壓電式脈沖超聲波發生器激勵電源的設計

姚 俊， 陳 驥， 張旭茹， 趙曉明

（重慶大學 生物工程學院， 重慶 400044）

隨著科學的發展和技術的進步, 超聲波在工農業生產、國防建設和人民生活中的應用越來越廣泛。 超聲技術的應用可以大致分為兩類：檢測超聲和功率超聲[1]。 其中功率超聲是超聲學的一個重要分支，在國民經濟的各個部門發揮了重要的作用[2]。

超聲電源是為超聲換能器提供電能的關鍵部件，它激勵壓電超聲換能器將超聲電源提供的電能轉換成機械能。 目前的超聲電源基本是根據換能器進行高度定制化設計，一個電源只適用于同一型號的換能器[3]。 文中提出了一種新型超聲電源的研制方案， 系統采用PWM 技術實現輸出頻率的可調性，從而可以匹配不同固有頻率的壓電超聲換能器；本系統同樣采用PWM 技術實現電源功率的可調， 克服了超聲電源的負載的阻抗經常變動給超聲電源和換能器容易造成損壞的缺陷。并且，用數字單片機產生PWM 控制超聲電源的輸出頻率與功率，克服了以前超聲電源模擬控制電路存在控制精度低、動態響應慢、參數調整不便、溫度漂移嚴重等缺點。 數字化控制有利于變參數調節，調整控制方案只需通過改變程序軟件即可方便實現,同時可減少元器件的數目、簡化硬件結構, 提高超聲電源的動態響應，從而提高系統的可靠性。

1 系統總體設計

超聲電源實質上是一個功率信號發生器，它產生一個與探頭諧振頻率一致的正弦（或類正弦或脈沖信號），經過功率放大后在網絡匹配單元里通過阻抗匹配，使輸出的最終阻抗為純阻性，使得大功率電信號激勵探頭產生機械振動，從而產生超聲波[4]。

系統分為dsPIC30F4011 單片機主控部分和超聲電源主電路部分。 利用dsPIC30F4011 單片機產生PWM 調制信號，通過兩路AD 實現PWM 頻率和占空比的調節，并在1602 液晶上實時顯示超聲電源的頻率和功率等級。 單片機輸出的PWM 調制信號經過隔離電路、 驅動電路后送入超聲電源的核心電路逆變電路控制功率開關管的通斷實現將直流電壓轉化為脈沖電壓，然后再通過合理的阻抗匹配網絡得到驅動換能器的正弦交流電壓或類正弦交流電壓。 超聲電源系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖Fig. 1 Block diagram of the system

2 超聲電源主電路的設計

2.1 超聲電源主電路結構

超聲電源主電路由隔離電路、驅動電路、逆變電路以及阻抗匹配電路組成。其工作流程如下：單片機產生的PWM 波經過隔離、 驅動電路送入逆變電路用來驅動功率開關管，然后逆變電路輸出的脈沖波經過阻抗匹配電路后激勵壓電超聲換能器工作。

2.2 超聲電源核心電路逆變電路的設計

逆變電路即DC/AC 變換電路，通過功率開關管的通斷實現將直流電壓轉化為脈沖電壓。 由于功率開關管工作在開關狀態，它們的功耗低轉換效率高，能夠實現大功率輸出。 逆變電路按照電路結構可分為推挽式逆變、 半橋逆變和全橋逆變[5]。 由于半橋逆變電路結構比較簡單，且抗磁通不平衡能力強，本系統采用半橋逆變電路，其電路結構如圖2 所示。

圖2 半橋逆變電路Fig. 2 The schematic of the half-bridge inverter circuit

在圖2 中，C1、C2與Q1、Q2 組成橋路，C1=C2，設Q1、Q2 導通壓降為Vces。 兩只功率開關管Q1 和Q2 在一對方波脈沖PWM1_15V 和PWM2_15V 的觸發下輪流導通和截止， 從而將直流電壓變換成高頻方波。 則其工作流程如下： 當Q1 導通、Q2 截止時，因為C1=C2，則VO=VCC/2-Vces。 當Q1 截止，Q2導通時，V o=-（VCC/2-Vces），此時P2 端輸出變為負。之后電路再進入Q1 導通，Q2 截止的狀態，電路如此循環工作。 在這里兩只功率管只能交替的導通和截止，不能同時導通。 因為當兩只功率管同時導通時，會造成瞬間有一個大電流流過開關管，極容易燒毀管子繼而損壞其他元件。 因此需要根據開關管Q1 和Q2 的動態響應時間在PWM1_15V 和PWM2_15V之間設置一個死區時間。

