低频超声波功率电源的设计.pdf

14 江苏电器江苏电器 2008 No 6 作者简介 赵春雷 1982 男 硕士研究生 研究方向为检测技术及自动化装置 0 引言 超 声 波 按 频 率 可 分 为 低 频 2 104 2 105Hz 中频 105 107Hz 和高频 107 109Hz 三档 建立在超声波生物效应基础上的超声理 疗技术 至今在临床所用的主要是中频波段 800kHz 3MHz 的超声波 这项技术主要是利用 超声波的生物效应来改变生物组织的结构 状态或 功能 从而达到治疗的目的 但由于频率较高 存 在着诸多问题 例如该频段超声波在强度较低时 不能携带足够的能量深入组织中心直接作用于患 处 不能达到预期的治疗效果 但是一直增加超声 波强度 能量就会在组织表层产生大量的热量 容 易使组织灼伤 甚至使组织细胞破碎 从而造成不 必要的伤害 近些年来 医学研究和临床实践表明低频超声 波在超声理疗方面具备诸多优势 是中频超声波所 无法比拟的 所以设计性能稳定的低频超声波功率 电源十分重要 1 系统工作原理 超声波功率电源 简称超声电源 它是产生超 声频电能的功率装置 超声功率电源主要包括信号 源的研制 信号功率放大和频率跟踪等几个方面 超声振动系统相当于一个谐振元件 换能器受 迫振动 只有当激励电流频率和振动频率一致时 低频超声波功率电源的设计 摘 要 介绍了低频超声波功率电源的设计 主要包括信号源的研制 信号功率的放大和频率跟踪 等几个方面 分析了以超音频电能稳定输出为前提 应用逆变技术 结合单片机编程驱动和专用芯片驱动 设计性能稳定的低频超声波电源 使其在低频段有较宽的频率调节范围 且具有较高的频率精度 选择 合理的功放电路 使输出功率可调 并根据负载的变化 可自动锁定工作频率 使超音频电能恒功率稳 频输出 通过测试表明 系统工作基本满足要求 关键词 换能器 降压斩波 推挽逆变 频率跟踪 中图分类号 TM44 TN86 文献标识码 A 文章编号 1007 3175 2008 06 0014 04 赵春雷 杨国福 郭英军 河北科技大学 电气信息学院 河北 石家庄 050054 Design of Low Frequency Ultrasonic Power Source Abstract Introduction was made to the design of low frequency ultrasonic power mainly including manufacturing of signal source signal power amplifi cation and frequency tracking etc several aspects Analysis was made to take stable low frequency ultrasonic electri cal energy as precondition applying inverter technique combining singlechip programming drive and specifi c chip drive designing low frequency ultrasonic power in stable performance enabling it with wider frequency regulation range in low frequency band and also with higher frequency accuracy selecting reasonable power amplifi cation circuit to have adjstable output power and based on load changes locking automatically working frequency enabling audio electrical energy output in a constant power with stable frequency Via test it shows that the system basically meets the needs Key words transducer buck chopper push pull inverting frequency tracking ZHAO Chun lei YANG Guo fu GUO Ying jun College of Electrical Engineering and Information Science Hebei University of Science and Technology Shijiazhuang 050054 China 低频超声波功率电源的设计 15 江苏电器江苏电器 2008 No 6 电声换能效率才最高 在实际设计中 由于振动系 统的温度及负载变化会使换能器的谐振频率发生漂 移 造成电声转换效率下降 甚至没有超声波输出 因此 超声波功率电源设有频率跟踪系统来检测和 反馈超声系统的谐振频率 即使超声波功率电源具 备频率自动跟踪能力 超声波功率电源总体框架如 图 1 所示 由图1可知 超声波功率电源的本质就是交 直 交变频技术 通过超声波功率电源把市电转换 为超声波频段的超音频交流电 然后驱动超声波振 动系统将此电能转换为同频率的声能传递给外界负 载做功 2 系统硬件设计 根据系统总体框架 可确定硬件系统的设计主 要包括 功率输出主电路设计 驱动电路设计 检 测和控制电路设计和频率跟踪电路设计 首先将市 电通过转化 变成功率和频率均可调的超声波频段 的交流电 然后输出至匹配网络 激励换能系统 从而得到满足不同需要的超声波 设计产生超声波 的频率范围为 20 200kHz 2 1 功率输出主电路 功率输出主电路主要包括整流滤波电路 DC DC 降压直流斩波电路 推挽逆变电路 整体电路如图 2所示 图1 超声功率电源总体框架图 推挽逆变 频率跟踪 匹配网络 超 声 振 动 系 统 整流滤波 AC220V 电源进线 DC DC 降压直流斩波 图2 功率输出主电路 2 1 1 整流滤波电路 整流滤波电路的目的是为了得到品质优良的直 流电 完成交 直 交变频过程的第一步 通过整流 桥整流将交流市电转化为直流电 再通过滤波电容 滤去谐波 