X射線管的高壓電源及燈絲電源電路的設計

趙穎異，井明忠，張博文，曾潔

（大連交通大學電氣信息工程學院，遼寧大連116028）

X 光機是發出X 光的產品，由X 射線管和X 射線管專用電源以及控制電路等構成[1]。X 光線由于具有特殊的性質，被廣泛用于工業、安檢和醫學等領域。在工業領域中，X 射線主要應用于無損檢測。在火車站、地鐵以及機場等安檢場所，利用X 射線來檢測行李及其攜帶物中是否存在違禁物品。傳統的X 光機存在體積大、效率低、穩定性差和紋波系數大等較為明顯的缺點[2]。隨著科技的發展，應用新的高頻開關技術可以使X 光機高壓電源小型化，提高其功率變換的效率[3]。

為滿足所需，文中設計了穩定輸出50 kV 直流高壓和1.8 A 燈絲電流，紋波系數為1%的小體積、高頻率的X 光機高壓電源。

1 電源的總體結構與工作原理

1.1 總體結構

圖1為X 射線管專用電源結構框圖。該專用電源系統主要包含高壓直流專用電源電路部分和燈絲加熱電源電路部分兩部分[4]。高壓直流專用電源電路部分包含升壓變壓器、倍壓整流電路、電壓電流采樣電路、反饋電路和高壓控制器；燈絲加熱電源電路部分包括降壓變壓器、燈絲電流采樣電路、反饋信號和燈絲電流控制器。

圖1 X射線管專用電源結構框圖

1.2 工作原理

X 射線管高壓直流專用電源的運行原理如下：輸入DC24V 電壓，經過軟啟動后，一路送入輔助電源模塊中產生芯片所需要的±15 V、+10 V 等電壓，另一路分別送入高壓直流專用電源和燈絲電源中。對于高壓直流專用電源來說，供電電壓經過LC 電路濾波后直接給高頻升壓變壓器一次側供電，將低壓直流電變成類似高頻交流正弦電，然后經過升壓變壓器提升電壓，最后得到的電壓再經CW 倍壓整流電路升壓得到DC0～50 kV 電壓。在反饋電路中，將輸出電壓和電流取樣后反相，并與設定的電壓與電流值比較，后輸出反饋值到芯片SG3525AN 中，通過此芯片輸出不同占空比的PWM 波形，控制升壓變壓器輸出功率，實現閉環反饋控制。

燈絲電源同樣采用+24 V 供電，采用推挽電路、電磁場耦合能量的方法加熱燈絲。燈絲電源電路主要分為兩個模塊，第一模塊是發出的X 射線量未達到設定值，此時燈絲進行最高功率的加熱。隨著不停地產生X 光線以及管電流不停地發出，系統會將反饋回的信號送到第二模塊。第二模塊的主要作用是將取樣的管電流與參考電流相互對比后，反饋到驅動電路，控制PWM 的波形占空比，實現閉環調節，從而穩定管電流。

2 電源電路的設計

2.1 高壓直流電源電路

高壓直流專用電源的主要任務是將DC24V 電壓經過合適的交換，產生0～50 kV 的直流電壓。產生的高壓分別加在負極燈絲和正極靶兩極[5]。圖2為高壓直流電源主電路。

圖2 高壓直流電源主電路

2.1.1 驅動電路

驅動電路采用SG3525AN 芯片單端驅動的工作方式。SG3525AN 是單片集成PWM 控制芯片[6]，內置5.1 V精密基準電源（微調至1.0%）、PWM鎖存器、誤差放大器、軟啟動電路、輸出驅動電路等。SG3525AN簡單可靠、使用方便，其輸出驅動為推拉輸出形式，可以增加驅動能力[7]。驅動電路如圖3所示。

