可控双极性高压脉冲超声激励电源设计与实现

2022-09-01陈富

通信电源技术 2022年9期

陈富

（江西应用工程职业学院，江西萍乡 337042）

0 引言

超声检测技术作为一种性能较优的无损检测技术，当前已经被大范围地应用于工业生产等领域，而在实际应用的过程中，整体系统所包含的换能器的频率、周期数的可控性、重复的频率以及驱动电压的幅值都需要进行匹配，因此要使用可控双极性高压脉冲超声激励电源进行调控。本文针对此项电源设计思路以及实现方式进行研究，以期能为相关人员和企业单位提供参考。

1 可控双极性高压脉冲超声激励电源内涵

超声检测技术是当前5大常规检测技术之一，具备针对性强、适用范围大并且穿透力较高的特点，检测结果较为准确，并且可以保证检测对象的完好无损性。现代工业技术中，常会使用超声波来进行相关检测作业，而随着我国科学技术的发展，当前对于产生电源的性能以及检测能力又有了更高的要求[1]。检测技术不仅要对静态客体进行检测，还要对动态构件进行检测，而超声检测技术具有应用范围较广的特点，在多数情况下都会采用超声检测技术对动态构件进行检测，但这需要检测系统中的激励信号电压、周期频率、周期数和极性等能够随着动态构件进行实时变化调整[2]。为了有效控制电源参数，需要加强系统更新设计，便于强化电源系统的运行效果。针对当前工业领域作业的实际需求，利用全桥驱动产生的双极性激励信号激发换能器，实现激励电源的应用能够进一步满足高压超声电源的实际配置与需求[3]。

2 可控双极性高压脉冲超声激励电源设计

2.1 整体框架设计

在可控双极性高压脉冲超声激励电源设计环节，涵盖多个组成模块，如ARM控制模块、隔离模块、数控高压源和激励信号产生模块等，如图1所示。在整个系统框架设计期间，激励信号产生模块主要是依托超声驱动超声换能器采集信号；数控高压源模块作为供应直流高压电源的部分，能够被外接电压把控；ARM控制模块的时钟频率可达到170 MHz，整体能耗不高，与上位机保持对应关系，在获取上位机指令后经过解码实现信息转换；隔离模块主要用作芯片保护元件，能保障电源的安全。

在实际设计中，设计人员既要把握好各部件的关联性，又要对其正常运行流程进行深入了解，借此提升可用性及其适用性，促使超声检测工作得到可靠保障[4]。其中，系统运行阶段先从上位机采集转换信号，经由串口转换模块对信号信息进行解码操作，而后展开备份处理并进入隔离模块。解码阶段包括两个渠道，除了备份外，也要借助数字模拟转换器（Digital to Analog Converter，DAC）在激励信号产生，模块间经由数控高压源建立连通关系，促使该电源系统满足实际需求。

2.2 全桥电路原理

在确定系统构建框架后，需要对各模块细节加以科学分析，便于改善系统性能。全桥的电路将采用拓扑结构，其整体控制路程可以参考图2。当全桥变换处于正半周期内，则Q4和Q1的导通由input_H1信号进行控制，与此同时Q3和Q2要在关闭的状态，信号的流向如step1所示。而当全桥变换的周期处于负半周期时，则Q2以及Q3的导通控制由input_L1进行控制，而此时的Q4和Q1应当处于一个交替关闭的状态，其信号流向如step2所示。整套系统都通过这种交替开关的方式进行作业，只有这样才能保证双极性激励电压的产生，为后期的作业提供良好的基础。而为配合双极性激励电压的输出，信号的控制时序上，则采用了两周期双极性驱动的模式，这样能够保证系统之内的激励信号频率和重复频率、周期数以及极性得到良好的匹配，其时序控制如图3所示[5,6]。

图2 全桥电路拓扑

图3 驱动信号控制时序

2.3 信号产生电路

信号产生电路也是系统设计的重要部分，按照基本需求则要采用双极性激励信号产生电路，并且指标要设置成电压连续可调的状态。本文在设计时将电压所能够输出的最高峰值设置为1 000 V，并且系统中激励信号的脉宽、重复频率、周期性以及极性均要设置为可调控，最小频率为20 kHz、最大为2 000 kHz，还要保证通道的可扩展性。经系统性能需求综合分析，在双极性驱动电路的硬件选择方面则采用了由SILICON LABS公司所设计的Si8273桥式驱动集成电路芯片，其工作频率为5 000 kHz，输入逻辑电平为2.5～5.0 V，驱动电压理论值为1 500 V，且具备优良的抗干扰性与可调节功能。

