锂离子电池供电型便携式高频X射线机的研制

曾莹莹，陈海辉，肖化武，易荣喜



锂离子电池供电型便携式高频X射线机的研制

曾莹莹1，*陈海辉2，肖化武3，易荣喜1

(1.井冈山大学机电工程学院，江西，吉安 343009；2.井冈山大学化学化工学院，江西，吉安 343009；3.江西紫东科技有限公司，江西，吉安 343000)

在总结相关专利的基础上，本文发明了一种便携式高频Ｘ射线机的锂离子电池的供电方法和控制电路。阐述了锂离子电池给X射线管的高压供电和灯丝加热。设计了半桥逆变的主电路方案，以及X射线机的管电压和管电流的反馈检测电路装置。样机总质量1.5 kg，总体积不大于15 cm×15 cm×15 cm。电池组容量可曝光300次，输出电压范围在19~25 V之间，管电压60 kV，波动5%，管电流2 mA，波动8%。样机轻便，体积小，便于携带，且能拍摄出清晰图片，能满足拍片要求。基于半桥逆变的供电方案，其管电流、管电压的波动比全桥逆变供电时要大，即精度会有所降低，但其结构简单，成本降低，体积减少，适合制作小容量的便携式X射线机。

锂离子电池组；便携式；高频X射线机；管电压；管电流

0 前言

研制高指标、高稳定性、低成本、易维护的高频 X线机，是我国医疗行业长远发展规划中的重点发展领域和关键技术[1,2,3]。中国专利02215351.9提出了一种小容量组合式X线发生器的电路构成，设计了一种便携式牙科X射线机，它包括一个控制箱和主机，主机包括逆变电路、高频整流电路、灯丝电路，该类电路不足之处在将逆变电路放置在主机内，难于保证其绝缘、抗干扰能力[4]。中国专利200620025175.9 提供一种高频直流X射线高压发生器，但该类电路不足之处没有管电流、管电压的反馈检测电路，不能精确控制管电流、管电压[5]。中国专利03133411.3[6]、200620012531.3[7]、200710143656.9[8]、200710139049.5[9]、200920060095.0[10]均涉及到组合机头机芯的固定问题。中国专利201110189158.4[11]发明了全桥逆变的准谐振型高频X线机的控制方法和控制电路。

这些专利所生产的X射线管射线机体积较大，且都采用交流市电供电，不适应制作野外作业的高频X射线机，未涉及关于锂电池供电的高频X射线机。采用锂电池的供电方案，具有体积小、重量轻、性能高等优点，适合于野外作业的高频X射线机。本文根据目前的需要，研制出一款用锂电池供电的高频X射线机，方便携带且可用于野外作业。

1 设计方案

为解决上述问题，实现X射线机在野外无市电供应的环境下继续使用、方便携带、性能先进的功能，在本团队的专利基础上[10~11]，研究了一种高频X射线机的锂电池供电方法和控制电路装置，解决了锂电池供电的问题[12]。主要发明措施有：基于锂电池供电方案，实现在野外无市电供应的环境下X射线机能继续使用，曝光300次以上的效果；采用锂电池、MOSFET管半桥高频逆变、高频变压器、倍压整流电路，构成一种微型化DC—DC 变换器拓扑电路，如附图1，大大地减少了X射线机体积。

锂电池给X射线管的高压供电方法：锂电池的正极接在高频变压器初级绕组的中部，脉冲波轮流交替驱动一对场效应管的开和关，电流通过变压器初级绕组的上或下半部、轮流交替通过场效应管，最后到达锂电池的负极，这样高频变压器初级绕组的磁通量实现了快速交替变化，从而次级绕组感生出高频电源。高频变压器次级的主绕组经过高频变压器升压，倍压整流电路进一步升压、整流之后，就可得到小电流高压直流电源，加在固定阳极X射线管上，就实现了锂电池给X射线管的高压供电。

