CN111077936B - 一种可编程自校准正电压恒功率输出电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可编程自校准正电压恒功率输出电路及方法，其电路包括控制核心单元、可编程正电压生成单元、正电压检测单元和电流检测单元，所述控制核心单元通过预设的负载值以及设定的功率值进行计算校准，所述可编程正电压生成单元用于接收控制核心单元设置的正电压信号并经处理调整后输出正电压值，所述正电压检测单元用于采集输出的正电压，并将采集的电压反馈给控制核心单元，所述电流检测单元用于采集流经负载的电流值，并将该电流值送入到控制核心单元。本发明根据HIFU设备预设的输出功率和自动测定的实际负载大小计算出需要设定的电压值，并通过校准补偿元器件精度造成的误差，从而输出精确的正电压值，以实现准确的恒功率输出。

Description

一种可编程自校准正电压恒功率输出电路及方法
技术领域
本发明涉及一种用于HIFU设备的恒功率电源电路，具体是一种可编程自校准正电压恒功率输出电路及方法，属于聚焦超声领域。
背景技术
可编程电源作为一种采用上位机控制的电路，是HIFU(高强度聚焦超声)设备中必不可少的组成部分。可编程电源输出功率的准确度直接影响到HIFU设备治疗有效性和安全性。目前的HIFU设备在工作过程中,控制系统会根据用户设定的治疗功率，从系统配置中读取出对应的电压设定参数，并下发到可编程电源电路中输出相应的电压。但是由于换能器的生产工艺的制约，每一个换能器的等效负载大小无法做到完全一致，存在个体差异，依据预设的电压设定参数无法保证精确的输出设定的治疗功率值，从而无法保证HIFU设备的治疗效果。同时，由于硬件元器件的精度问题，会进一步的增加实际输出功率值与设定值之间的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可编程自校准正电压恒功率输出电路及方法，该电路可根据HIFU设备预设的输出功率和自动测定的实际负载的大小计算出需要设定的电压值，并通过逐次逼近校准补偿元器件精度造成的误差，从而输出的精确的正电压值，以实现准确的恒功率输出，从而使HIFU设备准确输出治疗功率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种可编程自校准正电压恒功率输出电路，该电路包括控制核心单元、可编程正电压生成单元、正电压检测单元和电流检测单元，所述可编程正电压生成单元的输入端连接控制核心单元的输出端，可编程正电压生成单元的输出端分别连接负载和所述正电压检测单元的输入端，正电压检测单元的输出端连接控制核心单元的输入端；所述可编程正电压生成单元用于接收控制核心单元设置的正电压信号并经处理调整后输出正电压值，所述正电压检测单元用于采集可编程正电压生成单元的输出电压，并将采集的电压值处理后输送给控制核心单元进行计算校准，所述电流检测单元用于采集流经负载的电流值，并将采集的信号处理后送入到控制核心单元。
进一步的，所述控制核心单元与上位机连接并且其采用FPGA作为控制芯片，FPGA通过SPI总线控制可编程正电压生成单元中的DAC芯片，DAC芯片输出对应的模拟电压值，经模拟信号处理电路处理后输出调制电压Vref并送至可编程DC-DC电路中。
进一步的，所述可编程正电压生成单元包括DAC电路、模拟信号处理电路和DC-DC电路，所述DAC电路接收控制核心单元设置的正电压数字信号值，经数模转换，输出相应的模拟信号；所述模拟信号处理电路对模拟信号进行信号调理和运算，得到处理后的模拟信号；所述DC-DC电路根据输入的处理后的模拟信号，生成相应的正电压。
