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微波治疗仪用软开关电源的研究

2017-09-01 47页 doc 225KB 35阅读

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微波治疗仪用软开关电源的研究微波治疗仪用软开关电源的研究 本科毕业论文(设计) 题 目: 微波治疗仪用软开关电源的研究 学 院: 自动化工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 姓 名: lll 指导教师: www 2011年06月05日 The microwave treatment meter uses the soft switching power supply's research 摘 要 本文主要阐述了医用微波治疗仪的开关电源设计。简要介绍了微波治疗仪的组成结 构、治疗功能以及微波治疗肿瘤的原理。详细论述了磁控管结构和工作原理,设...
微波治疗仪用软开关电源的研究
微波治疗仪用软开关电源的研究 本科毕业论文(设计) 题 目: 微波治疗仪用软开关电源的研究 学 院: 自动化学院 专 业: 电气工程及其自动化 姓 名: lll 指导教师: www 2011年06月05日 The microwave treatment meter uses the soft switching power supply's research 摘 要 本文主要阐述了医用微波治疗仪的开关电源设计。简要介绍了微波治疗仪的组成结 构、治疗功能以及微波治疗肿瘤的原理。详细论述了磁控管结构和工作原理,设计应用于 磁控管的开关电源的主电路及辅助电路。主要设计了单端反激主变换器,经过全波整流滤 波得到直流电压。电网电压在输入可调变压器之前要经过滤波电路,以滤除干扰信号,然 后经工频变压器输出了多路直流电压分别给MCU控制系统、PWM控制器等供电。运用 NCP1205进行PWM调制,通过调节输出方波的占空比,调节电源输出的电流、电压。设 计的该开关电源能够为磁控管提供可调高压,使磁控管可以输出不同功率的微波。 关键词 微波 开关电源 反激变换器 NCP1205 Abstract This paper mainly elaborated the medical microwave treats meter's switching power supply ,design. Introduced the microwave treats meter's composition structuretreatment functions and how the microwave treatment tumor. Discusses in detail the structure and working principle of the magnetron, designed the main circuit switching power supply and auxiliary circuit for Magnetron. Main design of the main single-ended flyback converter, after filtering by full-wave rectification voltage DC . Adjustable voltage power transformer in the input filter circuit to pass before to filter out the interference signal . And then by some ways transformer output DC voltage to the MCU control system, respectively, PWM controller. Use of NCP1205 for PWM modulation . By adjusting the duty cycle square wave output to adjust the power output of the current and voltage . The design of the switching power supply can provide adjustable pressure magnetron, so that can output different power magnetron microwave. Microwave Switching Power Supply Flyback NCP1205Keywords 目 录 前 言 ................................................................................................................... 1 第一章 绪论........................................................................................................ 2 1.1 微波治疗仪的研究意义 ................................................................................................. 2 1.2 微波治疗仪的治疗机理 ................................................................................................. 2 1.3 微波治疗仪的发展现状 ................................................................................................. 3 第二章 微波治疗仪 ............................................................................................ 42.1 微波治疗仪简介 ............................................................................................................ 4 2.2 微波治疗仪的治疗特点 ................................................................................................. 4 2.3 微波治疗仪不完善之处 ................................................................................................. 5 2.4 微波治疗仪的一般结构 ................................................................................................. 5 第三章 磁控管 .................................................................................................... 6 3.1 微波治疗仪的心脏-磁控管 ............................................................................................ 6 3.2 磁控管的基本结构 ......................................................................................................... 7 3.2.1 阳极 ......................................................................................................................... 