低纹波微型X射线管高压电源的研制

曾国强，刘玺尧，罗 群，谭承君，葛良全，黄 锐，李 强，吴 刚

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都 610059）

低纹波微型X射线管高压电源的研制

曾国强，刘玺尧，罗 群，谭承君，葛良全，黄 锐，李 强，吴 刚

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都 610059）

国内研发的X射线高压电源体积普遍较大，不适合微型X射线管的要求。针对微型X射线管的特点，本文设计了一种低纹波、小体积高压电源，其输出电压在0～－40kV范围内可调。电源的逆变电路采用罗耶谐振电路，并引入UCC2973控制芯片以提高其效率。在电源的升压部分设计了高频变压器、双向倍压整流电路，以进行两级升压。通过电阻分压后取样反馈的方式进行稳压。电路工作在线性状态，无开关噪声。测试结果表明，电源的输出电压纹波低于0.3%、稳定度优于0.12%／10h，可满足微型X射线管的需求。

微型X射线管；高压电源；罗耶谐振；倍压整流电路

Key words：micro X－ray tube；high voltage power supply；resonant Royer；voltage doubling rectifying circuit

1895年，德国物理学家伦琴发现X射线，人们便开始对X射线的产生、测量及其应用进行研究。经过1个多世纪的发展，X射线在各行业的应用日益广泛，如利用X射线强度与材料厚度相关的特性，从而测定材料的厚度；采用X射线透视物体的内部结构，进行无损检测；X荧光分析仪根据各元素特征X射线的强度，得到材料的元素组成并获得各元素的含量信息等［13］。而高压电源作为X射线管的重要核心组件，亦得到了广泛的关注。

现有X射线管高压电源主要的实现方式包括半桥逆变、反激变换、正激变换、全桥逆变等。半桥逆变电源利用率较低，不适宜用于工作电压较低的场合；反激变换电源的纹波较大，电压电流输出特性较差；正激变换电源在控制开关断开时，变压器初级线圈产生的反电动势电压较高，且其体积较大；全桥逆变电源由于器件较多、功率损耗会随开关频率的提高而增加，通常仅应用于中、大功率的场合［3－6］。

微型X射线管一般用于野外作业，且是直流电源供电，所以对高压电源有特殊的要求，如纹波低、功耗小、稳定性好、体积小、重量轻等。国内所生产的X射线管高压电源主要针对大功率X射线机，体积较大，不符合微型X射线管的要求。本文欲设计采用谐振电路、电路自激振荡、不需要额外振荡源的电源，相对于通常的开关电源来说，其驱动电路更简单，且无开关噪声。为提高电路效率，该电源引入UCC2973控制芯片对谐振电流进行控制。

1 电源系统工作原理

该电源系统由10V直流电源供电，输出电压最高可达－40kV。图1为电源的主电路示意图。输入电压由VBAT提供，电源核心谐振电路将VBAT所输入的直流电转换为高频的类正弦波至变压器T1的初级，然后通过T1进行第1级升压，电压经T1次级输出后，再通过倍压整流电路进行第2级升压到需要的直流负高压。在取样反馈回路中，取样电压经放大器的隔离反向，再与控制电压相比较后反馈电压至芯片UCC2973，芯片OUT脚输出PWM波控制MOS管的导通程度，进一步控制谐振电路所产生的类正弦波的电压，稳定高压的输出。

图1 电源主电路示意图Fig.1 Main circuit schematic of power supply

2 电源主电路设计

2.1 核心谐振电路

核心谐振电路由推挽级与降压调制级两部分组成（图2）。推挽级采用罗耶谐振电路，它由2个三极管、1个基极电阻、1个谐振电容及3个绕组的变压器组成。由于三极管Q1、Q2的性能不可能完全一致，所以在上电瞬间，电压输入端VBAT向三极管基极注入的电流不可能绝对平衡，变压器的辅助绕组提供按谐振频率变化的高频电压驱动两个三极管的基极，使之轮流导通与截止，而谐振电容C1使电路按特定的频率进行简谐振荡。振荡频率f、变压器线圈初级电感L与谐振电容C的关系为：