逆變電路的輸出的頻率即為驅動波形PWM1_15V 和PWM2_15V 的頻率，輸出功率為P o=V o2/Z，其中Z 為超生換能器的阻抗；Vo=VCC·η·n， 其中η 為驅動方波的占空比，n為變壓器原副邊電壓比。 由于VCC 和n 為定值，因此本系統采用調節占空比的方式進行超聲電源的功率調節。

2.3 隔離電路的設計

由于逆變器所使用的功率開關管Q1、Q2 的導通截止均需要一定電壓、電流的柵極驅動才能較好的工作。 同時逆變器的驅動電路是連接單片機系統與逆變器的橋梁，為了整個電路安全，驅動電路必須有良好的隔離效果。

本系統采用光耦隔離的方式實現單片機系統和超聲電源主電路的隔離。 在選用光耦隔離的時候需要注意的是光耦的響應時間應該與開關管的響應時間相當，否則會影響逆變電路性能。 本設計采用的是高速光耦6N137，其速度可達到10 Mbps，而超聲電源的工作頻率為20K 到60K，6N137 足以滿足系統的需要。

2.4 驅動電路的設計

由于功率開關管的驅動對電壓電流以及上升、下降時間具有較高的要求， 本系統采用專用驅動芯片IR2110 作為驅動電路的核心。 IR2110 具有獨立的低端和高端輸入通道；高端和低端輸出通道可以同時驅動兩路IGBT 功率管[6]；輸出的電源端（即功率器件的柵極驅動電壓）電壓范圍VCC 為10～20 V，本系統采用的是15 V；邏輯電源電壓范圍VDD 采用5 V，可方便地與TTL，CMOS 電平相匹配。隔離和驅動電路如圖3 所示。

2.5 阻抗匹配電路的設計

由于超聲電源的輸出阻抗和傳輸線的特性阻抗均呈純阻性，而壓電換能器為電抗性元件，直接驅動它會產生反射功率，使換能器溫度升高，電聲轉換效率降低，嚴重時甚至燒毀換能器，因此必須對阻抗進行匹配。 匹配網絡起到調諧、變阻和濾波的作用， 使超聲系統處于諧振狀態提高輸出效率、將超聲系統的阻抗變換至適當值并濾除超聲電源輸出的諧波成分減小開關管的負擔[7]。

因為壓電超聲換能器等效電路呈容性，因此最簡單的匹配方法就是使用單個電感與換能器串聯或并聯，其中串聯匹配可以降低有功電阻且兼有濾波作用。 本系統采用的是單個電感與換能器串聯的方式來實現阻抗匹配。

2.6 電源模塊的設計

電源模塊包括單片機系統的5 V 電源、 隔離電路的5 V電源、 驅動電路的兩路電源5 V、15 V 電源以及逆變電路的電源。 其中隔離電路的5 V 電源和驅動電路的5 V 電源可以共用，但必須和單片機系統的5 V 電源隔離。 電源模塊的電路如圖4 所示。

圖3 隔離、驅動電路Fig. 3 The Schematic of drive and isolation circuit

圖4 電源模塊電路圖Fig. 4 The Schematic of power circuit

在圖4 中， 逆變電源采用VIN 為24 V 的直流供電，24 V的直流電壓VIN 經電源芯片LM2596S-5 降至5 V，給隔離電路和驅動電路提供5 V 的電源；然后5 V 電壓再經過電源芯片LM2577S-ADJ 升至15 V，給驅動電路提供另一路15 V 電源； 同時該5 V 電壓經過電源隔離芯片B0505S 給單片機系統提供VCC（5 V）的電源，實現單片機數字部分電源和超聲主電路電源的隔離。