7 3.2.2 阴极及其引线 ......................................................................................................... 8 3.2.3 能量输出器 ............................................................................................................. 8 3.2.4 磁控系统 ................................................................................................................. 8 3.3 磁控管的工作原理 ......................................................................................................... 9 3.4 磁控管的分类和应用 ................................................................................................... 10 3.5 磁控管的特性 .............................................................................................................. 10 第四章 微波治疗仪开关电源的设计 ............................................................... 13 4.1 微波治疗仪电源简介 ................................................................................................... 13 4.1.1 微波治疗仪电源的选择 ........................................................................................ 13 4.1.2 开关电源的结构 .................................................................................................... 13 4.1.3 微波治疗仪开关电源的基本方案 ......................................................................... 14 4.1.4 开关电源主电路设计 ............................................................................................ 15 4.2 微波治疗仪开关电源的总设计 ................................................................................... 16 4.2.1 变换器电路设计 .................................................................................................... 16 4.2.2 PWM控制电路设计 ............................................................................................. 20 4.2.3 光耦合器 ............................................................................................................... 21 4.2.4 辅助电路设计 ....................................................................................................... 23 4.2.5 保护电路设计 ....................................................................................................... 25 4.2.6 电磁兼容电路设计 ................................................................................................ 26 4.2.7 MCU控制系统设计 .............................................................................................. 27 结束语 ................................................................................................................. 29 谢 辞 ................................................................................................................. 30 参考文献 ............................................................................................................. 31 前 言 生活节奏的不断加快,人们的健康水平也伴随的出现各种疾病。恶性肿瘤,也就是人们所熟知的癌症更是严重危害着人类的生命和健康,令人们谈之色变。多年来国内癌症死亡占到了各类疾病死因的第二位,发病率逐年上升。恶性肿瘤对社会的破坏是巨大的,因此恶性肿瘤的治疗研究工作越来越受到关注。 在治疗恶性肿瘤时,一般使用放疗或化疗的方法。放化疗并非能杀灭所有的癌细胞,PH值低和营养状态差等细胞往往还有存活,这些细胞常成为放化疗后复发的根源。微波热疗正好对这些癌细胞有特别的杀伤力。因此,在治疗肿瘤时微波热疗结合放疗、化疗将会有更好的疗效。 微波治疗是将肿瘤组织通过微波加热到有效的治疗温度以上。如果加热的温度在有效治疗温度之下,不仅无治疗效果,还会促进肿瘤细胞的扩散,而温度过高的话,则会损伤正常组织。因此在治疗肿瘤时需要加热到适合的温度。 微波治疗仪的电源选择非常重要,传统的电源输出不稳定,效率较低,必定被抗干扰能力强、低噪音、可靠性高、利用率高的开关电源所替代。 本论文共分四大部分,前面介绍了微波治疗仪的一些基本知识,包括微波治疗仪的一般结构以及其治疗原理等。接着介绍了微波治疗仪的核心部分—磁控管,它是微波输出源。后面设计了微波治疗仪的开关电源主电路以及各种辅助电路以及保护电路。重点讲述了利用单端反激电路,以及PWM脉冲宽度调制技术,为微波治疗仪设计提供了可靠安全高效率的开关电源。 1 第一章 绪论 1.1 微波治疗仪的研究意义 现代社会健康在人们心中的地位越来越大,肿瘤已经成为现在的常见病,严重危害着人们的健康与生命安全。尤其是恶性肿瘤,也就是人们熟知的癌症,更是让人谈之色变。癌症在国内引起的死亡占各类疾病死因的第2位,发病率逐年上升。现在差不多每5个死亡病人中就有一个是死于恶性肿瘤,而且35岁以后癌症的死亡率就大幅度升高,因此,癌症对社会产生的影响是巨大的,对面这一严峻挑战,癌症的防治研究工作受到了各国科学家的关注。 肿瘤并不是那么可怕,关键是要做到早期发现、早期诊断、早期治疗,而且即使是中晚期肿瘤,只要治疗得当,大部分的病人都可以减轻痛苦并延长生命。在正规合理的治疗下,癌症患者5年得生存率可以达到50%以上,但是在我国由于多方面的原因,癌症5年生存率只有约10%,因此,在国内恶性肿瘤的治疗技术的研究工作尤其重要。 治疗肿瘤的方法很多,临床一般采用多种方法综合治疗。热疗在近年来迅速发展,在临床上显示出了其很好的治疗效果。大量的临床实践和研究表明,热疗合并放、化疗的效应有明显的互补作用,证实了热疗治疗肿瘤的巨大潜力。 