图2 谐振电路Fig.2 Circuit of resonance

由于谐振时会产生较大的电流，所以选用的谐振三极管为峰值电流为10A、耐压值为100V的ZTX853。在通常情况下，罗耶谐振电路的振荡频率在40～80kHz之间效率最高，而设计高频变压器时所选用的电感为44μH，为了保证电路的效率，根据式（1），电容选用速度快、损耗低的德国WIMA 0.1μF电容。

罗耶谐振处于线性的工作状态，效率不高。因此，谐振电路引入芯片UCC2973以提高效率。芯片一般主要用于便携式电器，功耗低、效率高及可对谐振电流进行精确控制。在导通期间，芯片内部的振荡频率约为100kHz（谐振频率的2倍）。芯片内部有一1.5V的基准电压，当反馈电压与基准电压比较后，输出电压控制OUT引脚输出脉冲信号。

降压调制级包含电感L1、MOS管Q3及二极管D1，它为推挽级提供电流，受OUT的输出脉冲控制。改变OUT的脉冲宽度，即可调整变压器的输出电压。由于谐振回路上的电压为正弦波，降压调制级在L1上端的BUCK点总输出电压是一相对于输入电压VBAT的全波整流电压，其波形如图3所示。

图3 BUCK点电压波形Fig.3 Waveform of point BUCK

当OUT输出高电平使Q3导通时，BUCK点电压VBUCK加于L1两端，电感电流增加。而当OUT输出低电平，Q3截止，L1上的电压为VBAT－VBUCK＋VD1。所以，加到电感上的伏秒值（由V＝Ldi／dt可得VΔt＝LΔi，VΔt称为伏秒值）在每次开关转换时必须改变极性，以保持电流是恒定的［7］。设t1为Q3导通的时间，T为开关周期，根据伏秒值相等的原则，建立导通模式中通断时间之间的关系，则：

根据VBUCK＝Ldi／dt，计算出L≈149μH，因此，选择150μH／3A的电感。为减少损耗，选用导通电阻为0.35Ω的N型MOS管IRF7603做降压调制器的开关管。二极管选用正向压降很小的肖特基二极管。

有周围神经 病变对象 SDNN、SDNANN、SDNN、PANN50、RMSSD、QTd与无病变的对象差异有统计学意义（P＜0.05）。见表1。有有周围神经病变56例对象存在心脏自主神经失调症状发生率42.9%（24/56），高于无周围神经病变对象4.2%（2/48），差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.2 倍压整流电路

由于高匝数比的高频变压器对工艺要求较高，因此采用倍压整流电路进行后续升压。与传统倍压整流电路不同，该倍压整流电路采用正负双向倍压整流的方案。如图4所示，将高压变压器置在2个倍压整流电路之间，组成正负的双向倍压整流电路，若使正向倍压整流电路接地，则负向倍压整流电路输出的电压相当于2个倍压整流电路串联所得的高压。电路中正负脉动值相互抵消，因此系统输出纹波大幅减小。同时，正负双向倍压整流电路提高了电源的稳定度和效率，增强了带负载能力［2］。

负载输出电流越大，电容量就需要越大，否则不能提供足够的输出电流。但电容充电时间和电压上升时间均随电容呈正比增加，因此，需选择适中电容值。同时，考虑到体积的因素，电路选用1812封装耐压4kV、电容4.7nF的陶瓷电容，二极管选用耐压8kV、响应时间50ns的高压二极管。

图4 双向倍压整流电路Fig.4 Bidirectional voltage doubling rectifying circuit

设倍压整流电路的级数为n，负载电流为I，每个电容的容量为C，交流电源的频率为F，则电压跌落的幅度UL为：

由于需输入－40kV的高压，因此，在考虑电压跌落的情况下，根据式（3）计算出至少需16级倍压［8］。

2.3 反馈与控制电路

由于高压变压器分布参数、倍压整流电路电容充放电等因素的影响，输出直流高压不太稳定，因此采用取样反馈的方式进一步稳定输出高压［9］。反馈电路如图5所示，其采用电压反转芯片LMC7660，提供负电压VEE，使运算放大器工作在双电源供电状态。其中，U2采用含有两个双通道、精密、低功耗、FET输入运算放大器AD822，U3采用高精度运算放大器OPA277。经过倍压整流电路输出的高压－HV通过分压电阻分压后，由A点进入双电源供电的AD822，经跟随、反向后输出至B点，B点的电压与外部调整端ADJ通过式（4）所输入的电压相比较，输出电压经过1个RC滤波后到UCC2973的FB引脚，改变UCC2973的OUT脚输出，进而调整高压的输出。调整端电压VADJ与高压V－HV的关系为：