锂电池给X射线管的灯丝加热方法：锂电池正负极接入直流电源控制芯片的电源输入端，调节电路参数，就可使电源芯片输出端的电压得到精确控制，将该输出端加在X射线管的灯丝上，就实现了锂电池给X射线管的灯丝加热。图1为实现以上锂离子电池给X射线管的供电方法的主电路，TL494轮流交替驱动MOSFET管S1、S2开和关。

1—场效应管MOSFET；２—可循环充电的锂电池；３—高频变压器；４—高频变压器次级主绕组；5—高频变压器次级辅助绕组；6—倍压整流电路；7—固定阳极X射线管；8—球管，包括3、6、7部件；9—灯丝加热电路；11-管电流反馈电路；12—TL494芯片PWM驱动电路。

X射线机锂电池供电的具体控制电路如图2，调节高精度电阻R6与R7的电阻比，就可使TL494芯片引脚2的电压数值改变，即得到管电压设定值Vs，TL494芯片引脚1处接管电压反馈值Vt。TL494芯片引脚4的电压用于死区时间控制，接管电流反馈电压Vgt。TL494芯片的控制输出是引脚1、2、4处的电压值的综合效果，引脚8、11轮流交替输出PWM高频矩形波，放大之后再去轮流交替驱动MOSFET管S1、S2的开和关。

图 2 锂电池给X射线发射管供电的TL494控制电路

X射线机管电流的反馈电路如图3所示，管电流电路由电阻R5、气体放电管GDT电路、电感和双向稳压管构成，其中R5限流，GDT高压放电，均起保护、滤波、抑高压冲击作用。Vgt经反向放大输入给TL494芯片引脚4。

图3 管电流反馈电路

X射线机管电压的反馈电路如图4所示。高频变压器次级的辅助绕组是管电压的反馈检测装置，其两端电压与管电压具有比例关系。辅助绕组的高频反馈电压经过快双开关1PS226之后，输出一个管电压，然后经过高精度电阻R1与R2的分压，就可以得到一个单片机可以接受的管电压反馈电压Vt。

图4 管电压反馈电路

锂电池给X射线管的灯丝加热电路如图5所示，将锂电池正负极接入芯片LM2576的电源输入端，调节高精度电阻R3与R4的电阻比，就可使LM2576输出端电压得到精确控制，将LM2576输出端加在灯丝上，可以使得灯丝加热电压得到精确控制。

图5 锂电池组给X射线管灯丝加热的控制电路

相对于现有技术，本文技术具有如下优点和有益效果：锂电池可实现在野外无市电供应的环境下X射线机能继续使用的作用；采用锂电池、MOSFET管半桥高频逆变、高频变压器、倍压整流电路，构成一种微型化DC—DC 变换器拓扑电路，大大地减少了X射线机体积。

2 实验及结果

基于以上想法，自主研制了5套样机，样机总质量1.5 kg，总体积不大于15 cm×15 cm×15 cm。样机的球管尺寸及模具研制如文献[13]所述，采用注塑得到球管外壳。6只2000 mAh锂离子电池串联成供电源，电池组输出电压在19~25 V范围之间，均能保证管电流、管电压的精确控制。系统采用STC 51单片机控制，确保曝光时间及控制精度。采用液晶显示，界面友好。样机初步试验表明控制方法及电路装置效果良好:管电压60 kV，管电流2 mA，管电压波动5 %，管电流波动8 %，每次曝光时间定为0.24 s时，锂离子电池组充满电后，可以曝光300次。

在管电压、管电流的反馈采样电路处接上示波器，观察电路波动情况。管电压与高频变压器的逆变频率直接相关，高频变压器上的逆变频率如图6所示，从测试结果来看，逆变频率为13.3kHz，波形近似矩形，MOSFET管开或关的时候有个尖峰，幅值随时间有轻微增加。