更进一步的，所述DAC电路中采用AD5683作为数模转换芯片；所述DC-DC电路采用SEPIC拓扑结构，且DC-DC电路中电源管理控制芯片U1采用LT3758A。
进一步的，所述正电压检测单元包括分压电路和ADC电路，所述分压电路用于采集可编程正电压生成单元的输出电压，并将该输出电压经分压、滤波后送入ADC电路，所述ADC电路将接收到的模拟电压信号转换为数字信号送入控制核心单元。
进一步的，所述电流检测单元包括电流采集电路、信号放大电路和ADC电路，所述电流采集电路中通过采样电阻与负载串联，采集流经负载的电流值，并将原始电流值转换为电压值；所述信号放大电路将采集和转换后得到的模拟电压信号放大到一定的幅值；所述ADC电路将经信号放大电路处理后的模拟电压信号转换为数字信号送入到控制核心单元。
另一方面，本发明还提供了一种可编程自校准正电压恒功率输出方法，其包括以下步骤：
(1)控制核心单元根据上位机预设的功率值P、系统预设的负载大小R0计算出预估的正电压设置值V0；
(2)根据预估的正电压设置值V0进一步计算出可编程正电压生成单元中需要配置的调制电压Vref，以及所需要的DAC配置参数D；
(3)将计算出的DAC配置参数D输入可编程正电压生成单元，用于实现预估的正电压设置值V0输出，此时可编程正电压生成单元实际输出的预估电压为V0x
(4)正电压检测单元将步骤(3)中实际输出的预估电压V0x反馈到控制核心单元；
(5)控制核心单元根据正电压检测单元反馈的实际输出的预估电压V0x，计算实际输出的预估电压V0x与预估的正电压设置值V0的偏差，如偏差满足要求，不进行校准，执行步骤(6)，如不满足要求，进行首次校准，然后重复步骤(2)、(3)和(4)，直至满足要求；
(6)校准满足后，控制核心单元根据正电压检测单元反馈的校准后的实际输出的预估电压V0x和电流检测单元反馈的电流实测值，计算出负载的实际大小Rz，并根据预设的功率值P、负载的实际大小Rz计算实际需要配置的正电压设置值V1；
(8)控制核心单元根据实际需要配置的正电压设置值V1重新计算出可编程正电压生成单元中需要配置的调制电压Vref，以及所需要的DAC配置参数D；
(9)将重新计算出的DAC配置参数D输入可编程正电压生成单元，此时可编程正电压生成单元实际输出的正电压为V1x，然后正电压检测单元将该实际输出的正电压V1x反馈到控制核心单元；
(10)控制核心单元根据正电压检测单元反馈的实际输出的正电压V1x，计算实际输出的正电压V1x与实际需要配置的正电压设置值V1的偏差，如偏差满足要求，不进行校准，如不满足要求，进行校准，然后重复步骤(8)和(9)，直至满足要求，按照预设的功率值P恒功率输出。
进一步的，所述调制电压Vref通过以下公式计算得出：
Figure GDA0003117355780000031
其中，Vfb是DC-DC芯片U1的固有参数，R1、R2是反馈分压电阻。
进一步的，所述DAC配置参数D通过以下公式计算得出：
Figure GDA0003117355780000032
其中，bit是DAC芯片的分辨率，Gain是DAC芯片的增益，VDACREF是DAC芯片的基准电压值。
进一步的，所述校准中，采用逐次逼近的方法进行精度补偿。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