1.2 微波治疗仪的治疗机理 热疗主要是利用微波的穿透性和选择性好的特点,利用热效应和非热效应杀死肿瘤细胞。微波治疗仪是利用微波在人体产生的热量对患者的病变部位进行辐射,从而达到治疗的目的。简单来说就是借助于微波辐射器,将微波发生器产生的微波能量引导,照射于人体的病变部位,使之由于介质损耗吸收微波能量而发热升温,消灭病菌,杀死病变细胞,促进血液循环和新陈代谢,从而达到治疗疾病和康复理疗的效果。 微波是频率为300~300000MHz波长1mm~1m的超高频电磁波,在微波治疗的过程中,根据采用的微波功率密度的不同而区分出热效应和非热效应治疗。热效应治疗机理是:人体组织内大部分是由水和蛋白质等极性分子组成,在微波电场力矩的作用下,极性分子沿着微波电场的方向运动,并随着电场方向的交变来回转动,在转动过程中与相邻的分子产生摩擦碰撞而产生热量。从而使机体组织温度上升,达到血管扩张而加快新陈代谢的目的。 微波作为毫米波的一种,除了具有毫米波的共有特性外,还有一些区别于其他毫米波的独特性质。微波的主要特点是它的似光性、穿透性和非电离性: 似光性——微波与频率较低的无线电波相比,更能像光线一样地传播和集中; 穿透性——与红外线相比,微波照射介质时更容易深入物质内部; 非电离性——微波的量子能量与物质相互作用时,不改变物质分子的内部结构(只改变其运动状态)。 2 短波超短波同属电磁波,但与微波相比,由于频率大幅度降低,临床效果差别很大。人体的血液、淋巴液、脑脊髓液等对微波都有特殊的吸收作用。如短波超短波在电极作用下,脂肪与肌肉的温升之比约为9比1,而人体皮下都有一层脂肪,脂肪吸收电磁能产热过多,势必妨碍电磁能在深部组织的作用。而微波作用于人体脂肪和肌肉的产热之比接近于1比1,因此微波的热效应更均匀,在较深部位肌层内仍有显著的热效应。 微波治疗的关键是要将肿瘤组织加热到有效的治疗温度以上。如果肿瘤温度在治疗温度一下,不仅我治疗效果,还可能促进肿瘤的扩散,如果温度过高,又可能损伤正常组织,因此准确的温度是微波治疗的关键。在治疗中正常的组织温度一般不应超高44?,而肿瘤的理想温度是43?以上。热疗在42?以上1?之差课引起细胞存活率成倍变化。 1.3 微波治疗仪的发展现状 微波治疗是临床上一种新的治疗手段,其设备简单,治疗效果明显,使用安全,并发症少,对组织损伤小,因此得到医务界的肯定。微波治疗在国际、中国应用多年以其优越的性能而被喻为取代电灼、冷冻、激光的新技术。目前微波治疗仪已经广泛应用于妇科、肿瘤科、神经内科、消化科、泌尿科、肛肠科、耳鼻喉科、康复理疗等科室,发挥着极为重要的作用。 3 第二章 微波治疗仪 2.1 微波治疗仪简介 微波是指频率从300MHz到300GHz范围内的电磁波,在本世纪30年代,医务工作者发现了微波的生物效应。在临床上,微波与生物体的相互作用可以分为两大类,即微波致热效应和非微波致热效应。微波治疗仪所采用的微波热疗是一种非接触加热方式,不存在因电接触造成的热灼伤和电灼伤的可能。近几年,由于各项技术的日臻完善,使得微波治疗无需麻醉,可在门诊完成,具有简便、安全的特点。 微波治疗仪是一种利用微波对各种疾病进行治疗的新型医疗仪器。它除具有深表加热的特点外,还具有操作方便,定位准确,安全性高以及造价低,仪器结构紧凑,适应性广泛等优点。通过配备不同的附件设备,可对多种疾病进行治疗。微波治疗仪其是在微波技术,传感器、自动控制、计算机软件和硬件等高科技术的综合体,是一种既安全、方便、良好的手术治疗方法,无需麻醉,可在门诊直接完成。下图为常见微波治疗仪实物图: 图2.1.1 微波治疗仪 2.2 微波治疗仪的治疗特点 微波治疗仪利用微波生物组织的热效应,对病变组织进行止血、凝固、灼除或消炎、消肿、止痛、改善局部组织血液循环等来达到治疗疾病的作用。所以在微波治疗仪照射下,其血液的轮回的改进是确定的,并且改进程度要远远好于以红外线为主的理疗仪,所以疗效特别明确。 另外,用微波治疗仪治疗起效快,对于急性炎症一般1次就能显效,慢性炎症平常1-3次也能收到症状好转的疗效。 4 微波治疗仪以其优越的性能称为各门诊病房综合手术治疗设备首选,其操作简便,无组织炭化的后果,并且止血迅速、无溅射,创面修复好,各种专用体内辐射器齐全,从而得到广泛应用。 2.3 微波治疗仪不完善之处 目前的微波治疗仪还有诸多不完善之处,表现在: ?输出功率不稳定,输出误差在20%-30%输出功率不稳定会影响治疗效果,也存在着安全隐患,功率过大会导致人体组织损伤; ?体积和重量大,目前市场上使用的微波治疗仪一般为数十千克,体积和重量大使其应用环境受到限制,例如在一位突发事件的急救中及野外作业中将不便使用; ?辐射器效率低,辐射器效率指辐射器作用于人体的有效功率与输出功率之比很低; ?安全性不够高,安全性一直是人们最关注的问题,目前的微波治疗仪使用的保护措施普遍较少 因此,微波治疗仪还需经过不过的研究加以改进,使之能更好的为人们所利用。 2.4 微波治疗仪的一般结构 微波治疗仪集微波技术、传感器、自动控制、计算机软件和硬件等高科技术为一体,是一种安全、方便、有效的治疗方法。目前,常规的微波治疗仪主要由微处理器、高压开关电源、磁控管、线性电源、微波电缆、探头(即辐射器)、传感器等几部分组成,组成框图如图2.4.1所示。 图中,微处理器控制整个系统的运行。高压开关电源产生磁控管所需的高压,通过对高压直流电源的反馈控制,从而稳定磁控管的输出功率,线性电源则为灯丝提供稳定的直流电压。传感器用来检测磁控管的输出功率以及进行温度的测定及控制。其中,磁控管是微波治疗仪的核心部件,它是微波的发射源。 高微 压波磁控管 微波电缆 开探 ~220V 关头 电线性电源 源 可控硅 继电器 AD转换器 功率传感器 微处理器 硬件保护电路 图2.4.1微波治疗仪结构框图 5 第三章 磁控管 3.1 微波治疗仪的心脏-磁控管 磁控管是微波治疗仪的核心部分,微波治疗仪一般都采用磁控管来产生微波。磁控管具有体积小、重量轻、使用方便、工作可靠等优点。在速调管、行波管以其其它的一些微波源出现之前,磁控管是最早的微波源。而且,在目前磁控管仍然是效率最高的微波电子管,以此被广泛应用。 磁控管是30年代末40年代初发展起来的,在第二次世界大战期间,磁控管的实验和研究工作得到很大开展,60年代的时候,微波半导体器件出现并快速发展,此时人们试图制造出大功率的微波半导体器件来代替传统的微波点真空器件,但是实践证明,从输出功率、效率以及可靠性等方面来考虑,微波半导体器件是不能和微波电真空器件相比的,因此在相当长的一段时间内,磁控管仍将在大功率和高频率应用中占主体地位。 表3.1.1 医用磁控管特性参数 磁控管 电特性 生产商 型号 灯丝电压 峰值阳极电压 平均阳极电流 匹配输出功率 T075-21 4.2V 2.5KV 144mA 200w 日本松下 T075-03 4.2V 3.1KV 100mA 200w T0175-01 4.2V 2.1KV 100mA 110w T075-61 4.2V 2.5KV 144mA 200w CK-9302A 3.8V 2.2KV 200mA 200w 国营 CK-9302B 3.8V 1.5KV 150mA 100w 778厂 表3.1.2国产家用电器磁控管特性参数 磁控管 电特性 生 可直接替换的部 产 分国外磁控管型灯丝 峰值阳 匹配输出功型号 厂 号 电压 极电压 率 CK626 3.15V 4.0KV 800w 国光电子管厂 CK605 3.15V 4.0KV 800W 汉光电厂 CK620 3.5KV 4.0KV 800W 上海灯泡厂 114A 3.5V 3.8KV 550W AM697,2M214HB 国营 CK-623 3.3V 4.1KV 900W 2M214,OM75S 778厂 (31) CK-623A 3.3V 4.0KV 850W 2M167,2M214 现在,磁控管不仅在雷达、电子干扰系统等军用领域发挥其强大的能力,而且已经广泛的应用到医疗、家庭炉灶等民用领域。相比医疗方面,磁控管在家庭炉灶方面的应用更为广泛,应用于家庭炉灶的磁控管比医用磁控管容易购买,在价格上要低的多。在家庭炉灶的应用上,人们最熟悉的就是应用在微波炉上,由于市场的竞争使得微波炉磁控管技术不管发展,寿命提高的同时成本却大大下降。磁控管在医疗上的应用日益广泛,应用领域 6 不断扩大,随着科学技术的快速发展,磁控管技术的原理更加完善,磁控管将取得更大的发展。 目前,医疗磁控管相比家用磁控管需求量比较小,因此价格相对要高很多。两张分别为医用磁控管和用电器磁控管特性参数。 从表中可以看出,医用磁控管阳极峰值电压比较低,一般在3KV以下,最低的是1.5kv,输出功率一般在200w或200w以下,而家用电器磁控管的阳极峰值一般在4kv,相比医用磁控管要高很多。