在设计的过程中不仅要筛选出适合电路的相关元器件，还要发射电路模块化设计环节，提前预留出控制的信号端口，只有这样才能够实现通过的扩展[7]。而在电路的开关管选择方面，不仅要注重其质量和安全问题，更要从经济性的角度出发，选择低损耗且速率较高的开关管。本文在实践过程中则采用了高速开关管（STP4N90K5），这种高频高压的功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）可以进一步提升系统的运作效率。在实际操作的过程中由于全桥驱动高频激励信号，导致漏极电流较大，另外因为MOS开关会相对敏感，所以一定要注意此类问题，不然会使得开关损耗过多。为在实际运行过程中能够消除尖峰电压，从而提高开关管工作的质量，应使用剩余电流装置（Residual Current Device，RCD）吸收电路，这样能够进一步制约电流电压出现不稳定的状态。

2.4 数控电源模块

在数控电源模块设计环节，需要选取适合的电源元件。实际选择期间，仍然秉持了经济性和实用性的原则，选取由东文高压源公司所制造的电源模块DWP102-20F74，其输入电压为24 V，输出电压为0～1 000 V，能够进一步满足系统设计标准，输出电流为20 mA，在控制模式方面则采用了DAC（0～5 V）外部控制，这样能够提高控制直流输出电压的精准度[8]。另外，基于ARM控制模块在DAC芯片的输出电平最高才能达到3.3 V，因此必须要在外部连接一个运算放大器，用于调节电压的大小，本文则采用了LM385。

2.5 换能器的频率

在系统设置中要依靠双极性信号激励超声换能器才能使得系统的工作效率在运行过程中达到最高，而为了达到这一效果，则要将超声换能器调控至一个最佳状态，进一步保证能量转化成最大效率[6]。设计时，首先应依靠电工学等效电阻计算公式计算换电器等效后的电抗频率函数，然后得出激励超声换能器电压的发射功率，利用MATLAB进行阻抗-频率特性曲线及功率-频率特性曲线的绘制，并以此作为分析和参考的依据，最终得出换能器的最佳频率。经计算和绘图分析后得出结论，串联谐振点处的输出功率最高，并且等效阻抗最低，因此换能器谐振频率点脉宽应和所输出的双极性激励脉冲相匹配。

2.6 USB转串口模块

为提高系统整体的通信水平，则设计了USB转串口模块，将计算机的USB2.0协议与串口协议实现转换，这样就可以帮助嵌入式主控与计算机之间达成双向通信。转换芯片则使用了CH340C，其内部时钟具备高精度的特征，因此就无需使用外部晶振来配合，其所支持的通信波特率范围为120 kb/s左右，高速运行的状态下仍具有较强的稳定性。

3 可控双极性高压脉冲超声激励电源实现

3.1 系统软件的开发

根据上述系统设计步骤，在实现应用环节则要加大嵌入式程序的设计，综合调控激励电压极性、周期数、激励信号频率以及重复频率的同时，更要注重人员实际操作的便捷性与通信流程性。首先，嵌入式控制模块起到了解码PC端上位机控制命令的作用，保证系统程序能够按照命令执行相关操作。而连接辅助设备模块（Ancillary Equipment Module，AEM）核心芯片以及PC端之间的通信方式则为串口通信，在此通信系统中未涵盖ARM控制模块的信号反馈功能，通过配置单工异步工作通信模式则可完成整个程序流程。系统初始化环节，不仅包括串口参数以及定时器的初始化，还内含串口时钟的复位以及使能、内嵌向量中断控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）初始化环节。在等待串口中断期间，则要依靠ARM控制模块的处理器完成这一作业环节，当收到命令以后，马上进入到中断处理函数中，通过解码的方式转化控制命令。最终所生成的命令结果需要依托全桥控制线路以及DAC通道完成输出任务，只有这样才可对系统中的各指数需求进行在线调配[9]。

为方便工作人员在上位机界面的处理，在实际应用过程中还要加大对上位机软件的开发研究力度，结合理论知识和实际研究结果综合分析。本程序的模块开发则采用了PyQt5，其优势在于自配有Pyserial库，这样能够满足USB虚拟串口的实际配置需求。在实践过程中，则要在main函数中挑选一个继承类的绘制界面，然后打开相应的功能函数，最后在主函数部分创建线程，完成最终的界面设置。另外在界面中还需要包括以下几种功能：一是智能超声电源可以在此界面中完成各项数值的设置，并且换能器也可在其中对激励的频率进行选择；二是保证发射的阵列以及双极性周期和极性选择也能够在界面中完成。

3.2 测试最终的结果

为保证在实际应用过程中的准确性，则要通过上位机界面对整个系统程序进行检测，实物检测所需要使用到的主要设备为上位机、超声高压源、超声换能器。其中，上位机的配置为双极性电源，负极性中具备1 000 V，0.25 MHz的峰值，每20 μs重复1次脉冲作业，每2个周期为1循环。在正极性中以2个半周期为主，保持5 μs的脉冲重复周期[10]。