一種X射線機高頻高壓電源的設計*

張憲軍 王 梓 丁佳偉 郝利國*

目前，各種X射線圖像數(shù)占臨床影像總圖像數(shù)的70%～80%，而醫(yī)學X射線設備最重要的部分是高頻高壓發(fā)生器[1]。在醫(yī)用X射線機系統(tǒng)中，高壓發(fā)生器的作用是用于向X射線球管的燈絲提供電流，同時對其陽極和陰極施加穩(wěn)定的高壓[2]使X射線管[3]產(chǎn)生X射線，并控制X射線的輻射量。因此，提供穩(wěn)定的高壓和電流是高頻高壓發(fā)生器的宗旨。為此，本研究設計一種利用工頻電進行升壓得到直流電壓，再利用變壓器升壓，高頻高壓發(fā)生器能實現(xiàn)對電壓的變換[4-5]；實現(xiàn)高頻高壓發(fā)生器設備減小體積，降低成本的目的。

1 高頻高壓發(fā)生器設計要求

利用工頻50 Hz交流電整流濾波，再利用變壓器進行升壓變換，整流將低壓交流電轉變?yōu)橹绷鞯母邏海辉偻ㄟ^調頻電路把直流高壓逆變?yōu)榻涣麟妷海詈髮⒅绷鞲邏狠敵龅絏射線管兩端，加速電子轟擊陽極靶面而產(chǎn)生X射線，其高壓發(fā)生器總體設計要求如圖1所示。

圖1 高頻高壓發(fā)生器總體設計要求框圖

2 高頻高壓發(fā)生器升壓原理

本研究設計要求是產(chǎn)生直流的高頻電壓，因此設計采用變壓器進行對電壓升高，醫(yī)用X射線機所應用的升壓變壓器與普通電力變壓器的標準不同，由于變壓器是安裝在影像設備上，因此要求所占空間應盡量要小，低成本將工頻低壓電轉換為高壓直流電，在變壓器原理上進行設計，醫(yī)用X射線機所用變壓器是電壓轉換的機器，需符合物理電磁感應定律，其計算為公式1：

電壓與磁鏈是關于時間的一種導數(shù)關系，如果進行相應的正弦輸入變換，可以得到公式2、公式3：

式中B為磁感應強度，S為磁感應體截面積，角頻率ω比較小的時候，要想得到的電壓只能通過增加N和ψm，這需要增加線圈的匝數(shù)和磁感應的面積。由于想得到的是體積小、低成本的升壓裝置，故只能通過提高頻率來實現(xiàn)[6]。

設計應用三橋電路將工頻交流電變?yōu)橹绷鳎⑶彝ㄟ^所設計的變壓器將電壓升到理想的電壓值，其方案設計原理如圖2所示。

圖2 高頻高壓發(fā)生器變壓器設計方案原理圖

為將工頻交流電整流后變?yōu)橹绷麟妷海偻ㄟ^升壓系統(tǒng)得到所需要的高壓直流電的過程，并且可以通過調節(jié)調頻過程的脈寬或者頻率(f)來控制輸出電壓的數(shù)值。通過反饋可以與最初的數(shù)值進行比較[7]。高頻高壓發(fā)生器設計原理如圖3所示。

圖3 高頻高壓發(fā)生器設計原理圖

3 高頻高壓發(fā)生器芯片電路設計

3.1 電源電路

采用7805電源芯片，將電壓7～18 V轉換成需要的+5 V電壓。在設計電路時，還要考慮一個電源損耗問題，如當前輸入電壓是9 V，輸出電壓是5 V(7805)，那么輸入電壓與輸出電壓的差值4 V就由7805承擔(消耗在7805上)，這對于電路來說是無謂損耗，如果要設計一個低功耗電路，必須考慮這個損耗，并將其盡可能減小，其電源電路原理如圖4所示。

圖4 高頻高壓發(fā)生器電源電路原理圖

3.2 晶振電路

設計采用的晶振電路為無源晶振，可以在石英水晶片的兩邊鍍上電極，通過在兩電極上加一定的電壓，因為石英有壓電效應，電壓形成自然就會產(chǎn)生形變，從而給集成電路(integrated circuit，IC)提供一個正弦波形。通過IC的內部整形和鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)電路后產(chǎn)生方波，然后輸入給下級電路。有源晶振就是把頻率部分和驅動PLL電路集成在IC外部，自成一體，直接輸出方波供下級電路使用。此晶振電路為中央處理器(central processing unit，CPU)提供時鐘信號，其晶振電路原理如圖5所示。

圖5 高頻高壓發(fā)生器晶振電路原理圖

3.3 復位電路

選用1n4007利用二極管單向導電性，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈沖直流電[8]。本研究設計的電路可以實現(xiàn)在每次電源接通時將數(shù)值恢復到最初狀態(tài)，其復位電路如圖6所示。

圖6 高頻高壓發(fā)生器復位電路圖

3.4 CPU電路

本設計利用單片機測試核心芯片，選擇PIC18F4520芯片，經(jīng)過單片機測試可實現(xiàn)對外圍電路進行調節(jié)，其CPU電路原理如圖7所示。

圖7 高頻高壓發(fā)生器CPU電路原理圖

3.5 驅動電路

驅動電路采用MOSFET器件設計驅動電路，對所需要的電壓進行升壓，達到所需要的值，其驅動電路原理如圖8所示。

圖8 高頻高壓發(fā)生器驅動電路原理圖

3.6 顯示電路

顯示電路的工作狀態(tài)能夠進行實時監(jiān)測，設計采用數(shù)碼顯示器對輸出電壓進行實時監(jiān)測，其顯示的工作原理如圖9所示。

圖9 高頻高壓發(fā)生器顯示電路原理圖

4 高頻高壓發(fā)生器測試結果

單片機可以通過電路實時監(jiān)測電壓值。利用測試輸出電壓可以顯示出在輸出電壓過程中電壓穩(wěn)定，文波系數(shù)小。在理論上可以輸出理想的電壓值，基本上符合X射線管所需電壓的要求，其輸出電壓測試波形如圖10所示。

圖10 高頻高壓發(fā)生器輸出電壓測試波形圖

5 結論

本研究方法的創(chuàng)新點在于能夠在體積小、成本低的條件下設計一款高頻高壓發(fā)生電源，在設計中能夠良好的將15 V左右的電源升高到600～700 V左右。以往采用的方法是：①能夠通過全橋逆變產(chǎn)生頻率受控制的逆變波形；②高頻高壓變壓器能夠進行電壓變換；③對變壓器升壓后的高頻交流電進行倍壓整流濾波；④調頻控制電路對輸出電壓的精確控制和自動調整[9-10]。

本研究設計優(yōu)點在于原理簡單，易于測試，但是本設計還存在著實際X射線機裝機是否成功的因素，以及升壓未到最理想的狀態(tài)，故需繼續(xù)對升壓進行研究。