一次对家用电器磁控管进行改进,设法减小磁控管的阳极峰值电压,可使治疗仪对电源的要求降低,从而减少成本,治疗仪也会更加安全。家用电器磁控管输出功率一般在800w或以上,而在微波热疗时,需要的磁控管输出功率一般不会超过200w。 3.2 磁控管的基本结构 磁控管用管芯和磁钢(或电磁铁)组成。管芯的结构包括阳极、阴极、能量输出器和磁路系统等四部分。管子内部保持高真真空状态。下图为磁控管结构图: 图3.2.1 磁控管结构图 3.2.1 阳极 阳极是磁控管的主要组成之一,它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作用的空间。在恒定电场和恒定磁场的作用下,电子在此空间内完成能量转换的任务。磁控管的阳极除与普通的极管的阳极一样收集电子外,还对高频电磁场的振荡起着决定性的作用。 阳极是由导电良好的金属材料(如无氧铜)制成,并设有多个谐振腔,谐振腔的数目必须是偶数,管子的工作频率越高腔数越多。 阳极谐振腔的形式常为孔槽型、扇形和槽扇型,阳极上的每一个小谐振腔相当于一个 7 并联的2C的振荡回路。以槽扇型腔为例,可以认为腔的槽部分主要构成振荡回路的电容,而扇形部分主要构成振荡回路的电感。 磁控管的阳极由许多谐振腔耦合在一起,形成一个复杂的谐振系统。这个系统的谐振频率主要决定于每个小谐振腔的谐振频率,根据小谐振腔的大小可以估计磁控管的工作频段。 磁控管的阳极谐振系统除能产生所需要的电磁振荡外,还能产生不同特性的多种电磁振荡。为使磁控管稳定地工作在所需的模式上,常用隔型带来隔离干扰模式。隔型带把阳极翼片一个间隔一个地连接起来,以增加工作模式与相邻干扰模式之间的频率间隔。 另外,由于经能量交换后的电子还具有一定的能量,这些电子打上阳极使得阳极温度升高,阳极收集的电子越多(即电流越大),或电子的能量越大(能量转换率越低),阳极温度越高,因此,阳极需要有良好的散热能力。一般情况下功率管采用强迫风冷,阳极带有散热片。大功率管则多用水冷,阳极上有冷却水套。 3.2.2 阴极及其引线 磁控管的阴极即电子的发射体,是相互作用空间的一个组成部分。阴极的性能对管子的工作特性和寿命影响极大,被视为整个管子的心脏。 阴极的种类很多,性能各异。连续波磁控管中常用直热式阴极,它由钨丝或纯钨丝绕成螺旋形状,通电流加热到规定温度后就具有发射电子的能力。这种阴极具有加热时间短和抗电子轰击能力强等优点,在连续波磁控管中得到广泛的应用。 此种阴极加热电流大,要求阴极引线要短而粗,连接部分要接触良好。大功率管的阴极引线工作时温度很高,常用强迫风冷散热。磁控管工作时阴极接负高压,因此引线部分应有良好的绝缘性能并能满足真空密封的要求。为防止因电子回轰而是阳极过热,磁控管工作稳定后应按规定降低阴极电流以延长使用寿命。 3.2.3 能量输出器 能量输出器是把相互作用空间中所产生的微波能输送到负载去的装置。 能量输出装置的作用是无损耗,无击穿地通过微波,保证管子的真空密封,同时还要做到便于与外部系统相连接。 小功率连续波磁控管大多采用同轴输出。在阳极谐振腔高频磁场最强的地方放置一个耦合环,当穿过环面的磁通量变化时,将在环上产生高频感应电流,从而将高频功率引到环外。耦合环面积越大耦合越强。 大功率连续波磁控管常用轴向能量输出器,输出天线通过极靴孔洞连接到阳极翼片上。天线一般做成条状或圆棒或椎体。整个天线被输出窗密封。 输出窗常用低损耗特性的玻璃或陶瓷制成。它必须保证微波能量无损耗的通过和具有良好的真空气密性。大功率管的输出窗常用强迫风冷来降低由于介质损耗所产生的热量。 3.2.4 磁控系统 磁控管正常工作时要求有很强的恒定磁场,其磁场感应强度一般为数千高斯。工作频 8 率越高,所加磁场越强。 磁控管的磁路系统就是产生恒定磁场的装置。磁路系统分永磁和电磁两大类。永磁系统一般用于小功率管,磁钢与管芯牢固合为一体构成所谓包装式。大功率管多用电磁铁产生磁场,管芯和电磁铁配合使用,管芯内有上、下极靴,以固定磁隙的距离。磁控管工作时,可以很方便的靠改变磁场强度的大小来调整输出功率和工作频率。另外,还可以将阳极电流馈如电磁线包以提高管子工作的稳定性。 3.3 磁控管的工作原理 磁控管通常工作在π摸,即相邻两个谐振腔腔内处微波电场相位正好相差180?,微波电场方向正好相反。虽然这种微波场为驻波场,但在π模下,相当于两个相同的微波场在圆周上沿相反的方向运动,两个场的相速值相等。从阴极发射出的电子在正交电磁场作用下作轮摆运动。调节直流电压和恒定磁场,使电子在圆周方向的平均漂移速度v=E/B正好等于其方向上运动的一个微波场的相速v(式中E是直流电压在互作用空间产生的直流电场平均值,B为轴向恒定磁感应强度),电子就可以与微波场作同步运动。在同步运动过程中,处在微波减速场中的那部分电子将自己的直流位能逐渐交给微波场,并向阳极靠拢,最先被阳极收集。这部分电子向微波场转移能量,有利于在磁控管中建立稳定的微波振荡,故称为有利电子。处在微波加速场得那部分电子从微波场获得能量并向阴极运动,最后打在阴极上。这部分电子称为不利电子。不利电子在回轰阴极时打出大量的次级电子,使互作用空间电子的数量因之增加。最大减速场区是电子的群聚中心。在它两旁的电子都受到向这个群聚中心靠拢的力而向群聚中心运动。最大加速场区是电子的散聚中心,附近的电子都受到背离聚中心的力,分别向左右两边运动,转化为有利电子。这样,在振荡建立过程中不利电子越来越少,有利电子越来越多,并向群聚中心集中,逐步在互作用空间形成轮辐状电子云。这种处于不同相位下的电子在互作用空间自动群聚轮辐状电子云的现象,称为自动相位聚焦。在互作用空间的微波场,随着远离阳极表面而指数衰减。因此,在阴极表面的微波场极弱,对电子的群聚作用极小,在阴极附近不会形成明显的电子轮辐,而是形成几乎均匀分布的电子轮毂。磁控管在互作用空间的电子中有利电子占绝大多数,而且均在向阳极运动过程中,有利电子回旋的时间又较长,它们能够充分地将直流位能轮换成微波能量,回轰阴极的电子比较少,而且它们从阴极发射后不久就打在阴极上,因而从微波场吸收能量也较少。这样互作用空间全部电子在微波场相互作用的总效果是。电子将直流位能交给微波场,在磁控管中建立起稳定的微波振荡。 阳极谐振系统由沿着圆周排列的一组闭合谐振腔构成。磁控管作为振荡器需有一定的储能以维持微波振荡,因而要求阳极谐振系统有较高品质因数。同时,磁控管中,振荡的能量又需要通过输出装置输出才能使用。因此,阳极谐振系统上的能量耦合元件的设计十分重要。它既耦合出一定能量保证使用,又要使阳极谐振系统具有较高的品质因数,保持足够高的储能,维持磁控管稳定工作。磁控管工作于π模。为保证π模工作稳定,邻模与π模之间应有良好的模式分割,因此,常常采用带有隔膜带的或者异腔型的阳极谐振系统。 9 3.4 磁控管的分类和应用 磁控管按工作状态可分为脉冲磁控管和连续波磁控管;按结构特点可分为普通磁控管、同轴磁控管和反同轴磁控管;按频率是否可调,分为固定频率磁控管和频率可调磁控管。频率可调磁控管又可分为机械协调磁控管和频率捷变磁控管。另外还有一类借助改变阳极电压实现频率协调的电压调谐磁控管。 脉冲磁控管的工作脉冲宽度可在0.004~60微妙范围内变化,工作频率范围在250兆赫至120吉赫之间,脉冲功率从几十瓦到几十兆瓦,效率可达70%,寿命可达几万小时。脉冲磁控管广泛用于引导、火控、测高、机载、舰载、气象等各种雷达中。 连续波磁控管用于电子对抗、工业加热和微波理疗。功率在400~1000w之间的廉价的连续波磁控管还广泛用于家用微波灶。为了不干扰雷达和通信设备的正常工作,医用、工 ?25兆赫及2450?50兆赫。频率可调磁控业加热和烹调用磁控管的工作频率通常为915 管,特别是频率捷变磁控管能提高雷达的抗干扰能力。 电压调谐磁控管通常作为电子对抗设备的功率源,可提供几w到几百w的连续波功率。它具有调谐速度快、调谐线性好等优点。小功率电压调谐磁控管调谐范围可达2:1,4:1甚至是20:1,能大大提高各种雷达的电子对抗能力。它的主要缺点是输出功率不够大,不能用于雷达的电子反对抗措施。 同轴磁控管是在普通磁控管翼片腔体(称为内腔)外面加一只具有高品质因数的同轴腔(称为外腔)而构成,靠内腔壁上的相间耦合隙缝将内外腔的场耦合起来。同轴磁控管具有模式分割好、工作效率高和频率稳定性好的优点,常用于动目标显示、精密跟踪和测距雷达中。反同轴磁控管由内阳极和与之同轴的外阴极组成,因而可增大阴极面值。同轴磁控管的工作波长可短至毫米波段。这种磁控管的特点是功率高、效率高、频率稳定性好。 3.5 磁控管的特性 从磁控管原理可知:永久磁铁提供的磁场和电源提供的电场控制着磁控管中电子的运动。改变磁控管电源电压和磁场都会为产生微波造成影响,磁控管只有在一定的电场和磁场条件下才能产生微波。 ?截止电压 静态磁控管中当阳极电压较低时,电子很少能达到阳极,处于截止状态。