压电式脉冲超声波发生器激励电源的设计

2015-08-26张旭茹赵晓明

电子设计工程 2015年24期

姚俊，陈骥，张旭茹，赵晓明

（重庆大学生物工程学院，重庆 400044）

随着科学的发展和技术的进步, 超声波在工农业生产、国防建设和人民生活中的应用越来越广泛。超声技术的应用可以大致分为两类：检测超声和功率超声[1]。其中功率超声是超声学的一个重要分支，在国民经济的各个部门发挥了重要的作用[2]。

超声电源是为超声换能器提供电能的关键部件，它激励压电超声换能器将超声电源提供的电能转换成机械能。目前的超声电源基本是根据换能器进行高度定制化设计，一个电源只适用于同一型号的换能器[3]。文中提出了一种新型超声电源的研制方案，系统采用PWM 技术实现输出频率的可调性，从而可以匹配不同固有频率的压电超声换能器；本系统同样采用PWM 技术实现电源功率的可调，克服了超声电源的负载的阻抗经常变动给超声电源和换能器容易造成损坏的缺陷。并且，用数字单片机产生PWM 控制超声电源的输出频率与功率，克服了以前超声电源模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数调整不便、温度漂移严重等缺点。数字化控制有利于变参数调节，调整控制方案只需通过改变程序软件即可方便实现,同时可减少元器件的数目、简化硬件结构, 提高超声电源的动态响应，从而提高系统的可靠性。

1 系统总体设计

超声电源实质上是一个功率信号发生器，它产生一个与探头谐振频率一致的正弦（或类正弦或脉冲信号），经过功率放大后在网络匹配单元里通过阻抗匹配，使输出的最终阻抗为纯阻性，使得大功率电信号激励探头产生机械振动，从而产生超声波[4]。

系统分为dsPIC30F4011 单片机主控部分和超声电源主电路部分。利用dsPIC30F4011 单片机产生PWM 调制信号，通过两路AD 实现PWM 频率和占空比的调节，并在1602 液晶上实时显示超声电源的频率和功率等级。单片机输出的PWM 调制信号经过隔离电路、驱动电路后送入超声电源的核心电路逆变电路控制功率开关管的通断实现将直流电压转化为脉冲电压，然后再通过合理的阻抗匹配网络得到驱动换能器的正弦交流电压或类正弦交流电压。超声电源系统框图如图1 所示。

图1 系统框图Fig. 1 Block diagram of the system

2 超声电源主电路的设计

2.1 超声电源主电路结构

超声电源主电路由隔离电路、驱动电路、逆变电路以及阻抗匹配电路组成。其工作流程如下：单片机产生的PWM 波经过隔离、驱动电路送入逆变电路用来驱动功率开关管，然后逆变电路输出的脉冲波经过阻抗匹配电路后激励压电超声换能器工作。

2.2 超声电源核心电路逆变电路的设计

逆变电路即DC/AC 变换电路，通过功率开关管的通断实现将直流电压转化为脉冲电压。由于功率开关管工作在开关状态，它们的功耗低转换效率高，能够实现大功率输出。逆变电路按照电路结构可分为推挽式逆变、半桥逆变和全桥逆变[5]。由于半桥逆变电路结构比较简单，且抗磁通不平衡能力强，本系统采用半桥逆变电路，其电路结构如图2 所示。

图2 半桥逆变电路Fig. 2 The schematic of the half-bridge inverter circuit

在图2 中，C1、C2与Q1、Q2 组成桥路，C1=C2，设Q1、Q2 导通压降为Vces。两只功率开关管Q1 和Q2 在一对方波脉冲PWM1_15V 和PWM2_15V 的触发下轮流导通和截止，从而将直流电压变换成高频方波。则其工作流程如下：当Q1 导通、Q2 截止时，因为C1=C2，则VO=VCC/2-Vces。当Q1 截止，Q2导通时，V o=-（VCC/2-Vces），此时P2 端输出变为负。之后电路再进入Q1 导通，Q2 截止的状态，电路如此循环工作。在这里两只功率管只能交替的导通和截止，不能同时导通。因为当两只功率管同时导通时，会造成瞬间有一个大电流流过开关管，极容易烧毁管子继而损坏其他元件。因此需要根据开关管Q1 和Q2 的动态响应时间在PWM1_15V 和PWM2_15V之间设置一个死区时间。

逆变电路的输出的频率即为驱动波形PWM1_15V 和PWM2_15V 的频率，输出功率为P o=V o2/Z，其中Z 为超生换能器的阻抗；Vo=VCC·η·n，其中η 为驱动方波的占空比，n为变压器原副边电压比。由于VCC 和n 为定值，因此本系统采用调节占空比的方式进行超声电源的功率调节。

2.3 隔离电路的设计

由于逆变器所使用的功率开关管Q1、Q2 的导通截止均需要一定电压、电流的栅极驱动才能较好的工作。同时逆变器的驱动电路是连接单片机系统与逆变器的桥梁，为了整个电路安全，驱动电路必须有良好的隔离效果。