从而得到品质优良的直流电 在此过程 中 针对电源最大功率的需求和工程设计余量 可 选用合理容量的整流桥和滤波电容 2 1 2 DC DC降压直流斩波电路 在比功率恒定的控制系统中 降压直流斩波电 路相当于是功率主电路中调节电源输出功率的执行 机构 用电力电子术语 称为电压可控的单开关管 非隔离直流电降压变换器 也就是说 在给定直 流电压下 通过控制开关元器件的通断时间 ton和 toff 来控制输出电压的大小 从而达到调节超声波 功率电源输出功率的目的 1 2 1 3 推挽逆变电路 逆变电路是超声电源电路的主体部分 高频交 流电的产生和频率调节都是通过这部分来完成的 12 34 AC ACV V AC220V IN Q2 C15 R49 DZ7DZ8 D5 L R5 C5 C4 R8 T1R28 DZ3 DZ4 R31 Q3 R24 C18 T4R28 R32 DZ5 DZ6 Q4 R25 C19 T2 OUT T3 低频超声波功率电源的设计 16 江苏电器江苏电器 2008 No 6 在选择逆变电路形式时 不但要考虑适应电源输出 的功率和频率 而且要兼顾直流部分的特性 设计 选用推挽逆变电路 这种电路选用的开关器件少 功耗小 但需要开关器件的耐压值高 是两倍的直 流输入电压 考虑到功率 频率和成本等因素 设 计选用中功率高压 IGBT 2 2 驱动电路 超声电源驱动电路是为了驱动主功率开关器件 在要求的状态下工作的电路部分 在超声波功率电 源中 驱动电路主要驱动IGBT 包括以下两个部分 DC DC 降压直流斩波电路的驱动和推挽逆变电路的 驱动 2 2 2 1 DC DC降压直流斩波电路驱动 DC DC降压直流斩波电路在整个超声电源中起 到控制超声波输出功率大小的作用 这一模块设计 采用的是单片机编程驱动 主要考虑到系统的稳定 性 精度调节的方便和灵活性 还有检测和控制电 路的智能化设计 结合电源的实际需求 性能和成 本等因素 选用ATMEGA 16单片机 单片机外围电 路及PWM波控制电路如图3所示 图3 单片机外围电路及PWM波控制电路 2 2 2 推挽逆变电路驱动 推挽逆变驱动电路的作用是产生低频超声波段 的电信号 并有效控制IGBT通断 从而最终生成有 足够能量的超声波低频段的交流电能 推挽逆变驱 动电路的核心是专用芯片SG3525 推挽逆变电路驱 动电路的整体结构如图4所示 通过示波器测量 SG3525 的 11脚 和 14 脚的输 出波形 可以得出 输出的方波信号整差半个周期 正好用于驱动推挽逆变电路 SG3525 外围电路中 的R36和C25决定了超声波功率源输出频率的范围 RP4和RP5可组合调节11脚和14脚输出信号的频率 RP6可适当改变输出波形的占空比 从而在一定程 度上可改变输出功率 SG3525 的 10 脚是外部关断 信号输入端 该端接高电平 12V 以上 时 芯 片的输出被禁止 该端与保护电路相连 以实现故 障保护 由于设计中 SG3525 采用 12V 供电 工作电 压较低 考虑到它的驱动能力有限 于是在 11 脚 和 14 脚的输出级又增加了一级推挽型功率放大电 路来增强驱动能力 为了使放大电路匹配较好 电 路采用两组中功率三极对管组成 另外为稳定 安 全的驱动主电路中的 IGBT 采用了高频开关变压 器进行隔离式感应驱动 这样使驱动电路和功率主 电路有效的进行了隔离 PB0 T0 ADC0 PA0 PB1 T1 ADC1 PA1 PB2 AIN0 ADC2 PA2 PB3 AIN1 ADC3 PA3 PB4 SS ADC4 PA4 PB5 MOSI ADC5 PA5 PB6 MISO ADC6 PA6 PB7 SCK ADC7 PA7 RESETAREF VCCGND GNDAVCC XTAL2 XTAL1 TOSC2 PC7 TOSC1 PC6 PD0 RXD TDI PC5 PD1 TXD TD0 PC4 PD2 INT0 TMS PC3 PD3 INT1 TCK PC2 PD4 OC1B SDA PC1 PD5 OC1A SCL PC0 PD6 ICP1 OC2 PD7 ATMEGA16 单片机 N0 140ADC0 239ADC1 ShD13 38 PWM437 OFF536 N1 635 N2 734 N3 833 932 1031 1130 AVCC 12 1329PC7 28 PD014 27 PD115 26 1625 1724 1823 1922 2021 5V 4 3 2 1 5V 监测 RP3 DZ9 J3 1 2 3 4 5 6 J4 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 5V C24 5V C8 S1 R3 PD0 5V C9 S2 R4 PD1 低频超声波功率电源的设计 17 江苏电器江苏电器 2008 No 6 相位差自动调整为0 从而达到锁相的目的 3 结语 低频超声波凭着自身的优势 会越来越广的应 用于诸多行业 设计制作稳定的低频超声波功率电 源是广泛应用的基础 文中对低频超声波功率电源 做了较详细的阐述 对其进行分析及实际电路的设 计均是建立在理论和实践相结合的基础上的 通过 测试表明系统工作基本满足需要 参考文献 1 刘云清 佟首峰 开关电源的可靠性设计研究 J 通信电源技术 2005 22 2 34 35 2 陈太洪 大功率超声波发生器的设计 J 常州技术 师范学院学报 2001 7 4 22 26 3 黄文剑 蔡锦恩 锁相环在智能超声电源中的应用 J 杭州电子科技大学学报 2005 25 4 9 11 4 郭永东 柳春生 新型超声波发生器频率自动跟踪 电路的研究 J 工矿自动化 2003 1 7 8 收稿日期 2008 02 29 2 3 频率跟踪模块 当超声振动系统的负载改变或由于温度 器件 老化等原因 超声波功率电源的工作频率发生漂移 不定时 为了让超声波功率电源能工作在一个稳定 的频率 需要增加频率跟踪模块来保证输出超声波 频率的稳定 3 设计采用CD4046芯片组成锁相式频 率自跟踪电路 电路如图5所示 CD4046 锁相的原理就是保持输出电压和电流 的相位差为 0 4 所以首先对电压和电流进行采样 并对电流进行流压转换处理 然后将采到的电压和 电流信号分别传给 CD4046 的 3 脚和 14 脚 通过内 部比较 反馈给主电路 使主电路的电压和电流的 图4 推挽逆变电路