此时电子在阴极表面的一薄层内运动,围绕阴极表面存在一个旋转的电子云。当磁场一定的时候,静态磁控管中电子刚好打上阳极出现阳极电流时所加的阳极电压,这个电压就被称为截止电压。设阴极表面电子速度为零,则截止电压 222,,UermrrBja,,(/8)1(/) (式3.5.1) ka,, rr式中分别为阴极、阳极半径。 ka ?门槛电压 门开电压是指在磁场一定时,旋转电子云最外层电子旋转速度刚好和某一模式的某一 10 空间谐波相速同步,开始出现阳极电流的电压。若不考虑空间电荷的影响,并不考虑电子运动的回旋特性,对于π模式,有门槛电压 2222UNrrBmeNr,,,(/)()(2/2),, (式3.5.2) taka,, r,,r,,式中为π模振荡角频率。若以波长表示,且、、的单位为厘米,B的,a,,, 单位为高斯,上式可化简为 22-72 (式3.5.3) U=()()4.0410(/)1884/N,,rrBrN,,,,,aatk U 截止电压线 Uoa 门槛电压线 Uo B BoaoB 图3.5.1 磁控管中阳极电压和磁场的关系曲线 从磁控管中的阳极电压和磁场的关系曲线可以看出门槛电压线为一条直线,在门槛电压线上,旋转电子云刚好和高频场同步,并刚开始出现阳极电流产生高频振荡。理论上,在门槛电压线下,旋转电子云最外层旋转速度还不足以和高频场同步,因而不会产生谐振。所以磁控管只能工作在截止电压线和门槛电压线之间。实践中发现,当电压低于门槛电压 U时,仍有阳极电流,因此对上式做一些近似后可得下式: t 2272222,U1884B(r-r)/N-161610/(121300/),,,,,,rNNB (式3.5.4) akat ?磁控管的工作特性 U截止电压线和门槛电压线的交点为电压和磁感应强度分别为特征电压、特征磁场oB的点,由上式可得 o ,72UrN,,4.0410(/),oa 22BNrr,,42600/(1/),oka rr,式中、、的单位是cm,B的单位为高斯。 a, 在特征电压下,磁控管内电子的位能全部转化为电子的切向动能并刚好和高频场同步,此时如果在磁场为特征磁场时,电子刚好和阳极相切。 在振荡状态下,高频场合电子云同步,对于π模、阳极电压和磁场的关系为 222222UNrrBmeNrr,,,,(/)()(2/)(),, (式3.5.5) aakak BU在磁控管电源电压和永磁体提供的感应强度分别大于、时,磁控管才能满足输oo UU出微波的基本条件。磁控管工作时,阳极电压要比门槛电压高出一个数值,的值aa 11 U一般比较小,是与工作电流有关系的变化量。由上式可知,在不同磁场感应强度下,a 磁控管工作电压会发生变化,随着B的减小,工作电压降低,对于磁控管的伏安关系用UUU,,,来表示。减小磁通密度B,该磁控管工作电压会降低,从而对磁控管的电源ta 要求降低,可减少电源成本,提高整机的安全系数。当磁控管磁场一定的时候,磁控管输出功率的大小与电流整正比,但输出功率增加阳极电压仅微小变化。 12 第四章 微波治疗仪开关电源的设计 随着电力电子技术的快速发展,电力电子设备与人们的工作生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源。开关电源利用现在电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电子电子技术的发展和创新,开关电源技术在不断的创新,开关电源获得了广泛的发展空间。 4.1 微波治疗仪电源简介 4.1.1 微波治疗仪电源的选择 电源是微波治疗仪的关键部分,它直接决定着整机的性能。图4.1.1是一种典型的微波治疗仪的电源电路框图,图中可以看出电源部分主要变压器、整流滤波电路组成。 灯丝 输入电压 整流滤波 调压器 磁控管 图4.1.1 微波治疗仪电源结构示意图 图4.1.1是微波治疗仪常用的电路结构,选用用工频变压器,电源体积比较庞大、笨重、效率低、稳压稳流范围窄,必然会被功耗小、效率高的开关电源替代。开关电源所用的功率管工作在开关状态,开关频率高,使得电源功耗小,大大提高了电源的效率。另外,开关电源用高频变压器代替了工频变压器,减小了体积重量。它的输出电压是由激励信号的占空比或者频率来调节的,输出电压或电压的波动都可以通过改变占空比或频率来获得补偿,因此输出电压和电流比较稳定,稳压稳流范围比较宽。但是开关电源会产生谐波和尖峰干扰,电路结构比较复杂,故障比较大,维修困难。 4.1.2 开关电源的结构 目前开关电源种类繁多,按功率开关电路的结构形式可分为:升压型、降压型、反向型、变压器型。其中升压型、降压型、反相型在交流电网和负载间没有电隔离,变压器型可实现隔离,并且可以多路输出。按晶体管的连接方式可分为单端式,推挽式、半桥式和全桥式。单端式电路结构简单,只使用一个开关功率管,因而其输出功率也不是很高;推挽式的变压器有中心抽头,使用两个开关功率管,输出功率较单端式高;半桥式适用于输入电压比较高的场合;全桥式用四个开关功率管接成全桥形式,输出功率较大。变压器开关电源电路分为正激和反激两种拓扑结构。 13 图4.1.2为正激拓扑结构,当开关管Q1导通时,与二极管D1连接的变压器输出端为正,D1导通,对负载供电,Q1截止时,D1截止。正激型开关电源电路效率高、结构简单,但是需要设计磁性恢复电路,有次级整流二极管的短路电流的问题。图4.1.3为反激拓扑结构,当开关管Q1导通时,与二极管D1连接的变压器输出端为负,D1截止,Q1截止时D1导通,对负载供电。反激型开关电源电路结构简单、成本低、可靠性高、稳压稳流范围宽。比较之后本设计中选用反激拓扑结构。 图4.1.2 正激拓扑结构 图4.1.3 反激拓扑结构 按调制方式分为脉宽调制型PWM(Pulse Width Modulation)、频率调制型PFM(Pulse Frequency Modulation)和混合调制型。PWM是电源频率不变,通过改变脉冲宽度来改变电源输出电压;PFM则是占空比保持不变,通过改变频率来改变输出电压;混合调制型是通过同时改变占空比和频率来改变输出电压。 4.1.3 微波治疗仪开关电源的基本方案 微波治疗仪工作时,微波输出功率一般在30w-80w之间,因此所需的电源输出功率不高,但要求电源输出要有稳定的输出电流。我们设计高压电源变换器把电网输入电压经过稳压和降压,为开关电源主变换器提供稳定的直流电源,为主变换器输出的稳定和可靠的工作提供良好的条件。把辅助电源设计为开关电源,从而不需要用到工频变压器,而得到稳定的输出。基于微波治疗仪和磁控管的工作要求可设定电源参数如下: 输出最大功率:200W 效率 :70%以上 输出电压 :2.5Kv 高压输出电流:0-200mA 开关电源输出电压可取2500v 微波源要求输入输出隔离,两路输出,一路输出负高压给磁控管阴极和阳极供电,一路输出约3.3伏给灯丝供电。 正常工作时,给灯丝供电的同时,还要给管子的阴极和阳极提供负高压,因此电源要 14 有多路路输出。我们设计采用PWM单端反激型电源拓扑结构。 整流滤波反激变换器磁控管微波 AC220V 工频变压器PWM控制器 MCU辅助电源控制系统 灯丝 图4.1.4 开关电源总体结构框图 电路结构总框图如4.1.4所示。该电源电路包括单端反激变换器、PWM控制器和辅助电源。另外还需有检测保护等电路。本文主要设计单端反激主变换器,电源预稳压降压部分利用可调变压器,全波整流滤波得到200V直流电压,在输入可调变压器之前经过滤波电路,以滤除电网的干扰信号,同时也防止电源内部的干扰信号污染电网。经工频变压器输出了多路路直流电压分别给MCU控制系统、PWM控制器、灯丝等供电。PWM控制器输出方波,PWM控制器的输出通过驱动模块控制IGBT的通断。检测电路用来检测信号输入电压是否在正常范围内,以保护电源电路。电流采样电路作为反馈信号检测输出电流情况,以稳定输出电流,从而可稳定功率。可选用光电耦合器和洛氏线圈进行隔离,抑制干扰。 4.1.4 开关电源主电路设计 现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化,同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。 通常,滤波电感、电容和变压器在装置的体积和重量中占很大比例。因此必须设法降低他们的体积和重量才能达到装置的小型化、轻量化。提高工作频率可以减小变压器各绕组的匝数,并减小铁芯的尺寸,从而使变压器小型化。因此此装置小型化、轻量化最直接的途径是电路的高频化。但在提高开关频率的同时,开关损耗也会随之增加,电路效率严重下降,电磁干扰也增大了,所以简单的提高开关电源频率是不行的。因此可以使用软开关技术,它利用以谐振为主的辅助换流手段,解决电路中的开关损耗和开关噪声问题,使开关频率可以大幅度提高。 