3526產(chǎn)生的固定占空比驅(qū)動信號波形如圖9所示。從波形可知，電路實際工作時的驅(qū)動信號的頻率為40kHz，導(dǎo)通占空比為45%。

圖9 脈沖調(diào)制芯片SG3526產(chǎn)生的固定占空比驅(qū)動信號波形

2.2 輸出電壓測試

推挽拓撲主輸出與一路輔助輸出的最小輸出電壓和最大輸出電壓波形分別如圖11和圖12所示。從波形中可知輸出電壓不存在過沖現(xiàn)象，故而不會對其供電后續(xù)電路產(chǎn)生影響。主輸出是脈沖接近50%的交流電壓信號。（上面是輔助輸出波形，下面是推挽拓撲主輸出波形）

圖10 主輸出與輔助輸出最小輸出電壓波形

圖11 主輸出與輔助輸出最大輸出電壓波形

2.3 電流采樣放大測試

電流采樣波形以及其放大2倍后的波形如圖12、13所示。（下面為輸入信號，上面為輸出信號）由波形可知，輸出波形的有效值與輸出濾波后的直流電壓大致相等。

圖12 最小輸出電流波形

圖13 最大輸出電流波形

2.4 換能器兩端電壓波形

為了測試超聲波發(fā)生器驅(qū)動電源的實用性，用匹配換能器作為負載進行測試，超聲波換能器在最小功率和最大功率時其兩端的電壓波形如圖14和圖15所示，換能器兩端的波形已經(jīng)接近正弦波形，從而可知匹配換能器起振良好。

圖14 換能器在最小功率波形

圖15 換能器在最大功率波形

3 結(jié)論

當(dāng)輸入交流電壓/頻率 Vac= 220V，f1=50Hz，換能器輸出功率 P = 30～60W。本文設(shè)計的超聲波發(fā)生器驅(qū)動電源，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，通過調(diào)節(jié)電位器可直接控制換能器的輸出功率，這對化學(xué)反應(yīng)氣壓式藥物釋放膠囊向著臨床應(yīng)用又邁出了一步，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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