圖3 高壓直流電源驅動電路

SG3525AN 的振蕩器頻率公式為：

根據引腳5 和引腳6 上電阻和電容的值，再通過微調滑動變阻器，使輸出PWM 信號頻率為30 Hz。引腳8 連接0.1 μA 的電容實現軟啟動。

2.1.2 高頻變壓器

設計高頻變壓器是為了使變壓器的體積更小、效率更高以及對環境條件的要求更加包容。所以選擇錳鋅鐵氧化體作為鐵芯材料。

變壓器一次側匝數為：

根據電源設計要求，帶入數據可得N1=10。

變壓器二次側匝數為：

將Vin=24、變壓器二次側Vout=3 870 V 代入式（3）得，N2=1 612。

2.1.3 倍壓整流電路

該電源采用的升壓方式是兩級升壓：高頻升壓變壓器的輸出端接倍壓整流電路，從而得到50 kV 的高壓輸出。倍壓整流電路的工作原理如下：通過二極管的整流和引導功能，將電壓分別儲存在每個電容器內，最后依照極性相加的道理將其串聯[8]，從而可以實現輸出電壓比變壓器副邊電壓多幾倍[9]。這種升壓方式經常用于高電壓、小電流的場合。

2.1.4 電壓電流反饋電路

反饋信號的處理至關重要，一旦反饋信號得不到合適的處理，將導致整個電源設計的失敗。該反饋電路使用AD620 和LT1014CN 芯片組成閉環控制。

AD620 是一款低功耗的儀表放大器[10]，經過AD620 放大后的小信號畸變率很小，很適合做小信號的前置放大。LT1014CN 是首款14 針工業標準配置的精準四通道運算放大器，與單通道運算放大器相比，具有低偏置電壓、高增益、低電流和低噪音的特色。

反饋電路使用采樣電阻直接采樣的方式，取樣的方法是通過在輸出端上并聯電阻，然后經過將高壓經大電阻串聯衰減的方式實現。

文中采用相加的方法來控制PWM反饋的模式[11]。工作原理如下：電流信號Ui和電壓誤差信號Ue匯總在一起組成一個總的信號U∑，與RT、CT產生的基波進行比較。相加的方法控制PWM 的好處是響應速度快，輸出濾波以及動態過沖電容小，電源并聯時均流控制效果好[12]；弊端是在對電流、電壓采樣時應進行高頻噪音控制。解決方法是在升壓變壓器二次側添加磁環，可以很好地抑制高頻噪聲。

取樣的電壓信號kV-FDBK 反饋回運算放大器LT1014CN 的同相輸入端；經過四通道、精密運算放大器LT1014CN 進行隔離和反向放大[13]，然后作為差分放大器的反相端輸入信號，差分放大器同相端輸入參考電壓，得到電壓誤差信號Ue；采樣電流信號先經過AD620 組成的射頻干擾電路，再經過LT1014CN組成的PI 調節器，得到電流誤差信號Ui；電壓信號和電流信號相加輸入電壓調整器，調整器的輸出端接入SG3525AN 的comp 引腳。

電壓反饋電路原理[14]如下：當采樣電壓高于參考電壓時，表示輸出電壓偏高，需要適當降低驅動電路中MOSFET 的PWM 波形占空比；當采樣電壓小于參考電壓時，說明輸出電壓偏低，需要增大驅動電路中MOSFET 的PWM 波形占空比。

2.2 燈絲電源電路

燈絲電源的用途就是產生一定的電流對射線管內部的燈絲進行升溫，讓燈絲散發出充分的電子[15]。燈絲電流通常是高頻低壓交流，一般使用脈寬調制方式控制燈絲電流。該設計燈絲電源輸出電壓為5 V，電流為1.8 A。

文中燈絲電流的主要任務包括以下幾個方面：

1）按設定值提供所需燈絲電流；

2）把燈絲電流采樣值反饋給芯片UC3526；

3）檢測燈絲電路是否存在問題。

2.2.1 核心電路結構

燈絲電源選用推挽結構作為驅動電路。推挽電路設計十分簡潔，電源利用率高，雖然輸入的電壓很小，但是能夠輸出很大的功率，同時在變壓器副邊引入諧振電路減少噪聲。由于推挽電路需要一組相反相位的PWM 波驅動[16]，所以文中采用能輸出兩路PWM 波的芯片UC3526。