在开关电源应用于交流电网的场合,整流电路往往导致输入电流的断续,这除了大大降低输入功率因数外,还增加了大量高次谐波。开关电源中功率开关管的高速开关动作形成EMI骚扰源,在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰,传导干扰还会注入电网,干扰接入电网的其他设备。减少传导干扰的方法很多,可以利用EMI滤波器衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。设计微波治疗仪的主电路软开关电源如下图所示: 15 D1 R2D1D2C14〇〇D6C14Uo 〇 R10 R4UinC1D7 R818 27SFH6156NCP1205-236 45 R1 R6C12R3D3D4 图4.1.5 软开关电源主电路图 该主电路中使用NCP1205,在NCP1205中有一只电压控制振荡器(VOC),它控制一个自由运行的准谐振电路。从而可以符合软开关的工作条件。谷底开关式工作确保准谐振的工作条件。其由内部栅漏电容Soxyless电路保护,使一次开关无损开启,二次侧二极管没有反向恢复损耗,且EMI及音频噪声干扰降低或消除。谷底检测技术是基于监视功率IGBT漏极电压的变化。当变压器完全去磁后,漏极电压下降,渐近线是由Lp变压器电感和漏极整个电容之间的谐振能量传输来支配的。这个电压的振荡建起开关IGBT的寄生电容电流振荡(包括栅极与漏极之间的电容)。一个负向电流流出DRV端,在漏电压振荡器件进入漏极,一个正向电流也在此期间增加一部分,漏电压的谷底处对应于此电流转向,检测此点状态,我们即可决定进入谷底,然后IGBT导通,进入下一周期。 将准谐振技术应用取传统的反激式开关电源中,提高了电源效率、减小了开关损耗。采用这种准谐振技术的新型反激变换器具有良好的负载调整率和快速的动态响应、输出电压纹波小。该变换器满载运行时不存在死区时间,变压器利用率高。负载变轻时,变换器提供平滑的频率变换,以保持输出的稳定和较高的效率。无论在任何情况下开关管都是在漏源电压谐振到谷底时才开通,这样既减少了开关管的开通损耗,减轻电磁干扰,又提高了工作效率。 4.2 微波治疗仪开关电源的总设计 4.2.1 变换器电路设计 ? IGBT器件 绝缘栅型双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种性能优良的开关功率器件,在结构上,IGBT是一种MOSFET和双极型晶体管的符合器件,它兼有MOSFET功率器件易于控制和驱动、开关频率较高的有点以及功率晶体管的导通电流大、导通压降和损耗小的显著优点,广泛应用在逆变电源、交流电机、照明电路、变频器、家用电器、 16 牵引传动等领域中。IGBT频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可以正常工作于几十千赫频率范围内,它是电压控制型器件,输入电阻很大,工作时基本不消耗功率,但是它的栅源极间存在着较大的电容量。驱动脉冲电压上升沿以及下降沿需要提供较大的充电和放电电流,才能满足它开通和关断的动态要求,这使得它的驱动电路也必须输出一定的 U=?20V。IGBT在通断过程中,栅极与峰值电流。栅极-发射极间电压的最大允许值为gs 射极之间要加负偏压,这样有助于它的抗干扰能力,加快关断过程,并可提高它的耐压能力。IGBT能够随受过电流的时间短,通常为几,但是当栅极-发射极间驱动电压降低时,,s 可适当延长过流时间;当流经IGBT器件的稳态电流过大会产生静态擎柱,开断IGBT器件速度太快会产生动态擎柱,因此要采取措施避免这种擎柱效应;在过高的电压作用下,IGBT器件会被击穿,从而使器件失效。因此要使IGBT正常工作必须使IGBT工作在安全区,设计好驱动电路和保护电路。 IGBT为压控器件,当集射间有高压时,很容易受到外界的干扰,使得器件误导通。为了避免这种现象发生,可在栅射极间并接一个几十Ω的电阻。此外,为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,在栅射极并接了两只反向串连的稳压二极管。 ?反激变换器的工作模式 采用用在磁控管变频电源的高频高压变压器,设计单端反激变换电路,变换器的电路图如图4.2.1所示。 〇D1RLC2 〇 Lsa Q1 R0 图4.2.1 变换器电路 NCP1205输出的方波控制开关Q1的开通和关断,Q1导通时,输入电压全部加载变压器的初级,次级的2端为正,整流二极管D2截止,此时变压器初级相当于一个纯电感,在输入电压的作用下存储能量,初级电流线性增加;当Q1截止时,次级1端为正,整流二极管D2正向导通,向负载释放能量对电容C2充电,次级电流逐渐减小。 由于变压器原副边绕组存在漏感,因此在开关管关断瞬间会产生尖峰电压,此电压加 UNU,U在功率开关管C,E之间,此时它承受的电压为(其中为变换器输入电压;Nioi U为初级和次级匝数之比,为次级输出电压),为降低开关功率管的耐压要求,防止电压o 17 尖峰损坏功率开关管,必须采取措施来限制功率开关管两端上所受的电压。 U co U tt ttcoonont t offoff ii 11 t t ii 22 t t 图4.2.2 连续模式 图4.2.3 断续模式 根据电流是否连续,FLYBACK变换器的工作模式,可分为电流连续模式(CCM)、临界模式和断续模式(DCM)。在开关管Q1导通的时候,变压器存储能量,Q1截止时,次级向负载输出能量,变压器次级电流不断衰减,如果在开关管下一次开通时刻,次级输出电流大于零,称为连续模式。 如图4.2.2所示。工作在连续模式下,输出电压关系式为 UNNDDU,,,,(/)[/(1)]oi21 (式4.2.1) NNU其中 、分别为变压器的初级和次级,D为占空比,为输入电压。 12i 输入电流峰值为 IPUDUTLD,,,/(/2)11poii (式4.2.2) PL其中为输出功率,T为变换器开关周期,为变压器初级电感。 o1 断续模式(DCM)为变压器次级电流在开关管断开期间已经下降到零。如图4.2.3所示。断续模式输出电压关系式为 22UUDTLI,,/2oio1 (式4.2.3) I其中为输出电流,为变换器效率。 ,o 临界模式介于连续模式(CCM)和断续模式(DCM)之间,此时开关管Q1截止时间tN等于次级变压器绕组中的电流衰减到零所需的时间,如图4.2.4所示。此时输出电压off2 I和输出电流同时满足(式4.2.2)和式(4.2.3),因此临界连续电流为 g 22 (式4.2.4) IUTLUT,,/2giono1 18 U co t tt onoff i 1 t i 2 t 图4.2.4 临界模式 在连续模式(CCM)下,输出很小是会有一个临界连续状态,由(式4.2.4)可得变压 L器初级电感最小值为为 1 2222LUTfIUUTfP,,,,/2/2ionooiono1minmin (式4.2.5) IP其中、分别为连续模式(CCM)模式时变压器次级输出最小电流、最小电压。 ominomin I由式4.2.4可知,若变换器设计在连续模式工作,最小输出电流为临界连续电流,g L由式4.2.5可知,此时需要满足条件: 1 2222LUTfIUUTfP,,,,/2/2ionooiono1minmin (式4.2.6) I若变换器完全工作于断续模式,最大输出电流为理解连续电流,由式4.2.4可知,g L此时需要满足条件: 1 2222LUTfIUUTfP,,,,/2/2ionooiono1minmin (式4.2.7) IP式中、分别为断续模式(DCM)时变压器次级输出最大电流、最大功率。 ominomin ?反激变换器参数计算 ?变压器 FLYBACK变换器关键部件是高频变压器,高频电源变压器应精心选择磁芯以减小漏感,窗口面积的大小要有利于减小线圈发热损耗和散热面积,增加散热面积。应选择剩磁较小,饱和磁感应强度较高的磁芯。高频变压器原边绕组匝数由外加激磁电压来决定,副边绕组匝数根据输出电压决定,导线的截面通过绕组的电流密度来确定。FLYBACK变换器的高频变压器要开有气息以存储能量。 选用为磁控管供电的高频高压变压器,该变压器应用在某家用电器的变频电源中,该电源输出功率在500W以上。该变频电源的变压器工作频率为25K左右,磁芯中留有气息,变压器初级20匝,变比约为14,变压器设计有屏蔽以减小电磁干扰,可用来设计FLYBACK LL变换器。该变压器的初级电感=114μH,高压输出次级电感=21.9μH。