CN105162356B - 一种电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，驱动超声换能器发出超声波，包括：电压控制模块，接收电压控制信号和输入电压信号，处理后输出直流电压；相位控制模块，接收相位控制信号，处理后输出MOSFET驱动信号；全桥谐振模块，接收所述直流电压和MOSFET驱动信号，处理后输出高压浮空正弦模拟信号，驱动超声换能器。与现有技术相比，本发明具有仅需要不大于4根的数字控制信号，就可设定指定的电压和相位，且这几个数字控制信号均可通过FPGA直接产生，简单可靠，多路易于并联，系统集成度高，设计灵活易用。

Description

一种电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路

技术领域

本发明涉及一种超声驱动电路，尤其是涉及一种电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路。

背景技术

现有可调电压和相位的超声驱动电路，往往有着各自的缺点：

1、有的超声驱动电压调整电路使用数控电阻调整分压，或者使用数控DAC生成模拟基准电压，来影响和调整DC/DC控制芯片的输出电压。其设定的电阻值和想要的电压值呈非线性关系，需要软件进行计算或者硬件电压电阻映射表查表实现，实现复杂且精度较差。

2、通过E类功放或半桥电路来实现的超声驱动电路，波形较差，谐波较高，且对波形调整发方法有限。很难满足国家电磁兼容标准里对EMI发射的限制，以及磁共振房间里面对较低磁共振干扰的需求。

3、使用线性运放，输入小的正弦模拟信号，输出幅值增大的正弦模拟信号，来实现超声驱动电压的放大的电路，因为属于AB类运放，电转换效率在往往在70％以下。较低的转换效率，导致发热量大，散热需求高，占用体积较大。

4、使用多个组成正交集的基准相位，对每个相位，通过设定数控电阻阻值设定该相位的幅度值，然后将不同幅度的基准相位，通过运算放大器进行线性叠加，生成任意幅度任意相位正弦波信号的电路。虽然解决了EMI的问题，但电路需要设定的数控电阻数往往大于四个，且输入信号存在模拟正弦波信号，整体控制电路复杂，不易大规模并联。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，驱动超声换能器发出超声波，包括：

电压控制模块，接收电压控制信号和输入电压信号，处理后输出直流电压；

相位控制模块，接收相位控制信号，处理后输出MOSFET驱动信号；

全桥谐振模块，接收所述直流电压和MOSFET驱动信号，处理后输出高压浮空正弦模拟信号，驱动超声换能器。

所述电压控制模块包括数控电阻、电压跟随电路、加减法运算电路、电压采样电路和电源控制芯片，所述数控电阻输入端连接电压控制信号，数控电阻输出端、电压跟随电路、加减法运算电路、电压采样电路依次连接，所述电源控制芯片输入端分别连接输入电压信号和加减法运算电路，电源控制芯片输出端与电压采样电路连接；

电压控制信号控制数控电阻阻值，经电压跟随电路输入加减法运算电路，电源控制芯片的输出电压信号被电压采样电路采集后也输入加减法运算电路，加减法运算电路将接收到的信号进行线性运算后生成电压反馈信号传输给电源控制芯片，电源控制芯片根据输入电压信号和电压反馈信号输出直流电压。

所述电压控制信号通过SPI总线、I2C总线或UP/Down控制线传输给数控电阻。

所述相位控制模块包括相连接的隔离电路和MOSFET驱动电路，所述MOSFET驱动电路与全桥谐振模块连接；

相位控制信号经隔离电路传输给MOSFET驱动电路，MOSFET驱动电路向全桥谐振模块输出MOSFET驱动信号。

所述MOSFET驱动电路输出MOSFET驱动信号的方式包括1线方式、2线方式或4线方式。

所述全桥谐振模块包括MOSFET组件、变压器、匹配电感、匹配电容和传输线缆，所述MOSFET组件的输入端分别连接电压控制模块和相位控制模块，输出端与变压器原边连接，所述变压器副边串联匹配电感和匹配电容后与传输线缆连接，所述传输线缆与超声换能器连接；