本系统采用光耦隔离的方式实现单片机系统和超声电源主电路的隔离。在选用光耦隔离的时候需要注意的是光耦的响应时间应该与开关管的响应时间相当，否则会影响逆变电路性能。本设计采用的是高速光耦6N137，其速度可达到10 Mbps，而超声电源的工作频率为20K 到60K，6N137 足以满足系统的需要。

2.4 驱动电路的设计

由于功率开关管的驱动对电压电流以及上升、下降时间具有较高的要求，本系统采用专用驱动芯片IR2110 作为驱动电路的核心。 IR2110 具有独立的低端和高端输入通道；高端和低端输出通道可以同时驱动两路IGBT 功率管[6]；输出的电源端（即功率器件的栅极驱动电压）电压范围VCC 为10～20 V，本系统采用的是15 V；逻辑电源电压范围VDD 采用5 V，可方便地与TTL，CMOS 电平相匹配。隔离和驱动电路如图3 所示。

2.5 阻抗匹配电路的设计

由于超声电源的输出阻抗和传输线的特性阻抗均呈纯阻性，而压电换能器为电抗性元件，直接驱动它会产生反射功率，使换能器温度升高，电声转换效率降低，严重时甚至烧毁换能器，因此必须对阻抗进行匹配。匹配网络起到调谐、变阻和滤波的作用，使超声系统处于谐振状态提高输出效率、将超声系统的阻抗变换至适当值并滤除超声电源输出的谐波成分减小开关管的负担[7]。

因为压电超声换能器等效电路呈容性，因此最简单的匹配方法就是使用单个电感与换能器串联或并联，其中串联匹配可以降低有功电阻且兼有滤波作用。本系统采用的是单个电感与换能器串联的方式来实现阻抗匹配。

2.6 电源模块的设计

电源模块包括单片机系统的5 V 电源、隔离电路的5 V电源、驱动电路的两路电源5 V、15 V 电源以及逆变电路的电源。其中隔离电路的5 V 电源和驱动电路的5 V 电源可以共用，但必须和单片机系统的5 V 电源隔离。电源模块的电路如图4 所示。

图3 隔离、驱动电路Fig. 3 The Schematic of drive and isolation circuit

图4 电源模块电路图Fig. 4 The Schematic of power circuit

在图4 中，逆变电源采用VIN 为24 V 的直流供电，24 V的直流电压VIN 经电源芯片LM2596S-5 降至5 V，给隔离电路和驱动电路提供5 V 的电源；然后5 V 电压再经过电源芯片LM2577S-ADJ 升至15 V，给驱动电路提供另一路15 V 电源；同时该5 V 电压经过电源隔离芯片B0505S 给单片机系统提供VCC（5 V）的电源，实现单片机数字部分电源和超声主电路电源的隔离。

3 dsPIC30F4011 单片机主控电路设计

3.1 半桥逆变电路的驱动波形PWM 的产生

dsPIC30F4011 单片机主控电路的主要工作是产生两路调制PWM 波。这两路PWM 用来驱动超声电源核心电路半桥逆变电路的[8]，因此这两路PWM 要求满足半桥逆变电路对驱动波形的要求：1）频率和占空比相等；2）两路PWM 相位差180 度；3）两路PWM 之间有一定的死区时间。此死区时间需根据逆变电路所使用的功率开关管的响应特点来确定。本系统功率开关管采用的是SGH80N60UFD，其导通与截止的响应时间最长为：td（on）+tr+td（off）+tf=353 ns，因此死区时间至少要大于这段时间，就可以防止两路功率管同时导通。再考虑到驱动芯片可能带来的响应延时，本系统设计的死区时间为1 μs，足够保证系统安全。

3.2 单片机其他控制部分的设计

本系统设计的超声电源可以实现电源的频率和功率可调。超声电源输出波的频率即为驱动波形PWM 的频率，由2.2 节知，超声电源的功率为：

式中，逆变电路的供电电压Vcc 和变压器的原副边比n是定值。因此，超声电源的输出功率不仅和PWM 的占空比η有关，还和超声换能器的阻抗Z 有关。当超声电源接不同的超声换能器时，超声电源的功率将不同。因此，本系统采用的是以PWM 的占空比来衡量功率，当调节PWM 的占空比时，将在1602 液晶上显示不同的功率等级。

因此，单片机除了需产生符合3.1 节所述要求的PWM波形，还要求PWM 波形的频率和占空比可变。 PWM 波形频率和占空比的调节采用单片机的AD 转换模块完成。本系统的超声电源频率范围为20K 到60K。由3.1 节中可知两路PWM 间各需留出1 us 的死区时间，两路PWM 在一个周期内除了各自的高电平时间，至少要有2 us 的死区时间。因此两路PWM 的最大占空比为：