我们把电源设12 UP计为断续模式(DCM),输出最小功率设定为=10W,变换器输入电压=200V,最inomin 19 D大占空比=0.5,工作频率f=25KHz,效率=0.75 ,max 22LHUTfPmH,,,114()/215(),,iono1min 由上式可看出,该变换器工作在断续模式(DCM)。 ?功率器件参数计算 功率开关管Q1 栅漏电压为: UUNUV,,,,,(1/)2002500/14379() dsinomaxmax 初级峰值电流为: IPUDUTL,,//2,1minmaxmin2poininon ,,,,,,,200/(0.751900.5)190500.5/221900 (A) ,2.909 U由于电压器有漏感,因此要选择远大于379V,额定电流远大于2.909A的功率dsmax 开关管 整流二极管D2: UNUUV,,,,,,1420025005300Dino2max 3IIDUUDA,,,,,,,,/(1)0.5()(1)/25100.425() DooD2maxmax UU其中为整流管的压降,选用的整流管=13.5V DD 因此整流二极管应选择峰值电压大于5300V,峰值电流大于0.425mA的整流管。 C滤波电容 2 3CITU,,,,/0.2/10*50*100.4(F), oono2 T,U其中为40,为10V ,sono 选择额定电压为3000V的电容 4.2.2 PWM控制电路设计 开关电源具有工频变压器所不具备的优点,新型、高效、节能的开关电源代表着稳压电源的发展方向,因为开关电源内部工作于高频率状态,本身的功耗很低,电源效率就可做得较高,一般均可做到80%,甚至接近90%。 NCP1205是安森公司生产的单端PWM控制器芯片。在NCP1205中有一只电压控制振荡器(VCO),它控制一个自由运行的准谐振电路。NCP1205的工作电压的工作电压范围宽达7.2至15V;NCP1205内含3mA的启动电源,其高压启动输入脚(引脚1)施加的直流电压可达500V;NCP还具有过电压和过电流故障检测与保护的功能。 20 图4.2.5 8脚封装的NCP1205内部路框图 图4.2.6 NCP1205的各引脚功能图 NCP1205集成了一个电流控制调节器和一个去磁检测器以确保电路无论在任何负载和任何线性条件下都能够工作于准谐振模式,即保证开关管在临界导通模式下以最低的漏源电压进行开关工作,减小尖刺干扰,最终达到降低其损耗的目的。由此可知,电源的谐振工作频率降随着负载和输入电压条件的变化而变化。NCP1205提供了平滑的频率变换,确保了电路在不同条件下都能够实现谷底开通(即在开关管漏源电压谐振到接近零时开关管导通)。开关管的谷底开通确保了变换器最小的开关损耗和最低的功率损失。 4.2.3 光耦合器 21 光耦合器(optical coupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器,简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦合器用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时,便形成一个光源,该光源照射到光敏三极管表面上,使光敏三极管产生集电极电流,该电流的大小与光照的强弱,亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输,因而两部分之间在电气上完全隔离,没有电信号的反馈和干扰,故性能稳定,抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小(2pf左右)、耐压高(2.5KV左右),故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外,因其输入电阻小(约10Ω),对高内阻源的噪声相当于被短接。因此,由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。 运用光耦合器时,满足信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件,现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。 在本设计中,选用SFH6156-2光耦合器。输入电压经过整流滤波,通过反激变换给磁控管供电,PWM控制器产生的方波来控制反激变换器中IGBT的通断。变换器输出的信号经过光耦合器SFH6156-2后反馈给NCP1205控制方波的输出。 SFH6156-2是Vishay (威世)生产的光耦合器表4.2.7是SFH6156-2产品特点,表4.2.8给出了SFH6156-2的参数信息。 22 图4.2.7 SFH6156-2产品特点 表4.2.8 SFH6156-2产品参数 4.2.4 辅助电路设计 微波治疗仪电路系统中有MCU控制系统、PWM控制器、驱动模块等,他们所需要的工作电压各不相同,根据实际所需我们分别设计5V、15V、20V、300V直流电源。 ?300V直流电源的设计 该直流电源给FLYBACK变换器供电,输入电网电压交流220V经过整流模块全波整流,滤波器滤波便可得到需要的电源。直流输出电路示意图如下图所示: 23 L1 C1UinUdc整流桥模块 图4.2.9 300v直流输出电路示意图 经过全波整流输出的电流波形会含有较大的交流分量,从而影响到负载电路的运行。为了减小输出电压的交流分量需要通过一个低通的滤波电路滤波。 设定电源最大输出功率为200w,占空比为0.5,电源效率为0.75,经过滤波电路滤波后脉动系数S为0.5%,从而可得 开关电源变换器输入功率: Pw,,200/0.75266.7() in 输出电流: IPUA,,,/*0.5266.7/200*0.52.67 oindc 负载电阻为: RUI,,,,/200/2.6775() Ldco 脉动系统: 2SLC,,,0.67/|1|0.02, 2 ,LC,33.5 2 LC,,33.5/6280.0000085 1/0.17.5(),CR,,, 取 L 则可得 LmH,,0.0000085/0.00021240() ?5V、15V、20V直流稳压电源的设计 电网输入220V交流电流,通过工频变压器输出3路,变压器输出经过整流,稳压器稳压后输出稳定的直流,其中5V和15V电源需经过一次稳压,20V的直流电源为IR2110供电,因此要求它的纹波系数要小,需要经过二次稳压。选用78系列三段稳压器,按手册设计要求,设计电路如图4.2.9和图4.2.10所示。 图4.2.10 5V和15V直流稳压电源 24 图4.2.11 20V直流稳压电源 4.2.5 保护电路设计 开关电源的安全可靠性非常重要,为了避免环境环境变化引起电源运行异常,必须要设计保护和检测电路,从而防止过压、欠压、过流等情况引起电路故障。电源过压或欠压引起器件承受电压及电流应力超出了正常的使用范围,从而不能正常工作甚至引起器件的损坏。因此对输入电源的电压上限下限都要有所限制防止意外事故的发生。 我们采用比较器LM339构成过压和欠压保护电路。辅助电源整流滤波后的电压输入取样电压,它反映输入电源电压的变化。取样电压由电阻R11和5V稳压管D20构成的电压比较,当电源电压超出正常的工作电压范围的时候,比较器U7A或U8A输出低电平,阻断PWM信号,使得IR2110驱动模块慢关断。当输入电源电压正常的时候比较器输出高电平,通过二极管D27和D28和PWM进行信号隔离,防止影响控制脉冲信号 当IGBT过流的时候,过流保护电路会检测到信号,实施IGBT控制驱动模块,使驱 辅助电源动模块IR2110慢关断。 R22R11输入方波 信号 15V 5V Vcc辅助电源 R6过压保护R8 0R9 D27D28图4.2.12 过压欠压保护电路 辅助电源LM339 R7R5LM339R1325 R10欠压保护 0 4.2.6 电磁兼容电路设计 开关电源的功率器件工作在开关状态的时候,工作频率高,干扰严重,产生的干扰信号通过变压器、电感、导线以及各种耦合、传导、辐射的方式对各种电子设备及其本身造成干扰。开关电源的干扰主要可以分为传导干扰和辐射干扰。 微波治疗仪的电源通过IGBT器件通断进行工作,改变占空比控制输出电压的大小。它工作在约为25KHz的开关频率,当IGBT关断时,其两端会产生浪涌电压,当IGBT导通时将流过浪涌电流,形成较强的电磁干扰。实践证明,开关功率管关断时由于电感负载及变压器的漏感,增加阻尼吸收网络,使用屏蔽技术。我们对高频变压器的初级进行了屏蔽,屏蔽部分用金属片接地。这样不仅可以减小干扰,使得开关功率管免受过高的尖峰电压。 开关功率管的开通速率太高的时候,尖峰电流也会很大,变压器二级整流管反向恢复引起的变压器次级瞬间短路会使一次侧的开关功率管通过极大的尖峰电流。