图7 管电流波形

管电流波形如图7所示，在MOSFET管开或关的时候同样有个尖峰，与管电压变化相似。这种尖峰与高频变压器的制作质量和磁芯材料的性能有很大关系。从测试结果来看，基于半桥逆变的供电方案，其管电流、管电压的波动比我们以前做的全桥供电时的要大[1,2,14]，即控制精度会有所降低。但半桥逆变电路结构简单些，降低了成本和电路体积，适合制作小容量便携式X射线机。

图8 锂离子电池输出电压波形

锂离子电池输出电压的波形如图8所示，在MOSFET管开或关的时候，同样有个尖峰，与管电压、管电流变化相对应。我们在制作过程中遇到了由于电路尖峰而经常烧毁MOSFET管的问题。经验证明：选择正确的磁芯材料性能制作高质量的高频变压器是制作高频X射线机的关键技术。

图9 样机实物

图10 拍摄片

样机实物如图9，整机的大小和形状与单反相机相近，总质量约1.5kg。对人体手指和单片机芯片进行了拍摄，效果如图10，能清晰地显示出手指骨髓、肌肉，也能清晰地显示出单片机晶圆电路，X射线成像效果良好。

3 结论

经过电路测试，样机性能稳定；经过实物拍摄，图像质量好，完全可满足透视要求。从电路波形测试结果来看，基于半桥逆变的供电方案，其管电流、管电压的波动比全桥逆变供电时的要大，即精度会有所降低，但其结构简单，成本降低，体积减小，适合制作小容量的便携式X射线机。本文发明研制出锂离子供电型便携式高频X射线机样机，样机轻便，体积小，便于携带，且能拍摄出清晰图片，能满足拍片要求。

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DEVELOPMENT OF PORTABLE HIGH FREQUENCY X RAY MACHINE FOR LITHIUM ION BATTERY POWER SUPPLY

ZENG Ying-ying1, *CHEN Hai-hui2, X IAO Hua-wu3, YI Rong-xi1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China；2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China, China; 3. Jiangxi Zidong Technology Co. Ltd, Ji’an, Jiangxi 343000, China;)

On the basis of related patents, power supply method and control circuit of a portable high frequency X-ray machine powered by lithium ion battery were invented in this paper. These strategies of batteries power supply for high voltage supply and the filament heating of the X-ray tube are sketched. The main circuit scheme is designed as half bridge inverter, and the feedback circuits of tube voltage and tube current for the portable X- ray machine are also proposed. The total mass of the prototype is about 1.5kg, and the total volume is less than 15cm x 15cm x 15cm. The battery capacity can be exposed 300 times, the output voltage range is between 19~25V, the tube voltage is 60kV, and its’ fluctuation is 5%, the tube current is 2mA, and the fluctuation is 8%. The prototype is portable, small size, easy to carry, and can take a clear picture, which can meet the requirements of X-ray imaging. Compared with that of full bridge inverter power supply, the fluctuations of both tube current and tube voltage of the half bridge inverter power supply are larger, the control accuracy will be reduced, but because of its simple structure, lower cost, reduced volume, the half bridge inverter power supply is very suitable for portable X - ray machine production of small capacity.

lithium ion batteries pack; portable; high frequency X-ray machine; tube voltage; tube current

1674-8085(2018)03-0052-06

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.03.011

2017-11-15；

2018-01-12

江西省科技支撑计划项目（20133ACG70010，20151BBG70033，20161BBG70033）；江西省教育厅落地计划项目（KJLD14062）

曾莹莹(1975-)，女，湖南湘潭人，副教授，硕士，主要从事医学工程研究(E-mail:jgzyy09@126.com);

*陈海辉(1968-)，男，湖南衡山人，副教授，博士，主要从事化工机械研究(E-mail:chenhaihui68@126.com);

肖化武(1974-)，男，湖南邵阳人，副教授，博士，主要从事电子线路与系统研究(E-mail:26679826@qq.com);

易荣喜(1976-)，男，江西吉安人，副教授，硕士，主要从事模具设计及新材料研究(E-mail:yirongxi@sina.com).