X射线管的高压电源及灯丝电源电路的设计

赵颖异，井明忠，张博文，曾洁

（大连交通大学电气信息工程学院，辽宁大连116028）

X 光机是发出X 光的产品，由X 射线管和X 射线管专用电源以及控制电路等构成[1]。X 光线由于具有特殊的性质，被广泛用于工业、安检和医学等领域。在工业领域中，X 射线主要应用于无损检测。在火车站、地铁以及机场等安检场所，利用X 射线来检测行李及其携带物中是否存在违禁物品。传统的X 光机存在体积大、效率低、稳定性差和纹波系数大等较为明显的缺点[2]。随着科技的发展，应用新的高频开关技术可以使X 光机高压电源小型化，提高其功率变换的效率[3]。

为满足所需，文中设计了稳定输出50 kV 直流高压和1.8 A 灯丝电流，纹波系数为1%的小体积、高频率的X 光机高压电源。

1 电源的总体结构与工作原理

1.1 总体结构

图1为X 射线管专用电源结构框图。该专用电源系统主要包含高压直流专用电源电路部分和灯丝加热电源电路部分两部分[4]。高压直流专用电源电路部分包含升压变压器、倍压整流电路、电压电流采样电路、反馈电路和高压控制器；灯丝加热电源电路部分包括降压变压器、灯丝电流采样电路、反馈信号和灯丝电流控制器。

图1 X射线管专用电源结构框图

1.2 工作原理

X 射线管高压直流专用电源的运行原理如下：输入DC24V 电压，经过软启动后，一路送入辅助电源模块中产生芯片所需要的±15 V、+10 V 等电压，另一路分别送入高压直流专用电源和灯丝电源中。对于高压直流专用电源来说，供电电压经过LC 电路滤波后直接给高频升压变压器一次侧供电，将低压直流电变成类似高频交流正弦电，然后经过升压变压器提升电压，最后得到的电压再经CW 倍压整流电路升压得到DC0～50 kV 电压。在反馈电路中，将输出电压和电流取样后反相，并与设定的电压与电流值比较，后输出反馈值到芯片SG3525AN 中，通过此芯片输出不同占空比的PWM 波形，控制升压变压器输出功率，实现闭环反馈控制。

灯丝电源同样采用+24 V 供电，采用推挽电路、电磁场耦合能量的方法加热灯丝。灯丝电源电路主要分为两个模块，第一模块是发出的X 射线量未达到设定值，此时灯丝进行最高功率的加热。随着不停地产生X 光线以及管电流不停地发出，系统会将反馈回的信号送到第二模块。第二模块的主要作用是将取样的管电流与参考电流相互对比后，反馈到驱动电路，控制PWM 的波形占空比，实现闭环调节，从而稳定管电流。

2 电源电路的设计

2.1 高压直流电源电路

高压直流专用电源的主要任务是将DC24V 电压经过合适的交换，产生0～50 kV 的直流电压。产生的高压分别加在负极灯丝和正极靶两极[5]。图2为高压直流电源主电路。

图2 高压直流电源主电路

2.1.1 驱动电路

驱动电路采用SG3525AN 芯片单端驱动的工作方式。SG3525AN 是单片集成PWM 控制芯片[6]，内置5.1 V精密基准电源（微调至1.0%）、PWM锁存器、误差放大器、软启动电路、输出驱动电路等。SG3525AN简单可靠、使用方便，其输出驱动为推拉输出形式，可以增加驱动能力[7]。驱动电路如图3所示。

图3 高压直流电源驱动电路

SG3525AN 的振荡器频率公式为：

根据引脚5 和引脚6 上电阻和电容的值，再通过微调滑动变阻器，使输出PWM 信号频率为30 Hz。引脚8 连接0.1 μA 的电容实现软启动。

2.1.2 高频变压器

设计高频变压器是为了使变压器的体积更小、效率更高以及对环境条件的要求更加包容。所以选择锰锌铁氧化体作为铁芯材料。

变压器一次侧匝数为：

根据电源设计要求，带入数据可得N1=10。

变压器二次侧匝数为：

将Vin=24、变压器二次侧Vout=3 870 V 代入式（3）得，N2=1 612。

2.1.3 倍压整流电路

该电源采用的升压方式是两级升压：高频升压变压器的输出端接倍压整流电路，从而得到50 kV 的高压输出。倍压整流电路的工作原理如下：通过二极管的整流和引导功能，将电压分别储存在每个电容器内，最后依照极性相加的道理将其串联[8]，从而可以实现输出电压比变压器副边电压多几倍[9]。这种升压方式经常用于高电压、小电流的场合。

2.1.4 电压电流反馈电路

反馈信号的处理至关重要，一旦反馈信号得不到合适的处理，将导致整个电源设计的失败。该反馈电路使用AD620 和LT1014CN 芯片组成闭环控制。

AD620 是一款低功耗的仪表放大器[10]，经过AD620 放大后的小信号畸变率很小，很适合做小信号的前置放大。LT1014CN 是首款14 针工业标准配置的精准四通道运算放大器，与单通道运算放大器相比，具有低偏置电压、高增益、低电流和低噪音的特色。

反馈电路使用采样电阻直接采样的方式，取样的方法是通过在输出端上并联电阻，然后经过将高压经大电阻串联衰减的方式实现。

文中采用相加的方法来控制PWM反馈的模式[11]。工作原理如下：电流信号Ui和电压误差信号Ue汇总在一起组成一个总的信号U∑，与RT、CT产生的基波进行比较。相加的方法控制PWM 的好处是响应速度快，输出滤波以及动态过冲电容小，电源并联时均流控制效果好[12]；弊端是在对电流、电压采样时应进行高频噪音控制。解决方法是在升压变压器二次侧添加磁环，可以很好地抑制高频噪声。

