1、一种 X 射线发生装置电流源的设计 杨刚 吴文杰 任峰 西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 西安石油大学电子工程学院 摘 要： 目前工业主要用高能电子轰击金属的方法产生 X 射线。在此设计一种基于开关电源原理的自反馈型直流电流源。该电流源通过 DC-DC 转换芯片 XL4015 为开关电源模块提供可调的直流输入电压, Buck 型开关电源模块为负载提供稳定的电压, 从而流过负载的电流一定。将采样电阻的电压通过 OPA2340 差分放大, 并用 SG3525 反馈给开关电源模块, 从而形成闭环控制。经过试验测试, 该电流源输出稳定, 精度满足产生 X 射线的要求, 且具有效率高、性能
2、可靠、电路简单易懂、成本低廉等优点。关键词： 电流源; 开关电源; X 射线发生器; OPA2340; SG3525; 作者简介：杨刚 (1990) , 男, 陕西汉中人, 在读硕士研究生。研究方向为测试计量理论及应用。作者简介：吴文杰 (1990) , 男, 湖北黄冈人, 在读硕士研究生。研究方向为测试计量理论及应用。作者简介：任峰 (1990) , 男, 湖北随州人, 在读硕士研究生。研究方向为控制科学与工程。收稿日期：2017-03-18基金：西安石油大学全日制硕士研究生创新基金项目 (2015CX140325) Design of a current source for X-ray
3、generatorYANG Gang WU Wenjie REN Feng MOE Key Laboratory of Photo Electricity Gas School of Electronic Engineering, Xian Shiyou University; Abstract： Currently, the method of using high-energy electron to bombard metal is mainly used in industry to generate Xray.A self-feedback type DC current sourc
4、e 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
5、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 outp
6、ut, high efficiency, reliable performance, simple circuit and low cost, and its precision can meet the demand of Xray generation.Keyword： current source; switching power supply; X-ray generator; OPA2340; SG3525; Received： 2017-03-180 引言X 射线是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流, 是波长介于紫外线和 射线之间的电磁波。X 射线具有
7、很强的穿透本领, 能透过许多对可见光不透明的物质, 透过物质后会产生衰减。受高速电子撞击的金属, 会发出 X 射线1。金属靶材料不同, 灯丝产生电子所需的电流也不同。本文所提的 X 射线源为双能级, 灯丝所需电流为 1.2 A 和 1.8 A。在使用过程中, X 射线管会因电子撞击金属靶而产生热1。为了不使整个系统发热更严重, X 射线管的外围电路应减少发热。而目前大多数电流源都采用压控电流源, 该种电流源是采用运放和三极管的结构2。其中, 三极管上会消耗一部分功率而发热, 进而增加 X 射线发生装置的发热。为了避免这种情况, 本文采用效率较高的 Buck 型开关电源结构, 并用 SG3525
8、 对采样电压进行反馈, 实现闭环控制, 从而达到输出稳定的目的。1 系统组成和原理1.1 系统组成本电流源系统可分为稳压电源电路、XL4015 电压转换电路、开关电源电路、差分放大电路、SG3525 反馈电路等部分, 其系统组成如图 1 所示。1.2 系统的工作原理系统通过稳压电源电路向 XL4015 电压转换电路提供 DC 24 V 电压, 向 SG3525反馈电路提供 DC 15 V 电压, 向差分放大电路提供 DC 5 V 电压。XL4015 将 DC 24 V 转换成可调直流电压供给开关电源电路, 开关电源电路采用 Buck 型结构。其输出电压 Vo与输入电压 Vi之间的关系3为 Vo
9、=ViD。其中 D 为开关电源电路中场效应管控制端信号的占空比。通过改变 XL4015 的输出电压, 即改变 Vi, 就可以改变 Vo, 从而可以得到大小不同的输出电流 Io。反馈部分通过采样电阻对输出电流进行采样, 转换成采样电压, OPA2340 组成的电路对其进行差分放大后送给 SG3525, SG3525 将送来的反馈电压与预设电压值进行比较, 根据它们的大小关系调节输出 PWM 波的占空比4, 从而调节开关电源部分的占空比 D, 输出新电流。这样就形成系统的闭环调节, 从而提高了输出电流的稳定性和精度。图 1 系统组成框图 下载原图2 系统硬件各功能模块的设计2.1 XL4015 电
