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近红外激光电源设计和应用

近年来快速发展的近红外光学层析(OpticalComputer Tomography)成像技术是一种新兴的对生物活体无辐射伤害的医学成像技术,在生物医学界得到广泛的研究和应用。不同于X-ray在生物组织中的直线传播,近红外光在生物组织中传播时不但有吸收,还有散射。吸收和散射的程度与入射波长有关,对于波长介于600~1100nm的近红外光,乳腺组织体现出强散射和弱吸收效应,典型的散射系数和吸收系数分别为μs≈102~103cm-1和μa≈10-2~10-1cm-1。
这样肿瘤组织和正常组织在各个光谱段散射和吸收系数的差异为有效发现肿瘤提供了高对比度的信号。
而用于近红外光学层析成像的近红外激光器要求光强稳定,可以随意调节光强的强度,并能够长时间工作。为了能够满足激光器的要求得到稳定的600~1300nm波段的近红外光,我们设计了可以输出恒定的电流并且电流可以调节的近红外激光电源。
 
电源设计的要求
(1)输入电压   195V~265V
(2)稳压部分输出电压    5V
(3)稳压部分输出纹波电压≤-2% ~ +5%(4.9V~5.25V)
(4)稳压部分输出噪声电压≤80mV(50mV)
(5)稳流部分输出电流   300mA~1500mA
 
设计原理图与电源电路
近十年来,开关电源在很多医疗设备中得到广泛应用。开关电源有很多优点,他抛弃了传统的工频变压器,使用高频的电子震荡电路。与同容量线性稳压电源比较,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点。
考虑到开关电源的电压稳定的特点,我们设计了由5V稳压电路和输出稳流电路组成的电源,其中5V稳压电路是利用开关电源的优点,选择了美国动力公司的TOP232P芯片,电路采用三端隔离反激式脉宽调制开关电源,并且采用连续工作模式。在得到稳定的5伏电压以后,利用元件LM 317的特性设计了一个恒流源以达到稳定电流输出和电流可调的目的。图1是恒流源的设计原理方框图。
 
稳压部分
  1. 及控制电路
选择美国动力公司的TOP 232P 芯片,电路采用三端隔离反激式脉宽调制开关电源,并且采用连续工作模式。
TOPSwitch232在一块CMOS芯片中集成了高压功率MOSFET、PWM控制器、故障自动保护和所有其他控制电路,还可以通过多功能引脚实现可编程过压、欠压关断设定和降低前馈、最大占空比(Dcmax)。其中漏极脚D接变压器端,它是高压功率MOSFET漏极引脚的输出;多功能引脚M通过电阻R1可对输入电压进行检测,实现过压关断、欠压保护并降低Dcmax的前馈;控制脚C是用于占空比控制的误差放大器和反馈电流的输入脚,它与内部并联稳压器相连接,提供正常工作时的内部偏置电流,也用作电源旁路和自动重启动和补偿电容的连接点;源极脚S是MOSFET(与高压功率回路连接)的源极引脚的输出,初级控制电路的公共点和参考点。
恒流源的设计原理
(2)箝位保护电路
变压器前段电路由VR1(P6KE200,瞬时电压抑制二极管,反向击穿电压为200V)和D2(阻塞二极管UF4007,最高反向工作电压可达1KV)组成的箝位保护电路,作用是将高频变压器漏感产生的尖峰电压箝位到安全值。L2、C9构成LC滤波器抑制从电网引入的高频干扰,C9可减少由初级电流的基波与协波所产生的干扰,因此同时也降低了模块所产生的噪声。
简单的恒流源电路
(3)噪声共模抑制电路
输出端采用DC整流滤波,在DC后再加一级LC滤波。D1、C3是对变压器输出进行整流滤波。C3是输出滤波电容,同时也为输出提供回路电流补偿,为了减小电路上的纹波电流,可将几只滤波电容并联使用,降低电容的r0值和等效电感L0;D1是一个肖特基二极管SBL25L30CT,最大正向电流为25A,最大峰值反向电压为30V,在0.1mA-1A之间,正向压降为0.3V-0.5V之间。为了使输出端的纹波电压在规定值以内,应再增加一级LC滤波器,即C5、L1,对于1A以内的小电流,可采用穿心电感为3.3uH的磁珠替代L1,C4是滤高频的小电容。
(4)反馈电路
反馈端电流很小,因此DC滤波器的整流管可采用正向电流较小的1N4148。
反馈电路采用配TL 431的光耦反馈电路,输出电压通过分压反馈到TL 431的输入端,与TL 431的基准电压(2.5V)比较,控制TL 431的电流从而控制光耦的前向端电流,光耦再对反馈线圈上的电流进行控制,即控制TOPS witch 232的控制脚上的电流,TOPS witch232 根据此电流调整占空比(反比关系),从而达到反馈的作用。
(5)补偿电路
R5、C10为初级端提供补偿,并且滤除加在控制端上的尖峰电流。C10可为门驱动级提供电流,并且可决定芯片自动重启动的频率。R2接在光耦的输入端可限制光耦的控制端输入电流,R6确保光耦在最小电流时TL 431有足够的工作电流。C9为TL 431提供补偿,C11起电路软启动的作用,防止电路刚接通电源时,输出电压产生过冲:电流对C11充电,两端电压逐渐升高,TL431逐渐进入正常工作状态,输出电压在初始上电时缓慢上升。C12是保护电容,用于滤除初次级耦合电容所产生的干扰。
 
稳流部分
当输入电压稳定,可由下面的简单的恒流源电路来实现电流可调。
对于LM317,它的OUT端与ADJ端之间的输出电压为内部的基准电压,约为1.25V。因此通过计算可以得到OUT端的电压为Vout=Vref(1+R3/R2),其中R2为680欧姆电阻、R3为阻值500欧姆的电位计,Vref是内部基准电压1.25伏。通过对R3的调节来实现对OUT端与RTN1端之间电压的控制。
当接入红外发光管,电路正常运转时,三级管Q1的发射级正偏、极电级反偏,管子工作在工作区。BE端的电压恒定,约为0.9伏,并且可以近似认为发射级的电流和极电级的电流相等(基级电流相对于其他两级电流来说很小)。即输出端的电流与流过1欧姆电阻R1的电流相等。R1两端的电压是Vout减去BE端电压。因此整个电路通过对R3的调节实现0~1.5A的输出电流。
 
试验结果
试验结果
见表1。电源上电,接入负载并串上2A电流计(用于观察电流变化),发现红外发光管正常发光,且光强稳定。调节电位器,电源输出从300mA~1.5A可调。通过长时间的工作,芯片散热正常,工作良好。
 
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