MOSFET组件根据电压控制模块的直流电压和相位控制模块的MOSFET驱动信号生成输出信号传送给变压器原边，变压器副边将转化后的电压、电流传输给超声换能器，匹配电感、匹配电容、传输线缆以及超声换能器组成谐振电路。

所述MOSFET组件包括多个MOSFET。

N路所述全桥谐振超声驱动电路并联组成驱动电路组驱动N个超声换能器，所述驱动电路组连接有电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块，所述电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块通过一主机通讯控制模块与主控机连接；

所述主控机通过主机通讯控制模块控制电压控制信号生成模块生成N个电压控制信号，同时控制相位控制信号生成模块生成N个相位控制信号。

所述主机通讯控制模块、电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块由一块单片机+1个FPGA实现，或由1块单片机+两个FPGA实现，或由SoC+FPGA芯片实现。

所述驱动电路组连同相应的电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块组成超声驱动板，M个所述超声驱动板并联驱动M×N个超声换能器，M个超声驱动板并联后与主控机连接，主控机与M个并联超声驱动板间连接有通讯组件和板级同步电路，

所述通讯组件由依次连接的光纤、交换机和Ethernet通讯总线组成，或由依次连接的PCI总线、PCI通讯卡和RS485/RS232组成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)电压控制模块通过电压跟随电路、电压采样电路以及加减法运算电路的设计，使数控电阻阻值和电压设定值呈线性关系，便于使用。

2)电压控制模块通过电压跟随电路、电压采样电路以及加减法运算电路的设计，使数控电阻免受高压输出电压击穿的影响，安全稳定。

3)相位控制模块只需2根相位信号的输入方式，拥有可调的死区时间，既降低了系统的并联成本，又兼顾了安全性。

4)相位控制模块通过调整相位信号的占空比，从而改变输入到变压器原边信号的实际占空比，使之更接近正弦波，降低EMI发射，降低系统对外界的干扰，同时提高系统电效率。

5)全桥谐振模块使用多个独立MOSFET的数字运放，控制简单，电效率较常用的AB类线性运放有很大提高，省去了AB类运放所需要使用的巨大的散热片，体积占用小，并联简单。

6)全桥谐振模块使用变压器的漏感作为谐振匹配电路的匹配电感，节省了匹配电感，简化系统设计。

7)仅需要不大于4根数字控制信号，就可设定指定的电压和相位，且这几个数字控制信号均可通过FPGA直接产生，简单可靠，易于并联。

8)电压控制信号生成模块通过查表，对各个超声驱动电路因电阻精度、运放失真产生的误差进行补偿，提高电压设定精度。

9)相位控制信号生成模块对各个超声驱动电路因走线延时、驱动能力产生的相位误差进行补偿，提高相位设定精度。

10)电压控制信号生成模块可同时对多路超声驱动电路并行监控，对发生故障的通道、检测到电压/电路/功率/温度/峰峰值/相位等偏离设定值、或接近警戒值时，及时关闭该路超声驱动电路，使系统响应迅速，安全可靠。

11)多路全桥谐振超声驱动电路并联时，通讯控制模块、电压控制信号生成模块、相位控制信号生成模块三个模块可在一个FPGA+SoC芯片内实现，系统集成度高，设计灵活易用。

12)多个超声驱动板并联时，可采用交换机扇出M路通讯总线的方式，保证通讯速度的同时，实现简单易用。

13)本全桥谐振超声驱动电路可采用两层并联方式，使超声驱动电路易于并联到上千路，并且在大规模并行的时候，依然能并行实时控制每一个超声驱动电路，系统扩大规模的同时，不损害系统性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明电压控制模块的结构示意图；

图3为本发明全桥谐振模块的结构示意图；

图4为本发明采用的1/2/4线输入与输出波形时序图；

图5为第一层次并联示意图；

图6为第二层次并联示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，驱动超声换能器4发出超声波，包括电压控制模块1、相位控制模块2和全桥谐振模块3，电压控制模块1接收电压控制信号和输入电压信号Vin，处理后输出直流电压；相位控制模块2接收相位控制信号，处理后输出MOSFET驱动信号；全桥谐振模块3接收直流电压和MOSFET驱动信号，处理后输出高压浮空正弦模拟信号，驱动超声换能器4。