10、压转换电路双能级 X 射线需要两种不同的电流, 开关电源模块的输入应设置成可调, 所以选择 XL4015 电压转换芯片。XL4015 将输入 DC 24 V 转换成合适的电压, 送给开关电源模块。它决定了开关电源模块的输入电压, 在占空比不变的情况下, 也就决定了输出电压, 从而确定了输出电流。该电路输出电压 Vo1=1.25 (1+R2/R3) , 考虑到供电 24 V, 实际输出为 1.5622.5 V。XL4015 外围电路如图 2 所示。图 2 XL4015 外围电路 下载原图2.2 开关电源电路开关电源电路为负载提供稳恒的电压, 从而提供稳恒的电流。此开关电源电路采用 Buck 型结
11、构, 输出 Vo=Vo1D, 随着 Vo1的改变而改变。如图 3 所示, R 8是采样电阻, 选用康铜丝电阻, 阻值随温度的变化较小2, 能准确反映出电流变化;所采电压送给 OPA2340 差分放大。电流表头与负载串联, 用来显示流过负载的电流值。图 3 开关电源电路 下载原图2.3 差分放大电路反馈部分包括差分放大电路和 SG3525 反馈电路.考虑到采样电压较小。一般的放大器对较小电压放大会失效, 选用 OPA2340 轨至轨运算放大器, 单电源满幅度输入输出, 集成了双运放5, 可连接成差分放大。电路如图 4 所示, 由电路可知有以下关系, 式中:V f为电路输出;V +, V-, V
12、1, V 2, V3, V4如图 4 中所标。对于运算放大器6, 有 V1V 1, V2V 2和 V3V 4, 故有:图 4 差分放大电路 下载原图2.4 SG3525 反馈电路差分放大输出电压 Vf输入到 SG3525 误差放大器 (图 5 所示) 的反相输入端 1脚, 作为反馈, 预设电压输入到误差放大器的同相输入端 2 脚, 形成差分输入7。误差放大器的输出端即芯片内部 PWM 比较器的输入端 9 脚经 R20反馈到 1脚, 构成比例调节。当反馈电压 Vf比预设值高时, 输出 PWM 波的占空比减小, 开关电源电路中的 MOS 管导通时间缩短, 从而输出电压下降, 输出电流减小;反之,
13、当反馈电压 Vf低于预设值时, 开关电源输出电压上升, 输出电流增大。因此, 通过调节 MOS 管驱动信号占空比, 从而达到稳定输出电流的目的7。图 5 SG3525 连接图 下载原图2.5 稳压电源电路稳压电源采用三端稳压器 7805, 7815 构成, 为电路中各芯片供电。3 控制纹波措施由于本设计采用的是开关电源方案, 在效率高的同时, 也带来了纹波大的问题8。经过一些滤波措施, 有效降低了纹波。分析产生纹波原因, 主要有:(1) MOS 管导通关断瞬间, 产生尖峰脉冲;(2) 电感电容储能放电过程会产生三角波。针对原因 (1) , 在 SG3525 输出端 OUTA 与 MOS 管栅极
14、之间加一个电阻。这个电阻阻值如果较大, 则会产生较大的压降, 栅极的电压不足以使 MOS 管导通;阻值如果较小, 则栅极电压跳变陡峭情况未有效改变。综合考虑并经过试验验证, 1.5 k 阻值比较合适, 这样 MOS 管的导通会变得平缓。未进行改进的输出波形如图 6 所示, 加电阻后的波形如图 7 所示, 可看出输出纹波有减小。图 6 电路未改进的输出波形 下载原图针对原因 (2) , 将电感 L2换成 50 m H, 并在 C24旁并 4 个 330F 的极性电容, 在负载旁并 3 个 330F 的极性电容。加电容滤波后的波形如图 8 所示。图 7 加电阻后输出波形 下载原图图 8 加电容滤波
15、后输出波形 下载原图将上述滤波措施结合起来, 输出电压明显稳定, 负载也就获得了稳恒的电流。滤波后的最终波形如图 9 所示。图 9 滤波后最终输出波形 下载原图4 系统测试将 X 射线管加在本系统上进行测试, 用示波器测量输出波形, 得出各电流值下的纹波电压, 检测结果如表 1 所示。由表 1 可看出, 在高低能级 X 射线源所需的 1.8 A 和 1.2 A 时, 系统输出稳定, 纹波较小, 满足 X 射线产生条件。求的电流源。表 1 测试数据 下载原表 5 结语本设计是采用开关电源和反馈组合形式的电流源, 为 X 射线源提供稳恒的电流。大多数电流源采用压控电流源, 三极管上的功耗较大, 发
16、热严重。而本电流源采用反馈型输入可调的开关电源结构, 效率高, 输出稳定, 避免了发热严重的问题。实际测试表明, X 射线管能正常工作, 温度正常, 此设计是一个符合实际应用要参考文献1马文蔚, 解希顺, 周雨青.物理学M.北京:高等教育出版社, 2006. 2范新强, 姚兴辉.基于单片机控制的高精度直流电流源系统的开发J.工矿自动化, 2006 (6) :49-50. 3梁适安.开关电源理论与设计实践M.北京:电子工业出版社, 2013. 4Motorola.SG3525A/SG3527A pulse width modulator control circuitsEB/OL.1996-05
17、-23.http:/. 5Texas Instruments.OPA340/OPA2340/OPA4340 single-supply, rail-to-rail operational amplifiersEB/OL.1997-12-05.http:/. 6柴西林, 史亚盼, 杜丽霞.一种高精度闭环数控直流电流源的研制J.实验室研究与探索, 2015, 34 (2) :75-80. 7牟翔永, 张晓春, 林刚, 等.基于 SG3525 的大电流低电压开关电源设计J.电测与仪表, 2013, 50 (4) :120-124. 8陈纯锴.开关电源原理、设计及实例M.北京:电子工业出版社, 2012:14.