UC3526 是一款穩壓脈寬調制器，是通過反饋電流控制脈寬的芯片，主要具有以下特性：外圍電路設計簡單、穩壓幅度廣泛。另外，UC3526 具有軟啟動、欠壓鎖定、數字電流限制、雙脈沖抑制等功能，還可以驅動大功率MOSFET，有利于組成大功率開關電源。使用UC3526 可以產生固定頻率但占空比可變的脈沖信號，控制燈絲電路的MOSFET 來調節燈絲電壓，進而達到調節燈絲電流的目的。驅動電路如圖4所示。

圖4 燈絲電源驅動電路

主電路開關管選用型號為IRF530 的MOSFET。主電路結構圖如圖5所示。

圖5 燈絲電源主電路結構圖

2.2.2 閉環控制電路

想要精準決定X 光線量，就需要將X 光線的管電流控制在恒定大小。文中采樣使用精密電阻將燈絲電流信號轉換為相應的電壓信號[17]，然后輸入反饋環節，利用閉環反饋達到電流恒定的效果。

圖6所示為燈絲電源的閉環反饋電路。取樣后的電壓信號輸入AD620CN 小信號放大器放大，放大后的信號輸入PI 調節器的反向輸入端；同時管電流經過反向擴大后輸入PI 調節器的同相輸入端，輸出信號輸入芯片UC3526 的管腳3 中控制輸出PWM 波形的占空比。

圖6 燈絲電源反饋電路

3 測試、分析及電路改進

3.1 驅動電路PWM波形測試

圖7為驅動波形。高壓PWM 波形由SG3525AN產生，而燈絲電流的PWM 波形由UC3526 產生。文中選擇頻率為30 kHz，輸出PWM 波形由示波器測得。當反饋電路穩定后，高壓驅動電路PWM 波形如圖7(a)所示，燈絲電源的兩路互補PWM 波形如圖7(b)所示。

圖7 驅動波形

3.2 性能測試

圖8所示為文中設計的X 射線管專用電源。由于X 射線對人身體有害且實驗室條件達不到，所以用可變電阻作為負載進行調試。調節電阻，在電路板相應端口測量出相應的數據，其中輸入電壓為可變電阻上的電壓，記錄數據如表1所示。由表1數據可以得出，輸入電壓與實際電壓相差不大，紋波系數為1%，說明設計的控制系統合理；根據電源正常工作下電壓與電流的關系，高壓電源輸出高壓0～50 kV連續可調，輸出電流0～10 mA 連續可調，輸出功率可達50 W，表明高壓直流電源設計合理。

圖8 X射線管專用電源實物圖

表1 性能測試數據

燈絲電源的作用是加熱燈絲，燈絲負載實質就是電阻絲，所以對于輸出電壓的波形要求不大，只要輸出功率足夠即可。當VIN=24 V 時，IIN=4 A；當VO=5 V 時，IO=1.8 A，紋波≤1%。經過多次實驗，燈絲電源均能正常運行。

3.3 故障分析與改進

在實驗中出現了高壓電源無效的情況，因此對高壓電源的高壓部分進行了檢測。在對高壓硅堆、高壓電容和高壓變壓器檢測時，并未發現明顯問題，但是在對變壓器周圍進行溫度檢測時，發現MOS 管和磁元件有發熱現象，隨后對MOS 管進行仔細檢測，發現電源在運行中，MOS 管的GS 兩端電壓波形異常，在通電的瞬間會出現幅值很小的三角波波形，此時高壓電源不能正常運行，給電路板換上新的MOS 管后，高壓電源恢復正常運行[18]，所以高壓電源的無效主要因為MOS 管過熱。針對這個問題，對PCB 板進行元件布局優化和調整變壓器參數，問題得以解決。

4 結 論

文中設計的高壓專用電源符合X 光機的使用條件，其產生的電壓具有高穩定性和高可靠性。通過多次實驗與改進，實現對X 光機的高壓電源和燈絲電源的實時控制，達到管電壓0～50 kV 可調，輸出燈絲電流0～1.8 A 可調。當管電壓為50 kV 時，其輸出功率最大為50 W。X 光機電源正常運行時滿足使用需求。