TVS瞬态二极管在SPECT探测器系统中的应用研究

侯艳龙HOU Yan-long

（滨松光子科技（廊坊）有限公司，廊坊 065001）

0 引言

单光子发射计算机断层装置（Single photon emission computed tomography，SPECT）是目前临床上应用最广泛的核医学仪器，广泛应用于临床诊断和医学研究，其可以进行功能成像，对疾病特别是肿瘤的早期诊断有重要意义。

当前形势下，伴随着SPECT设备的逐步普及，设备的安全以及EMC问题已经作为强制性项目来管控。我们了解到，电压或电流的瞬态干扰是造成电子电路及设备损坏的主要原因，常给人们带来无法估量的损失。传统的处理方式就是直接增加再生电阻模块，每一个电机都会产生反电动势，那么每一个运动轴就会增加一个再生电阻模块，主流的产品目前均为进口，对于SPECT多轴的运动系统来说，安装成本比较高，并且该模块体积较大，需要较大的安装空间。

如何优化产品结构，提升产品的性价比，满足日益增长的核医学需求，解决技术垄断，已经迫在眉睫。

本文所研究的保护电路，不仅成本低、体积小，更重要的是打破了技术壁垒的“窗户纸”，以最简化的方式解决复杂的安全问题。所带来的技术价值、经济价值以及社会价值都是一种可观的存在。

1 SPECT系统简介

1.1 核医学影像设备

核医学影像设备是通过探测器对事先引入人体的放射性核素进行跟踪、探测、扫描并由计算机分析重建，生成放射性分布的平片或断层影像图。该图像能够更准确提供脏器血流、代谢、功能和引流方面的信息，为早期临床治疗方案提供科学的依据，随着国家大力推广核医学设备，相信核医学的春天即将来临。

1.2 SPECT成像原理及组成

SPECT是在γ照相机的基础上发展起来的核医学影像设备。它的基本构造有探测器、旋转运动机架、计算机及其辅助设备组成。图1是成像的原理框图。

图1 SPECT成像原理框图

1.3 SPECT中的运动控制

SPECT的系统结构中，会面临一个很重要的问题，就是安全，国外的SPECT普及的时间比较久，所以很多的应用程序已形成模块化，而国内的SPECT刚刚进入一个窗口期，拿来主义或许是一个开始，但不是未来的趋势，如何与国外的产品竞争中取得优势，势必国产技术需要取得突破性的发展，解决“卡脖子”问题。

SPECT系统结构中的运动模块会高速开始、高速停止，复杂的系统结构会导致很多的安全隐患，所以如何解决安全隐患，避免医疗事故，这是任何医疗设备必须要解决的问题。

本文所研究的安全保护模块，实现了以最简化的方式解决复杂的安全问题，打破了技术壁垒的“窗户纸”，据目前已经使用的设备来说，单台SPECT设备成本可降低几万元，同时，不仅仅是直观上的经济效益，更重要的是打破进口设备的使用局限，拓展了国产技术的应用，具有更重要的社会价值。

2 TVS瞬态二极管的设计应用

2.1 SPECT系统中的运动模式

SPECT临床使用中的位置会参考人体与探测器之间的距离，包括病人摆位以及轮廓扫描装置开启，目的是为达到理想的位置需求，那么探测器就会频繁的快速启动/停止，产生反电动势就会不断的冲击设备，如图2所示。

图2 反电动势冲击示意图

电机带动负载进行顺时针/逆时针旋转，快速停止的瞬间，根据楞次定律：感应出的电动势总是阻碍电机的旋转反向，因此感应电动势必然与电枢直流电压相反，如上图箭头所示方向，产生的反电动势反向冲击电源，电源就会出现过压保护，导致Vbus电压输出不稳定，影响伺服驱动器正常工作，产生电机故障，出现运动不连续。甚至较大的反电动势会影响伺服驱动器的性能，出现设备损坏以及不可预知情况，从而导致安全事故。

目前SPECT探测器中配置轮廓扫描装置已经作为最基本的配置，轮廓的基本特性就是要保证探测器表面与人体表面始终保持最贴近，会根据人体的曲线，电机不断的启动/停止（例如：0.1s以内负载速度达到：660mm/min，同样在0.1s内速度由660mm/min降到0）。不光基于此，病人的前期摆位以及旋转的主机架偏载情况下的高速旋转，都会在一定的时间内，发生较大的速度变化，反电动势就会必然产生。因此，SPECT运动系统中的反电动势保护，抑制瞬态干扰的要求就会越来越高，正如图2所示，需要增加保护电路。