1、电压控制模块

如图2所示，电压控制模块1包括数控电阻101、电压跟随电路102、加减法运算电路103、电压采样电路104和电源控制芯片105，数控电阻101输入端连接电压控制信号，数控电阻101输出端、电压跟随电路102、加减法运算电路103、电压采样电路104依次连接，电源控制芯片105输入端分别连接输入电压信号和加减法运算电路103，电源控制芯片105输出端与电压采样电路104连接；电压控制信号控制数控电阻101阻值，经电压跟随电路102输入加减法运算电路103，电源控制芯片105的输出电压信号被电压采样电路104采集后也输入加减法运算电路103，加减法运算电路103将接收到的信号进行线性运算后生成电压反馈信号传输给电源控制芯片105，电源控制芯片105根据输入电压信号Vin和电压反馈信号输出直流电压Vadj。

电压控制信号通过SPI总线、I2C总线或UP/Down控制线传输给数控电阻，优选I2C总线。电源控制芯片105可以是DC/DC电源芯片或LDO电源芯片等，优选DC/DC电源控制芯片。电压跟随电路102、加减法运算电路103、电压采样电路104由多个高速精密轨到轨运放组成。电压跟随电路102和电压采样电路104保护作为敏感器件的数控电阻，防止其被高压输出Vadj击穿。输入电压Vin为常见的直流电压轨，可以是12V、24V、36V、48V等，优选24V作为输入电压，此时输出电压约为0.8V到23.7V。加减法运算电路103使输出直流电压的电压值同数控电阻的设定值呈线性关系，易于通过电压计算需要设定的电阻设定值。

2、全桥谐振模块

如图3所示，全桥谐振模块3包括MOSFET组件301、变压器302、匹配电感303、匹配电容304和传输线缆305，MOSFET组件301的输入端分别连接电压控制模块1和相位控制模块2，输出端与变压器302原边连接，变压器302副边串联匹配电感303和匹配电容304后与传输线缆305连接，传输线缆305与超声换能器4内的压电晶体401连接。MOSFET组件301根据电压控制模块1的直流电压和相位控制模块2的MOSFET驱动信号生成输出信号传送给变压器302原边，变压器303副边将转化后的电压、电流传输给超声换能器4，匹配电感303、匹配电容305、传输线缆305以及超声换能器4组成谐振电路。

MOSFET组件301包括多个MOSFET，可以由4个独立的MOSFET组成，也可以由2个双MOSFET组成。MOSFET组件301的输入为电压控制模块产生的直流电压Vadj，以及4个驱动信号Ga_high、Ga_low、Gb_high和Gb_low，输出信号Vab至变压器的原边。变压器起到绝缘隔离，以及阻抗变换的作用。变压器的绝缘隔离让变压器副边之后的电路浮空，保护了可能和压电晶体有间接接触的患者。变压器的阻抗变换作用，使全桥电路输出的电压和电流在一个合适的范围内。变压器优选高漏感的共模扼流圈，使变压器的漏感充当谐振电路漏感，从而节省了匹配电感，使系统更加简洁高效。

3、相位控制模块

相位控制模块包括相连接的隔离电路和MOSFET驱动电路，MOSFET驱动电路与全桥谐振模块连接；相位控制信号经隔离电路传输给MOSFET驱动电路，MOSFET驱动电路向全桥谐振模块输出MOSFET驱动信号。该模块输入为特定相位的方波信号，输出为Ga_high、Ga_low、Gb_high、Gb_low 4个MOSFET驱动信号。输入信号到4个输出信号的实现过程，有1/2/4线输入信号3种方式。三种方式的输入信号与输出信号波形图如图4所示。

其中，1线输入方式如图(41)所示，输入信号G占空比50％，驱动Ga_low和Gb_high。信号G经过反相后，驱动Ga_high和Gb_low。2线输入方式如图(42)所示，输入相位信号有G1G2相位差180°，占空比小于50％。其中G1驱动Ga_high和Gb_low，G2驱动Ga_low和Gb_high。G1和G2之间同时为低的部分，为可以调整的死区时间。该死区时间确保两个半桥的上下MOSFET不同时导通，降低系统损耗及发热。4线输入如图(43)所示，相位信号分别驱动Ga_low、Gb_high、Ga_high、Gb_low四个信号，得到的输出Vab接近更接近正弦波，减少匹配滤波损耗，提高系统的电效率。