(1)可根据上位机设定的功率值，自动补偿负载误差、元器件精度误差，实现精确的恒功率输出；
(2)根据电压实测值，采用逐次逼近校准达到预期的电压值输出，从而补偿元器件精度造成的误差；
(3)根据电压实测值和电流实测值，计算实际负载大小，从而补偿实际负载的偏差造成的误差。
综上，本发明可测量出实际负载的大小，并根据HIFU设备的输出功率和实际负载的大小，自动校准输出的正电压值，以实现准确的恒功率输出，从而使HIFU设备准确输出治疗功率。
附图说明
图1是电路整体架构图。
图2是可编程正电压生成单元电路框图。
图3是SEPIC拓扑DC-DC电路图。
图4是正电压检测单元电路框图。
图5是电流检测单元电路框图。
图6是编程自校准恒功率输出过程流程图。
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。
实施例一。
一种可编程自校准正电压恒功率输出电路，该电路的拓扑结构如图1所示，包括控制核心单元、可编程正电压生成单元、正电压检测单元和电流检测单元。其中控制核心单元具体使用FPGA完成，FPGA内部存储着系统预设的负载值R0，并且FPGA通过UART接口接收HIFU设备上位机设定的功率值。
本实施例中，可编程正电压生成单元的拓扑结构如图2所示。FPGA通过SPI总线控制可编程正电压生成单元中的DAC芯片，DAC芯片输出对应的模拟电压值，经模拟信号处理电路处理后输出调制电压Vref。进一步将调制电压Vref接至可编程DC-DC电路中，来调整电路最终输出的正电压值Vout。
其中，DAC芯片是一种将数字信号转变为模拟信号的芯片。
其中，DC-DC电路如图3所示，该电路采用SEPIC拓扑结构，上述调制电压Vref与R1、R2、U1的基准电压Vfb共同参与到SEPIC拓扑计算中，从而实现输出电压Vout的可编程。
其中Vout计算公式见公式1。
Figure GDA0003117355780000041
其中，Vfb是DC-DC芯片U1的固有参数，可以在对应芯片手册中查询。R1、R2是反馈分压电阻，由DC-DC电路的电压输出范围、DAC芯片及模拟信号处理电路的可调制范围计算得到。U1是一种电源管理控制芯片，本实例中U1采用的型号是LT3758A，其他型号的电源管理控制芯片的计算原理类同。
本实施例中采用的DC-DC拓扑结构是SEPIC，但其他DC-DC拓扑结构的计算方式与本实例类同。
本实施例中，正电压检测单元的拓扑结构如图4所示。正电压检测电路中，使用分压电路对输出正电压值进行分压，经滤波处理后输入到ADC电路。ADC芯片将采集到的分压后信号转换为数字信号。FPGA通过SPI接口读取ADC芯片的采样数据，计算出实测电压值。
本实施例中，电流检测单元的拓扑结构如图5所示。电流检测单元中，I-V转换电路使用一组采样电阻，将电流信号转化为原始采样电压信号。经仪表放大器、多级运放电路将原始信号放大一定的倍数，再经过ADC芯片转换为数字信号。FPGA通过SPI接口读取ADC芯片的采样数据，计算出实际的电流值。
实施例二。
一种可编程自校准正电压恒功率输出方法，通过该方法编程自校准恒功率的输出过程如图6所示。
首先，FPGA接收到上位机设定的治疗功率P，读取本地存储的预设负载值R0，计算得出要达到此功率所需的预估正电压设置值V0，计算公式见公式2。
Figure GDA0003117355780000051
其中，P是上位机设定的治疗功率，R0是本地存储的预设负载值。
接着进一步计算出可编程电路中需要配置的调制电压Vref，计算公式见公式3.