取样的电压信号kV-FDBK 反馈回运算放大器LT1014CN 的同相输入端；经过四通道、精密运算放大器LT1014CN 进行隔离和反向放大[13]，然后作为差分放大器的反相端输入信号，差分放大器同相端输入参考电压，得到电压误差信号Ue；采样电流信号先经过AD620 组成的射频干扰电路，再经过LT1014CN组成的PI 调节器，得到电流误差信号Ui；电压信号和电流信号相加输入电压调整器，调整器的输出端接入SG3525AN 的comp 引脚。

电压反馈电路原理[14]如下：当采样电压高于参考电压时，表示输出电压偏高，需要适当降低驱动电路中MOSFET 的PWM 波形占空比；当采样电压小于参考电压时，说明输出电压偏低，需要增大驱动电路中MOSFET 的PWM 波形占空比。

2.2 灯丝电源电路

灯丝电源的用途就是产生一定的电流对射线管内部的灯丝进行升温，让灯丝散发出充分的电子[15]。灯丝电流通常是高频低压交流，一般使用脉宽调制方式控制灯丝电流。该设计灯丝电源输出电压为5 V，电流为1.8 A。

文中灯丝电流的主要任务包括以下几个方面：

1）按设定值提供所需灯丝电流；

2）把灯丝电流采样值反馈给芯片UC3526；

3）检测灯丝电路是否存在问题。

2.2.1 核心电路结构

灯丝电源选用推挽结构作为驱动电路。推挽电路设计十分简洁，电源利用率高，虽然输入的电压很小，但是能够输出很大的功率，同时在变压器副边引入谐振电路减少噪声。由于推挽电路需要一组相反相位的PWM 波驱动[16]，所以文中采用能输出两路PWM 波的芯片UC3526。

UC3526 是一款稳压脉宽调制器，是通过反馈电流控制脉宽的芯片，主要具有以下特性：外围电路设计简单、稳压幅度广泛。另外，UC3526 具有软启动、欠压锁定、数字电流限制、双脉冲抑制等功能，还可以驱动大功率MOSFET，有利于组成大功率开关电源。使用UC3526 可以产生固定频率但占空比可变的脉冲信号，控制灯丝电路的MOSFET 来调节灯丝电压，进而达到调节灯丝电流的目的。驱动电路如图4所示。

图4 灯丝电源驱动电路

主电路开关管选用型号为IRF530 的MOSFET。主电路结构图如图5所示。

图5 灯丝电源主电路结构图

2.2.2 闭环控制电路

想要精准决定X 光线量，就需要将X 光线的管电流控制在恒定大小。文中采样使用精密电阻将灯丝电流信号转换为相应的电压信号[17]，然后输入反馈环节，利用闭环反馈达到电流恒定的效果。

图6所示为灯丝电源的闭环反馈电路。取样后的电压信号输入AD620CN 小信号放大器放大，放大后的信号输入PI 调节器的反向输入端；同时管电流经过反向扩大后输入PI 调节器的同相输入端，输出信号输入芯片UC3526 的管脚3 中控制输出PWM 波形的占空比。

图6 灯丝电源反馈电路

3 测试、分析及电路改进

3.1 驱动电路PWM波形测试

图7为驱动波形。高压PWM 波形由SG3525AN产生，而灯丝电流的PWM 波形由UC3526 产生。文中选择频率为30 kHz，输出PWM 波形由示波器测得。当反馈电路稳定后，高压驱动电路PWM 波形如图7(a)所示，灯丝电源的两路互补PWM 波形如图7(b)所示。

图7 驱动波形

3.2 性能测试

图8所示为文中设计的X 射线管专用电源。由于X 射线对人身体有害且实验室条件达不到，所以用可变电阻作为负载进行调试。调节电阻，在电路板相应端口测量出相应的数据，其中输入电压为可变电阻上的电压，记录数据如表1所示。由表1数据可以得出，输入电压与实际电压相差不大，纹波系数为1%，说明设计的控制系统合理；根据电源正常工作下电压与电流的关系，高压电源输出高压0～50 kV连续可调，输出电流0～10 mA 连续可调，输出功率可达50 W，表明高压直流电源设计合理。

图8 X射线管专用电源实物图

表1 性能测试数据

灯丝电源的作用是加热灯丝，灯丝负载实质就是电阻丝，所以对于输出电压的波形要求不大，只要输出功率足够即可。当VIN=24 V 时，IIN=4 A；当VO=5 V 时，IO=1.8 A，纹波≤1%。经过多次实验，灯丝电源均能正常运行。

3.3 故障分析与改进

在实验中出现了高压电源无效的情况，因此对高压电源的高压部分进行了检测。在对高压硅堆、高压电容和高压变压器检测时，并未发现明显问题，但是在对变压器周围进行温度检测时，发现MOS 管和磁元件有发热现象，随后对MOS 管进行仔细检测，发现电源在运行中，MOS 管的GS 两端电压波形异常，在通电的瞬间会出现幅值很小的三角波波形，此时高压电源不能正常运行，给电路板换上新的MOS 管后，高压电源恢复正常运行[18]，所以高压电源的无效主要因为MOS 管过热。针对这个问题，对PCB 板进行元件布局优化和调整变压器参数，问题得以解决。

4 结 论

文中设计的高压专用电源符合X 光机的使用条件，其产生的电压具有高稳定性和高可靠性。通过多次实验与改进，实现对X 光机的高压电源和灯丝电源的实时控制，达到管电压0～50 kV 可调，输出灯丝电流0～1.8 A 可调。当管电压为50 kV 时，其输出功率最大为50 W。X 光机电源正常运行时满足使用需求。