2.2 TVS瞬态二极管原理

TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。由于它具有响应速度快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点，已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表（电 度 表），RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。

在电机启动/停止的时候，会产生一个较高的反电动势（瞬态干扰），使用TVS二极管增加在电源输出的两端，当其电压超过突崩溃准位时，直接分流过多的电流。TVS二极管是箝位器，会抑制超过其崩溃电压的过高电压。当过电压消失时，TVS二极管会自动复归，而其吸收的能量比类似额定的其他电路要大很多。

2.3 TVS瞬态二极管保护电路的设计

2.3.1 SM15T的性能特点

SM15TY是意法半导体公司开发的一款瞬态抑制二极管，具有低漏电流（0.2uA，25℃），耐高温（150℃）以及功率高（1250W）特性。并且箝位电压准确，响应快。（图3）

图3 SMT15TY特性关系图

2.3.2 SM15T瞬态二极管保护电路工作原理

保护电路主要有如下器件组成：单相二极管，双向SM15T二极管及其他元器件构成，图4为保护电路的工作框图。

图4 瞬态二极管保护电路工作框图

工作原理：

驱动器在控制电机旋转的时候，本身驱动器的逻辑电源与提供电机旋转的电源是分开的，其目的就是为了避免电机电源处产生的瞬态干扰（比如：反电动势）影响驱动器的逻辑控制，但是实际上，这样的电源分别供给有时候也不能满足电机的正常工作，上述框图中描述的电源输出，即为电机的供电电源，电机电源输出之后经过有SM15T二极管为主体的保护电路后，不做任何特殊衰减，提供电机正常工作的电源供给，SM15T工作在反向截止端，此时他不影响电路的任何功能。

当电机突然停止，会产生与正常电机电源供给相反的电动势，即：反电动势，SM15T瞬态二极管并联在电源两端，在规定的反向应用条件下，当电路中由于干扰出现大幅度的瞬态干扰电压或脉冲电流时，它在极短的时间内（最高可达到1×10-12秒）迅速转入反向导通状态，并将电路的电压箝位在所要求的安全数值上，从而有效的保护电子线路中精密元器件免受损坏。干扰脉冲过去后，TVS又转入反向截止状态。由于在反向导通时，其箝位电压低于电路中其它器件的最高耐压，因此起到了对其它元器件的保护作用。TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其箝位时间＜1ns[1]。

2.4 保护电路的实际使用

利用TVS瞬态二极管为主体制作的保护电路，体积较小，安装简单，可以应用在多轴的SPECT系统中，每一个电机含一个保护电路或者一个伺服驱动器的电源输入端直接增加一个保护电路，如图5所示。

图5 TVS制作的保护电路实际应用图示

3 结果与分析

3.1 抑制效果

SPECT在实际使用的过程中，特别是在快速响应环节（例如：0.1s以内负载速度达到：660mm/min，同样在0.1s内速度由660mm/min降到0），反电动势比较高（如图6左图所示），经过TVS瞬态二极管保护电路之后，电压输出波形明显改善（如图6右图所示），电源输出稳定，不再受电机频繁启动/停止影响。

图6 保护电路增加前后对比图示

3.2 稳定性测试结果

根据SPECT不同电机轴的运动需求，分别测试12Vdc、24Vdc、48Vdc电源条件下的电源输出特性。

①12Vdc：0.1s以内负载速度达到：660mm/min，同样在0.1s内速度由660mm/min降到0；②24Vdc：0.5s以内负载速度达到：3000mm/min，同样在0.5s内速度由3000mm/min降到0；③48Vdc：0.1s以内负载速度达到：660mm/min，同样在0.1s内速度由660mm/min降到0。

测试结果如7图所示，针对以上3种运动需求，电源输出稳定，电机工作正常，满足使用需求，基于此工作方式，可推广用于SPECT系统中。

图7 稳定性测试结果

4 结论

本文介绍了一种利用TVS瞬态二极管设计的保护电路在SPECT探测器运动控制系统中的应用，这一电路可抑制瞬间产生的反电动势，使直流电源输出稳定可以实现SPECT运动系统运动的持续性，且成本较低，体积较小。

实验证明，这种保护电路安装简单，工作稳定性高，体积小，成本低可以在SPECT运动控制系统上广泛应用。