楊剛　吳文杰　任峰

摘 要： 目前工業(yè)主要用高能電子轟擊金屬的方法產(chǎn)生X射線。在此設(shè)計(jì)一種基于開關(guān)電源原理的自反饋型直流電流源。該電流源通過(guò)DC?DC轉(zhuǎn)換芯片XL4015為開關(guān)電源模塊提供可調(diào)的直流輸入電壓，Buck型開關(guān)電源模塊為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，從而流過(guò)負(fù)載的電流一定。將采樣電阻的電壓通過(guò)OPA2340差分放大，并用SG3525反饋給開關(guān)電源模塊，從而形成閉環(huán)控制。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，該電流源輸出穩(wěn)定，精度滿足產(chǎn)生X射線的要求，且具有效率高、性能可靠、電路簡(jiǎn)單易懂、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 電流源； 開關(guān)電源； X射線發(fā)生器； OPA2340； SG3525

中圖分類號(hào)： TN911?34； TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）22?0159?04

Abstract： Currently， the method of using high?energy electron to bombard metal is mainly used in industry to generate X?ray. A self?feedback type DC current source based on the principle of switching power supply was designed. The DC current source supplies the adjustable DC input voltage for the switching power supply module by means of the DC?DC conversion chip XL4015. And the Buck?type switching power supply module offers the stable voltage for the load to maintain a certain current flowing through the load. The voltage of the sampling resistor is amplified differentially by OPA2340， and fed back to the switching power supply module by SG3525 to form the closed?loop control. The test results show that the current source has the advantages of stable output， high efficiency， reliable performance， simple circuit and low cost， and its precision can meet the demand of X?ray generation.

Keywords： current source； switching power supply； X?ray generator； OPA2340； SG3525

0 引 言

X射線是由于原子中的電子在能量相差懸殊的兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的粒子流，是波長(zhǎng)介于紫外線和γ射線 之間的電磁波。X射線具有很強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，能透過(guò)許多對(duì)可見(jiàn)光不透明的物質(zhì)，透過(guò)物質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生衰減。受高速電子撞擊的金屬，會(huì)發(fā)出X射線[1]。金屬靶材料不同，燈絲產(chǎn)生電子所需的電流也不同。本文所提的X射線源為雙能級(jí)，燈絲所需電流為1.2 A和1.8 A。在使用過(guò)程中，X射線管會(huì)因電子撞擊金屬靶而產(chǎn)生熱[1]。為了不使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)熱更嚴(yán)重，X射線管的外圍電路應(yīng)減少發(fā)熱。而目前大多數(shù)電流源都采用壓控電流源，該種電流源是采用運(yùn)放和三極管的結(jié)構(gòu)[2]。其中，三極管上會(huì)消耗一部分功率而發(fā)熱，進(jìn)而增加X(jué)射線發(fā)生裝置的發(fā)熱。為了避免這種情況，本文采用效率較高的Buck型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，并用SG3525對(duì)采樣電壓進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而達(dá)到輸出穩(wěn)定的目的。

1 系統(tǒng)組成和原理

1.1 系統(tǒng)組成

本電流源系統(tǒng)可分為穩(wěn)壓電源電路、XL4015電壓轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)電源電路、差分放大電路、SG3525反饋電路等部分，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)通過(guò)穩(wěn)壓電源電路向XL4015電壓轉(zhuǎn)換電路提供DC 24 V電壓，向SG3525反饋電路提供DC 15 V電壓，向差分放大電路提供DC 5 V電壓。XL4015將DC 24 V轉(zhuǎn)換成可調(diào)直流電壓供給開關(guān)電源電路，開關(guān)電源電路采用Buck型結(jié)構(gòu)。其輸出電壓Vo與輸入電壓Vi之間的關(guān)系[3]為Vo=ViD。其中D為開關(guān)電源電路中場(chǎng)效應(yīng)管控制端信號(hào)的占空比。通過(guò)改變XL4015的輸出電壓，即改變Vi，就可以改變Vo，從而可以得到大小不同的輸出電流Io。反饋部分通過(guò)采樣電阻對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成采樣電壓，OPA2340組成的電路對(duì)其進(jìn)行差分放大后送給SG3525，SG3525將送來(lái)的反饋電壓與預(yù)設(shè)電壓值進(jìn)行比較，根據(jù)它們的大小關(guān)系調(diào)節(jié)輸出PWM波的占空比[4]，從而調(diào)節(jié)開關(guān)電源部分的占空比D，輸出新電流。這樣就形成系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而提高了輸出電流的穩(wěn)定性和精度。

2 系統(tǒng)硬件各功能模塊的設(shè)計(jì)