Figure GDA0003117355780000052
其中，Vfb是DC-DC芯片U1的固有参数，可以在芯片手册中查询。R1、R2是反馈分压电阻，由DC-DC电路的电压输出范围、DAC芯片及模拟信号处理电路的可调制范围计算得到。
接着进一步计算出输出调制电压Vref所需要的DAC参数D，计算公式见公式4。
Figure GDA0003117355780000053
其中，bit是前文所述DAC芯片的分辨率，Gain是DAC芯片的增益，VDACREF是DAC芯片的基准电压值，这三个参数可在对应DAC芯片手册中查询。
本实例中，DAC芯片选用的是AD5683，bit＝12，Gain＝1，VDACREF＝2.5V，其他DAC芯片的计算原理类同。
接着进一步将计算出的DAC配置参数输入可编程正电压生成单元，从而实现预估正电压V0输出。由于元器件存在精度问题，所以实际输出的预估正电压V0x与理想预估正电压V0之间存在误差，需要进行精度补偿。本发明使用逐次逼近的方法进行精度补偿，补偿过程见图6。进一步的当实际输出的预估正电压V0x满足精度要求之后，电流检测单元检测当前的电流值，从而计算出实际负载值Rz。本实例中所述的精度要求为实际输出的预估正电压V0x与理想预估正电压V0相同或在允许误差范围内。
然后，FPGA通过设定的治疗功率P和实际负载值Rz计算出实际需要的配置正电压V1。其中，V1计算公式与公式2相同，将V0替换为V1即可。再然后，计算出可编程电路中需要配置的调制电压Vref，计算公式与公式3相同，将V0替换为V1即可。
接着进一步计算出输出调制电压Vref所需要的DAC参数D，计算公式与公式4相同。随后，将计算出的DAC配置参数输入可编程正电压生成单元，从而实现配置正电压V1输出。由于元器件存在精度问题，所以实际输出的配置正电压V1x与理想配置正电压V1之间存在误差，需要进行精度补偿。本发明使用逐次逼近的方法进行精度补偿，补偿过程见图6。
最后，完成精度补偿之后，便可输出满足精度需求的配置电压，从而实现精确的恒功率输出。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种可编程自校准正电压恒功率输出方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)控制核心单元根据上位机预设的功率值P、系统预设的负载大小R0计算出预估的正电压设置值V0；
(2)根据预估的正电压设置值V0进一步计算出可编程正电压生成单元中需要配置的调制电压Vref，以及所需要的DAC配置参数D；
(3)将计算出的DAC配置参数D输入可编程正电压生成单元，用于实现预估的正电压设置值V0输出，此时可编程正电压生成单元实际输出的预估电压为V0x；
(4)正电压检测单元将步骤(3)中实际输出的预估电压V0x反馈到控制核心单元；
(5)控制核心单元根据正电压检测单元反馈的实际输出的预估电压V0x，计算实际输出的预估电压V0x与预估的正电压设置值V0的偏差，如偏差满足要求，不进行校准，执行步骤(6)，如不满足要求，进行首次校准，然后重复步骤(2)、(3)和(4)，直至满足要求；
(6)校准满足后，控制核心单元根据正电压检测单元反馈的校准后的实际输出的预估电压V0x和电流检测单元反馈的电流实测值，计算出负载的实际大小Rz，并根据预设的功率值P、负载的实际大小Rz计算实际需要配置的正电压设置值V1；
(8)控制核心单元根据实际需要配置的正电压设置值V1重新计算出可编程正电压生成单元中需要配置的调制电压Vref，以及所需要的DAC配置参数D；
(9)将重新计算出的DAC配置参数D输入可编程正电压生成单元，此时可编程正电压生成单元实际输出的正电压为V1x，然后正电压检测单元将该实际输出的正电压V1x反馈到控制核心单元；
(10)控制核心单元根据正电压检测单元反馈的实际输出的正电压V1x，计算实际输出的正电压V1x与实际需要配置的正电压设置值V1的偏差，如偏差满足要求，不进行校准，如不满足要求，进行校准，然后重复步骤(8)和(9)，直至满足要求，按照预设的功率值P恒功率输出。
2.根据权利要求1所述的一种可编程自校准正电压恒功率输出方法，其特征在于，所述调制电压Vref通过以下公式计算得出：
Figure FDA0003117355770000011
其中，Vfb是DC-DC芯片U1的固有参数，R1、R2是反馈分压电阻。
3.根据权利要求1所述的一种可编程自校准正电压恒功率输出方法，其特征在于，所述DAC配置参数D通过以下公式计算得出：
Figure FDA0003117355770000021
其中，bit是DAC芯片的分辨率，Gain是DAC芯片的增益，VDACREF是DAC芯片的基准电压值。
4.根据权利要求1所述的一种可编程自校准正电压恒功率输出方法，其特征在于，所述校准中，采用逐次逼近的方法进行精度补偿。
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