遲玉剛 唐征宇 張則樂 王安意

1.安徽省蚌埠市第一人民醫(yī)院，安徽蚌埠 233000；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽蚌埠 233010

0 引言

紅外偏振光治療儀是采用光電技術(shù)，將光譜范圍在0.6～1.6μm特殊光能作用于人體疼痛部位和穴位，對患者進(jìn)行治療的儀器[1]（圖1）。通過配置不同規(guī)格的治療頭，使偏振光與近紅外光有效整合，實現(xiàn)深淺組合、點面結(jié)合。主要適用神經(jīng)內(nèi)科、疼痛科、康復(fù)理療科等科室。通過人機(jī)界面、觸摸屏和按鍵的交互控制，可以選擇多種治療模式供不同病患使用，還有藥方病例的存儲與加載、音樂舒緩治療、安全檢測報警、病例和治療信息導(dǎo)出等一系列功能[2]。

1 常規(guī)紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路缺陷

圖1 紅外偏振光治療儀外形圖

常規(guī)紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路原理[3]如圖2所示。由AC-DC穩(wěn)壓模塊、DC-DC穩(wěn)壓模塊、D/A參考電壓電路、取樣電路、比較電路、積分電路構(gòu)成。AC-DC穩(wěn)壓模塊把220V 50Hz交流電源信號轉(zhuǎn)化成直流電源。DC-DC穩(wěn)壓模塊將直流電源轉(zhuǎn)化成驅(qū)動鹵素?zé)舻某炭仉妷涸?。帶有電壓控制端TRIM信號的DC-DC穩(wěn)壓模塊可以看成一個壓控電壓源，一般來說，壓控曲線是非線性的，典型的壓控曲線是負(fù)指數(shù)型的。例如，當(dāng)TRIM控制信號的電壓為0V時，DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓最高，此時輸出電壓相對TRIM電壓曲線最陡峭，當(dāng)TRIM控制信號的電壓為最大值時，DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓最低，約為0V，此時輸出電壓相對TRIM電壓曲線最平滑。參考電壓電路包括D/A轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生控制輸出電壓的參考信號。取樣電路得到鹵素?zé)趄?qū)動電路輸出信號的電壓。積分電路一般采用有源電路形式，由運算放大器、電容、供電電源等電路構(gòu)成，通過比較參考信號與輸出信號的電壓，積分電路產(chǎn)生控制DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓的負(fù)反饋信號。由于鹵素?zé)敉ǔ２捎弥绷黩?qū)動，運算放大器的正電源輸入腳接一個正電壓電源，運算放大器的負(fù)電源輸入腳接地。這種電路形式，在輸出最高電壓時，穩(wěn)幅環(huán)路不易鎖定，限制了最大輸出電壓，影響了鹵素?zé)趄?qū)動電路的帶負(fù)載能力。以驅(qū)動15V 10A鹵素?zé)魹槔?，其最高輸出電壓可達(dá)12V左右，不能滿功率驅(qū)動150W鹵素?zé)簟?/p>

2 優(yōu)化設(shè)計的紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路

針對常規(guī)紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路最大輸出功率偏低，不能充分滿足大功率鹵素?zé)舻臐M功率驅(qū)動要求，設(shè)計了一種驅(qū)動能力強(qiáng)、電壓范圍寬、體積小、精度高的紅外偏振光治療儀鹵素?zé)舾咝阅茯?qū)動電路[4]，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有良好效果。

優(yōu)化設(shè)計方案包括AC-DC穩(wěn)壓模塊、DC-DC穩(wěn)壓模塊、參考電壓電路、取樣電路、比較電路和積分電路[5]。AC-DC穩(wěn)壓模塊，被配置為用于將220V 50Hz交流電源信號轉(zhuǎn)化成直流電源；DC-DC穩(wěn)壓模塊，被配置為用于將直流電源轉(zhuǎn)化成驅(qū)動鹵素?zé)舻拇蠊β食炭仉妷涸矗粎⒖茧妷弘娐?，包括一個D/A轉(zhuǎn)換電路，被配置為用于產(chǎn)生控制輸出電壓的參考信號；取樣電路，被配置為用于獲取鹵素?zé)趄?qū)動電路輸出信號的電壓；比較電路，被配置為用于比較參考信號與輸出信號的電壓；積分電路，包括運算放大器、電容和供電電源，被配置為用于產(chǎn)生控制DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓的負(fù)反饋信號[6]。

該紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路中積分電路由兩個積分單元級聯(lián)而成，使得積分電路的低頻增益加大，增大了對誤差電壓的靈敏度，提高了穩(wěn)幅環(huán)路的鎖定速度[7]。通過給積分電路增加一組負(fù)電源，使得驅(qū)動電路的穩(wěn)幅環(huán)路更容易鎖定，大大提高了驅(qū)動電路的輸出電壓范圍，增強(qiáng)了對大功率鹵素?zé)舻尿?qū)動能力，輸出電壓范圍達(dá)0～15V，能夠滿功率驅(qū)動150W鹵素?zé)?。使用本文論述的鹵素?zé)趄?qū)動電路，設(shè)計的K1000系列紅外偏振光治療儀，在輸出光功率、偏振度等核心指標(biāo)上，優(yōu)于國外同類儀器[8]。積分電路由兩級積分單元級聯(lián)而成，提高了穩(wěn)幅環(huán)路的鎖定速度。

如圖3所示，AC-DC穩(wěn)壓模塊把220V 50Hz交流電源信號轉(zhuǎn)化成24V直流電源。DC-DC穩(wěn)壓模塊將24V直流電源轉(zhuǎn)化成驅(qū)動鹵素?zé)舻?50W大功率0～15V程控電壓源。參考電壓電路包括一個D/A轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生控制輸出電壓的參考信號。取樣電路得到鹵素?zé)趄?qū)動電路輸出信號的電壓。積分電路由運算放大器、電容、供電電源等電路構(gòu)成，通過比較參考信號與輸出信號的電壓，積分電路產(chǎn)生控制DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓的負(fù)反饋信號。

圖2 常規(guī)紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路原理框圖

圖3 紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路原理框圖

采用高集成度、高開關(guān)頻率的大功率AC-DC穩(wěn)壓模塊、DC-DC穩(wěn)壓模塊，大大降低了電路的體積[9]。以驅(qū)動15V 10A鹵素?zé)魹槔?，其最高輸出電壓可達(dá)15V，能夠滿功率驅(qū)動150W鹵素?zé)?，圖4是本紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路DC-DC電路原理框圖。

圖4 紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路DC-DC電路原理框圖

3 常規(guī)電路輸出電壓與優(yōu)化后電路輸出電壓的對比

實驗結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

本文的紅外偏振光治療儀鹵素?zé)趄?qū)動電路優(yōu)化設(shè)計方案，驅(qū)動電路的輸出電壓范圍更大，穩(wěn)幅環(huán)路更容易鎖定，增強(qiáng)了對大功率鹵素?zé)舻尿?qū)動能力，電路性能得到很大提高。

表1 常規(guī)電路輸出電壓與優(yōu)化后電路輸出電壓的對比