3 性能测试

3.1 绝缘材料选择

图5 反馈电路Fig.5 Feedback circuit

本工作直接选用数字高压表测量输出的高压。但在直接测量过程中，数字高压表测量的表头裸露在外，会击穿空气而放电，故需通过电阻将高压分压后测量。由于数字高压表头的等效阻抗为1GΩ，所以电路中选择3个电阻为5GΩ、耐压为30kV的高压电阻与高压表串联，达到16∶1的分压，从而将测量端的电压降至2.5kV。当电源不带其他负载时，测得输出－40kV电压的静态功耗为1.15W。

3.2 实际输出电压的测量

当电源输出电流为50μA时，将输出电压调为－40kV，对电源进行稳定性测试。用示波器测得UCC2973的OUT引脚输出波形（CH2）与变压器初级波形（CH1）如图6所示。每隔30min对高压数字表进行读数，测量结果示于图7，由图7可看出，电压稳定度优于0.12%／10h。

图6 OUT引脚输出波形与变压器初级波形Fig.6 Waveform of transformer primary and pin OUT output

图7 电源电压输出稳定度测量Fig.7 Stability measurementof output voltage

3.3 纹波电压的测量

时域纹波通常用纹波振幅的峰－峰值来描述，因此具备参数测量功能的数字示波器是观测纹波的理想工具［11］。设计中利用电容隔直通交的特性，在高压的输出端串联多个高压电容，经高压电容隔离直流电压后，用示波器观察纹波电压的大小。通过调整端电压的改变，测试出不同输出电压时纹波电压的大小，结果列于表1。

表1 纹波电压的测量结果Table 1 Measurement result of ripple voltage

4 结论

本文将10V的直流电源升压至－40kV高压，达到了4 000倍升压。采用线性逆变技术，使电源具有噪声小、谐波干扰小、结构简单的优点。同时，为了克服线性电源低效率的缺点，加入了芯片UCC2973提升电路的效率。升压部分采用高频变压器与正负双向倍压整流电路进行了两级升压，减小了变压器的变比，使其在工艺和制造上更为简单。作为X射线电源系统的主要部分，该电源具有纹波低、体积小、功耗低、稳定性高、输出电压范围宽等优点，技术指标达到了微型X射线管高压电源的参数要求。

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High Voltage Power Supply Development for Micro X－ray Tube of Low Ripple

ZENG Guo－qiang，LIU Xi－yao，LUO Qun，TAN Cheng－jun，GE Liang－quan，HUANG Rui，LI Qiang，WU Gang
（College of Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，China）

The domestic X－ray high voltage power supply is generally larger，and it isn’t suitable for the requirement of micro X－ray tube.For the characteristics of micro X－ray tube，a miniature high voltage power supply of low ripple was designed in this paper，and its output voltage is adjustable from 0to－40kV.The inverter circuit adopted resonant Royer circuit.In order to improve circuit efficiency，UCC2973was introduced.A high frequency transformer and bidirectional voltage doubling rectifying circuit were designed in boost circuit in order to do the two－stage booster.The way of voltage regulation was voltage feedback after resistive subdivision.With working on the linear condition，it had no switching noise.The testing results show that the output voltage ripple is less than 0.3%and stability is better than 0.12%／10h，and the high voltage power supply meets the requirements of micro X－ray tube.

TL825

A

：1000－6931（2015）02－0366－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0366

2013－11－21；

2014－08－18

国家高技术研究发展计划资助项目（2012AA061803）；国家自然科学基金资助项目（41474159）；成都理工大学中青年骨干教师培养计划资助项目（JXGG201408）

曾国强（1980—），男，福建福鼎人，副教授，博士研究生，从事核电子学与核信息处理研究