对于三种相位信号输入方式，优选2线输入方式。因为其能够调整死区时间，比1线方式更为安全，同时比4线输入方式降低了50％的相位信号线，使多路超声驱动电路易于大规模并联。

上述全桥谐振超声驱动电路易于并联，可采用两层并联方式。

4、第一层并联

对于小于N路的超声驱动电路，可以按照图5的方式进行并联，N优选64或者128路。N路全桥谐振超声驱动电路并联组成驱动电路组驱动N个超声换能器，驱动电路组连接有电压控制信号生成模块5和相位控制信号生成模块6，电压控制信号生成模块5和相位控制信号生成模块6通过一主机通讯控制模块7与主控机8连接；主控机通过主机通讯控制模块控制电压控制信号生成模块生成N个电压控制信号，同时控制相位控制信号生成模块生成N个相位控制信号。

主控机可以是PC、服务器或者嵌入式电脑。通讯总线可以是Ethernet、CAN总线、USB、PCI或者RS485，优选Ethernet。主机通讯控制模块、电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块由一块单片机+1个FPGA实现，或由1块单片机+两个FPGA实现，或由SoC+FPGA芯片实现。当使用两个FPGA实现方案时，电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块，可共用相同的FPGA板卡，简化硬件设计。优选使用ZYNQ类似的SoC+FPGA1块芯片，实现这三个模块，集成度高，设计灵活性高。

每块单路超声驱动电路，最少只需要小于4个的数字信号，包括1个单独的电压控制总线数据信号，1个共用的电压控制总线时钟信号，2个单独的相位控制信号。N路超声驱动电路并联，简单易实现。

每块单路超声驱动电路板，内置直流电流/电压/功率检测，MOSFET/变压器的温度检测，压电晶体驱动高压正弦波信号相位检测，峰峰值检测，以及电流检测。这些检测器件和电压控制信号共用I2C总线，在两次电压控制的间隔，电压控制信号生成模块里面的监控部分，读取这些检测器件的数据。当这些数据超出预设的阈值时，电压控制信号生成模块，通过挂载在电压控制信号I2C总线上的I2C转GPIO芯片，关闭电压控制模块，或者MOSFET驱动模块。由于多路监控并行执行，可以及时发现单路超声驱动电路的故障，及时关停该路电路，提高系统的安全性。

电压控制信号生成模块中，内置每路超声驱动电路的电阻电压映射表，补偿因为电压控制模块里面电阻精度和运放失真带来的误差。该映射表可通过主控机动态写入到电压控制信号生成模块中。

相位控制信号生成模块中，对每路超声驱动电路的相位控制信号延时进行补偿。这些补偿由PCB走线不等长，或驱动信号上升/下降沿波形不一致产生。这些补偿由两种方式实现：对于ns级别的延时误差，调整相位设定值，进行校准。对于ps级别的延时误差，调整输出管脚的ODELAY设置，进行校准。

5、第二层并联

对于小于L＝M×N路的超声驱动电路，可以按照图6的方式进行并联，M是从2到48，L从选从128到3072路。驱动电路组连同相应的电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块组成超声驱动板，M个超声驱动板并联驱动M×N个超声换能器，M个驱超声驱动板并联后与主控机连接，主控机与M个并联超声驱动板间连接有通讯组件和板级同步电路10。通讯组件由依次连接的光纤、交换机和Ethernet通讯总线组成，或由依次连接的PCI总线、PCI通讯卡和RS485/RS232组成。优选“光纤——交换机——Ethernet通讯总线”的实现方式，主控机8通过光纤信号连接到交换机9，如图6所示。交换机扇出M路通讯总线信号，控制M路超声驱动板，当M数值增加时，仅提高交换机的路数就可实现，实现方式简单，易于集成。