2.1 XL4015電壓轉(zhuǎn)換電路

雙能級(jí)X射線需要兩種不同的電流，開關(guān)電源模塊的輸入應(yīng)設(shè)置成可調(diào)，所以選擇XL4015電壓轉(zhuǎn)換芯片。XL4015將輸入DC 24 V轉(zhuǎn)換成合適的電壓，送給開關(guān)電源模塊。它決定了開關(guān)電源模塊的輸入電壓，在占空比不變的情況下，也就決定了輸出電壓，從而確定了輸出電流。該電路輸出電壓Vo1=1.25×[1+R2R3]，考慮到供電24 V，實(shí)際輸出為1.56～22.5 V。XL4015外圍電路如圖2所示。endprint

2.2 開關(guān)電源電路

開關(guān)電源電路為負(fù)載提供穩(wěn)恒的電壓，從而提供穩(wěn)恒的電流。此開關(guān)電源電路采用Buck型結(jié)構(gòu)，輸出Vo=Vo1D，隨著Vo1的改變而改變。如圖3所示，R8是采樣電阻，選用康銅絲電阻，阻值隨溫度的變化較小[2]，能準(zhǔn)確反映出電流變化；所采電壓送給OPA2340差分放大。電流表頭與負(fù)載串聯(lián)，用來(lái)顯示流過(guò)負(fù)載的電流值。

2.3 差分放大電路

反饋部分包括差分放大電路和SG3525反饋電路.考慮到采樣電壓較小。一般的放大器對(duì)較小電壓放大會(huì)失效，選用OPA2340軌至軌運(yùn)算放大器，單電源滿幅度輸入輸出，集成了雙運(yùn)放[5]，可連接成差分放大。電路如圖4所示，由電路可知有以下關(guān)系，

2.4 SG3525反饋電路

差分放大輸出電壓Vf輸入到SG3525誤差放大器（圖5所示）的反相輸入端1腳，作為反饋，預(yù)設(shè)電壓輸入到誤差放大器的同相輸入端2腳，形成差分輸入[7]。誤差放大器的輸出端即芯片內(nèi)部PWM比較器的輸入端9腳經(jīng)R20反饋到1腳，構(gòu)成比例調(diào)節(jié)。當(dāng)反饋電壓Vf比預(yù)設(shè)值高時(shí)，輸出PWM波的占空比減小，開關(guān)電源電路中的MOS管導(dǎo)通時(shí)間縮短，從而輸出電壓下降，輸出電流減??；反之，當(dāng)反饋電壓Vf低于預(yù)設(shè)值時(shí)，開關(guān)電源輸出電壓上升，輸出電流增大。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的[7]。

2.5 穩(wěn)壓電源電路

穩(wěn)壓電源采用三端穩(wěn)壓器7805，7815構(gòu)成，為電路中各芯片供電。

3 控制紋波措施

由于本設(shè)計(jì)采用的是開關(guān)電源方案，在效率高的同時(shí)，也帶來(lái)了紋波大的問(wèn)題[8]。經(jīng)過(guò)一些濾波措施，有效降低了紋波。

分析產(chǎn)生紋波原因，主要有：

（1） MOS管導(dǎo)通關(guān)斷瞬間，產(chǎn)生尖峰脈沖；

（2） 電感電容儲(chǔ)能放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生三角波。

針對(duì)原因（1），在SG3525輸出端OUTA與MOS管柵極之間加一個(gè)電阻。這個(gè)電阻阻值如果較大，則會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，柵極的電壓不足以使MOS管導(dǎo)通；阻值如果較小，則柵極電壓跳變陡峭情況未有效改變。綜合考慮并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，1.5 kΩ阻值比較合適，這樣MOS管的導(dǎo)通會(huì)變得平緩。未進(jìn)行改進(jìn)的輸出波形如圖6所示，加電阻后的波形如圖7所示，可看出輸出紋波有減小。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將X射線管加在本系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試，用示波器測(cè)量輸出波形，得出各電流值下的紋波電壓，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。由表1可看出，在高低能級(jí)X射線源所需的1.8 A和1.2 A時(shí)，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，紋波較小，滿足X射線產(chǎn)生條件。

5 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是采用開關(guān)電源和反饋組合形式的電流源，為X射線源提供穩(wěn)恒的電流。大多數(shù)電流源采用壓控電流源，三極管上的功耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重。而本電流源采用反饋型輸入可調(diào)的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，效率高，輸出穩(wěn)定，避免了發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題。實(shí)際測(cè)試表明，X射線管能正常工作，溫度正常，此設(shè)計(jì)是一個(gè)符合實(shí)際應(yīng)用要求的電流源。

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