3 dsPIC30F4011 單片機主控電路設計

3.1 半橋逆變電路的驅動波形PWM 的產生

dsPIC30F4011 單片機主控電路的主要工作是產生兩路調制PWM 波。 這兩路PWM 用來驅動超聲電源核心電路半橋逆變電路的[8]，因此這兩路PWM 要求滿足半橋逆變電路對驅動波形的要求：1）頻率和占空比相等；2）兩路PWM 相位差180 度；3）兩路PWM 之間有一定的死區時間。 此死區時間需根據逆變電路所使用的功率開關管的響應特點來確定。 本系統功率開關管采用的是SGH80N60UFD， 其導通與截止的響應時間最長為：td（on）+tr+td（off）+tf=353 ns，因此 死區時間 至 少要 大于這段時間，就可以防止兩路功率管同時導通。 再考慮到驅動芯片可能帶來的響應延時，本系統設計的死區時間為1 μs，足夠保證系統安全。

3.2 單片機其他控制部分的設計

本系統設計的超聲電源可以實現電源的頻率和功率可調。 超聲電源輸出波的頻率即為驅動波形PWM 的頻率，由2.2 節知，超聲電源的功率為：

式中， 逆變電路的供電電壓Vcc 和變壓器的原副邊比n是定值。 因此，超聲電源的輸出功率不僅和PWM 的占空比η有關，還和超聲換能器的阻抗Z 有關。 當超聲電源接不同的超聲換能器時，超聲電源的功率將不同。 因此，本系統采用的是以PWM 的占空比來衡量功率， 當調節PWM 的占空比時，將在1602 液晶上顯示不同的功率等級。

因此， 單片機除了需產生符合3.1 節所述要求的PWM波形，還要求PWM 波形的頻率和占空比可變。 PWM 波形頻率和占空比的調節采用單片機的AD 轉換模塊完成。 本系統的超聲電源頻率范圍為20K 到60K。 由3.1 節中可知兩路PWM 間各需留出1 us 的死區時間，兩路PWM 在一個周期內除了各自的高電平時間，至少要有2 us 的死區時間。 因此兩路PWM 的最大占空比為：

式中Tm 為最大占空比時間，T 為PWM 的周期，Tm和T的單位都為us。可以看出，最大占空比時間Tm與PWM 的周期T 有關，因此不同的PWM 頻率下的最大占空比時間不同。 本系統設計的PWM 占空比可從0 調到該頻率下的最大占空比。

3.3 單片機軟件程序設計

單片機軟件程序子程序主要包括:PWM 模塊的控制、AD模塊的控制和1602 液晶的顯示。 主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖Fig. 5 Flow chart of the main program

4 系統實驗結果

超聲電源最后的輸出波形如圖6 所示。由圖6（a）可以看出未接壓電超聲換能器電源空載時， 電路的阻抗不匹配，類正弦波振蕩很嚴重，而圖6（b）超聲電源接了壓電超聲負載后，電路的阻抗匹配了，類正弦波上的震蕩消失，電源輸出類正弦波激勵壓電超聲換能器。

5 結 論

圖6 超聲電源的輸出波形圖Fig. 6 The Output waveform of ultrasonic power supply diagram

采用dsPIC30F4011 單片機基于半橋逆變電路設計了一種性能優越的超聲電源， 通過PWM 調制技術實現超聲電源頻率和功率的調節。 實驗表明，設計的超聲電源可以實現頻率和功率的連續調節， 并實時顯示電源頻率和功率等級，動態響應性能優良，基本達到設計目標。

[1] 袁易全. 近代超聲原理與應用[M]. 南京:南京大學出版社，1996.

[2] 王應彪，劉傳紹，趙波. 功率超聲技術的研究現狀及其應用進展[J]. 機械研究與應用，2006，19（4）:41-43.

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[5] 曲學基，曲敬鎧，于明揚. 逆變技術基礎與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[6] 任杰. 基于IR2110芯片大功率超聲電源的改進[D].太原：太原理工大學，2011.

[7] 東棟. 超聲電源換能振動系統的阻抗匹配研究[J]. 電氣應用，2006，25（9）:125-128.

[8] 趙志偉，陳學有，潘瓊. 采用特征值法和Prony法相結合的PSS自適應控制[J]. 陜西電力，2012（6）:49-52，62.