M个超声驱动板之间通过板级同步电路10进行协调。板级同步电路由三个部分组成，分别是：通讯控制电路、低偏移时钟分配网络和同步触发信号。其中通讯控制电路和主控机进行通讯，接收主控机的控制。低偏移时钟分配网络为各个超声驱动大板提供时钟基准。同步触发信号为各个超声驱动大板，提供同步指令。

采用第一层次并联以及第二层次并联结合的方式，使超声驱动电路易于并联到上千路，并且在大规模并行的时候，依然能并行实时控制每一个超声驱动电路。系统扩大规模的同时，不损害系统性能。

Claims (7)

1.一种电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，驱动超声换能器发出超声波，其特征在于，包括：

电压控制模块，接收电压控制信号和输入电压信号，处理后输出直流电压；

相位控制模块，接收相位控制信号，处理后输出MOSFET驱动信号；

全桥谐振模块，接收所述直流电压和MOSFET驱动信号，处理后输出高压浮空正弦模拟信号，驱动超声换能器；

所述相位控制模块包括相连接的隔离电路和MOSFET驱动电路，所述MOSFET驱动电路与全桥谐振模块连接，相位控制信号经隔离电路传输给MOSFET驱动电路，MOSFET驱动电路向全桥谐振模块输出MOSFET驱动信号；

所述MOSFET驱动电路输出MOSFET驱动信号的方式包括2线方式；

所述电压控制信号和相位控制信号均为数字控制信号；

所述电压控制模块包括数控电阻、电压跟随电路、加减法运算电路、电压采样电路和电源控制芯片，所述数控电阻输入端连接电压控制信号，数控电阻输出端、电压跟随电路、加减法运算电路、电压采样电路依次连接，所述电源控制芯片输入端分别连接输入电压信号和加减法运算电路，电源控制芯片输出端与电压采样电路连接；

电压控制信号控制数控电阻阻值，经电压跟随电路输入加减法运算电路，电源控制芯片的输出电压信号被电压采样电路采集后也输入加减法运算电路，加减法运算电路将接收到的信号进行线性运算后生成电压反馈信号传输给电源控制芯片，电源控制芯片根据输入电压信号和电压反馈信号输出直流电压。

2.根据权利要求1所述的电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，其特征在于，所述电压控制信号通过SPI总线、I2C总线或UP/Down控制线传输给数控电阻。

3.根据权利要求1所述的电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，其特征在于，所述全桥谐振模块包括MOSFET组件、变压器、匹配电感、匹配电容和传输线缆，所述MOSFET组件的输入端分别连接电压控制模块和相位控制模块，输出端与变压器原边连接，所述变压器副边串联匹配电感和匹配电容后与传输线缆连接，所述传输线缆与超声换能器连接；

MOSFET组件根据电压控制模块的直流电压和相位控制模块的MOSFET驱动信号生成输出信号传送给变压器原边，变压器副边将转化后的电压、电流传输给超声换能器，匹配电感、匹配电容、传输线缆以及超声换能器组成谐振电路。

4.根据权利要求3所述的电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，其特征在于，所述MOSFET组件包括多个MOSFET。

5.根据权利要求1所述的电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，其特征在于，N路所述全桥谐振超声驱动电路并联组成驱动电路组驱动N个超声换能器，所述驱动电路组连接有电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块，所述电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块通过一主机通讯控制模块与主控机连接；

所述主控机通过主机通讯控制模块控制电压控制信号生成模块生成N个电压控制信号，同时控制相位控制信号生成模块生成N个相位控制信号。

6.根据权利要求5所述的电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，其特征在于，所述主机通讯控制模块、电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块由一块单片机+1个FPGA实现，或由1块单片机+两个FPGA实现，或由SoC+FPGA芯片实现。

7.根据权利要求5所述的电压相位可调且易于并联的全桥谐振超声驱动电路，其特征在于，所述驱动电路组连同相应的电压控制信号生成模块和相位控制信号生成模块组成超声驱动板，M个所述超声驱动板并联驱动M×N个超声换能器，M个超声驱动板并联后与主控机连接，主控机与M个并联超声驱动板间连接有通讯组件和板级同步电路，

所述通讯组件由依次连接的光纤、交换机和Ethernet通讯总线组成，或由依次连接的PCI总线、PCI通讯卡和RS485/RS232组成。