因此高频变压器次级的整流二极管选用恢复时间较短的整流二极管,使开关功率管的开通速率较整流二极管的反向恢复时间慢,将会取得较好的效果。我们选用BU-C2X高压整流管,它的反向 TU时间为0.1μs,反向峰值电压为8KV。 rrrm 开关电源的变换器是主要的干扰源,要使电源可靠安全的工作,因此控制部分和变换器部分应该进行隔离。光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件,动态电阻小,对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路,所以具有抑制噪声干扰的能力,因此可以选用光电耦合器作为隔离器件。日本富士的IGBT驱动模块,它的信号输入部分和驱动脉冲电路是通过光电耦合器进行隔离,有效的减弱了来自变换器部分的干扰,IR2110的过流检测部分的输出信号,选用光电耦合器TLP521。测量交流点的时候,Rogowski线圈可以实现隔离作用,可用来采集高频变压器次级电流,高频变压器的初级电流也可通过Rogowski线圈采样,它只能传输交流信号而不能传输直流信号,因此对地线的低频干扰信号具有较好的抑制能力,并且电路单元间传输的信号电流只能站在互感器绕组中流过,避免对其他电路的干扰,从而实现隔离作用。IR2110的驱动部分电源和输入信号电源设计成完全独立的电源。开关电源的干扰会污染电网,因此需要在电源的输入端加入滤波器进行滤波,同时,也可以有效的方式电网的干扰信号流入开关电源中。如图4.2.13所示,图中L1、L2、Cy1和Cy2用来滤除共模干扰,Cx用来滤除差模干扰,其中L1和L2缠绕在同一个磁环上。为了抑制辅助电源的干扰,我们可以在靠近芯片的电源和地段介入10μF和0.1μF的滤波电容。 图4.2.13 通用电源输入滤波器 26 4.2.7 MCU控制系统设计 如今嵌入式系统和计算机已经成功应用于微波治疗仪,它使医生能更准确直接的了解治疗情况,给医生提供了病人的详细的治疗信息。设计MCU控制系统时,要综合考虑相关技术的结合,提供扩展的接口。在设计微波治疗仪中MCU控制系统应具备:键盘输入控制信号,控制信号的输出,温度信号采集,功率、温度、时间的显示以及为和上位机通信预留接口等。我们对微波治疗仪微波输出功率的控制的实质是对电源的输出功率的控制,单片机接受用户指令反馈信号,按预定程序通过D/A输出模拟信号,控制PWM控制器的占空比,从而可控制微波输出功率的大小和病灶组织的温度。 MCU系统的结构如图4.2.14所示,它包括键盘、显示模块、EEPROM、D/A以及开关等电路。CPU是系统的核心部分,它不仅控制各个单元电路,完成信号的采集、输出控制,和计算机信息的传输控制功能,同时要担负控制算法的运算。因此,我们选择PHILIPS公司的80C552单片机,它在MCS-51单片机基础上增加了A/D、捕捉输入、定时输出、I2C总线接口和监视器等功能;并行I/O端口增加到6个、中断优先级扩展到15级等。80C552集成了8路10位的A/D转换器,以及较多的I/O端口等使系统控制方便、简单、性价比优越,体积也会相应的减小,并且完全适应复杂的控制系统。A/D转换芯片选择ADC0832。 键盘 EEPROM CPU 显示模块 计算机 温度检测电路 D/A 电源PWM控制器 图4.2.14 MCU系统结构图 显示模块可以选用北京青云创新科技发展有限公司的LCM045,它是4位8段液晶显 ~示模式。34线串行接口,可与任何单片机、接口IC接口,功耗低,显示状态50μA(典 ~型值),省电模式,1μA,工作电压2.75.2V,视角对比度可调,显示清晰,稳定可靠,使用的时候变成简单,可用于各种仪器仪表,可加背光。 图4.2.15 电源开关电路 27 图4.2.16 光电耦合器测较大电流方法 电源的通断通过开关电路实现,电路如图4.2.15所示,单片机发出的控制信号通过光电耦合器传输给继电器,由继电器控制电网输入的开通与关断。晶体管Q1驱动继电器的工作,可选用SLA-12VDC继电器,其额修订电流为20A,额定电压为240VAC。光电耦合器选用TIL117,TIL117具有较高的电流比,它的最小值为50%。二极管的选用是为了防止继电器关断的时候,过高的反向电压加在晶体晶体管集电极上以保护晶体管。 光耦合器测量磁控管阳极电流可以实现隔离作用,有效减小干扰,光电耦合器接法如图4.2.15所示,理论上设计的该接法可以测量较大的电流。 28 结束语 现在社会上微波治疗仪得到了越来越多的应用,随着微波疗法的日益成熟,各种微波治疗仪器相继问世。微波治疗仪是利用微波在人体产生的热对患者的病变部位进行辐射,从而达到治疗的目的,它具有辐射能量的方向性好、加热面能量分布均匀、有效透热深度深,既可做局部治疗又可做全身治疗等优点。目前,微波治疗仪已经广泛应用于临床治疗的各个领域,在妇科、神经科、肿瘤以及消化性溃疡等领域的治疗中发挥了极大的作用。 人们对于医疗仪器的要求越来越高,开关电源、光电子技术、嵌入式单片机系统的发展等的发展,客观上为医疗仪器开发提供了更加优越的条件。开关电源技术以其优越的性能为微波治疗仪提供了高效率安全可靠的电源,为微波热疗技术作出了巨大的贡献。 本篇论文的重点部分是开关电源的设计,将准谐振技术应用取传统的反激式开关电源中,提高了电源效率、减小了开关损耗。采用这种准谐振技术的新型反激变换器具有良好的负载调整率和快速的动态响应、输出电压纹波小。该变换器满载运行时不存在死区时间,变压器利用率高。负载变轻时,变换器提供平滑的频率变换,以保持输出的稳定和较高的效率。无论在任何情况下开关管都是在漏源电压谐振到谷底时才开通,这样既减少了开关管的开通损耗,减轻电磁干扰,又提高了工作效率。 经理论验证,通过单端反激电路设计的开关电源符合微波治疗仪的运行工作的需求。 29 谢 辞 首先,要感谢我的指导老师,xxx老师。在写论文的整个过程中给我了很大的帮助,无论是在论文的题目方向的把握上,还是论文写作的材料上,或者是有关电路的分析上,王老师都给予了我很大的帮助。 其次要感谢的是我的师哥,lll师哥。在论文的写作上,的要求上以及平时遇到的种种困难的解决上都给我了很好的帮助。雷昳师哥在电路图的原理与分析上给予了我很多帮助, 另外还要感谢我的同学,感谢帮助过我的热心网友。 30 参考文献 1.杨益平. 谐振DC/DC变换器的研究. 杭州:浙江大学硕士学位论文. 2005. 2.王增和等.电磁场与电磁波.北京:电子工业出版社.2001:196 3.张占松.开关电源的原理与设计.电子工业出版社,1999.7 4.刘祺山.微波能应用.电子工业出版社.1990.8 5.周志敏.开关电源实用技术设计与应用,人民邮电出版社,2004.1 6.赵良炳.现代电力电子技术.北京.清华大学出版社.1995 7.童诗白.模拟电子技术基础.人民教育出版社.1982 8.冯辰生.潘英俊等.微波治疗仪电路设计与温度测量研究.2004 9.杨旭,裘云庆,王兆安. 开关电源技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.1 10.张卫平. 开关变换器的建模与控制[M]. 中国电力出版社. 2006.1 11.Abraham I. Pressman著.王志强译. 开关电源设计. 北京:电子工业出版社. 2005 12.杨雪峰.李威.智能微波治疗仪及其控制系统的设计[J]微计算机信息.2006,2211) 13顾兴志.建.微波治疗仪的智能化控制系统[J].医疗卫生装备,2004(6):6-7 14.陈家洸.RCD钳位反激变换器的设计与实现.通信电源技术.2002年5期 15.John L.Hyperthermia as an anticancer modality:A Historical perspective. Front Radia Ther Onc,1984,18:1 16.Santini R,Hosni M,Douse T, et al.Increasing antigenecity of B16 melanoma cell fraction with microwave hyperthermia.Microwave Power,1986,21pp41 17.Kobayashi,D.et al. Multi-microstrip applicator for heating and temperature measurement. Microwave Symposium Digest,1990, IEEE MTT-S International,8-10 May 1990 31
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