CN1111074C - 大功率超声波换能器阵驱动电路 - Google Patents

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于晋生
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Abstract

本发明涉及一种超声波换能器阵的大功率驱动电路，用于高能超声体外聚焦热疗机中超声波换能器阵的电驱动。包括信号源、与信号源连接的一个以上的功率驱动单元、通过初级线圈分别与功率驱动单元连接的输出变压器，各输出变压器的次级线圈串连连接并以单一的输出接口与换能器阵两端连接，组合为一个输出信号驱动换能器阵。功率驱动单元采用推挽式丙类电路，信号源输出两路具有180度相位差、占空比小于0.5的信号。简单、实用、可靠。

Description

大功率超声波换能器阵驱动电路
本发明涉及一种超声波换能器阵的大功率驱动电路，特别是在高能超声体外聚焦热疗机中用于超声波换能器阵电驱动的电路。
频率为1.0MHZ左右的超声波在人体组织内传导时，具备直线传导衰减小、脂肪吸收产热轻、易于聚焦的特性，国内外对该频率的小功率超声波已有多年的研究历史，也积累了丰富的应用于人体疾病治疗的经验，其实现技术较为成熟，与射频波、微波相比，具有体外聚焦内治疗的最佳可选择性。
高能超声体外聚焦热疗机就是一种用于腹部实体癌症无创伤杀灭治疗的新型设备，采用的即是FEP技术(Focussed Extracorpreal Parothrapy)，又称HiFu技术(Hight Iutensive Focussed UItrasound)。该技术采用在人体外向人体腹部癌变部位分散发射高能超声波，各束超声波均瞄向体内的肿瘤靶并聚焦于一点，而形成一个高能密度区，利用声能转换为热能的声热转换机制，在1至5秒内形成焦域区的70至100℃高温，导致肿瘤细胞快速坏死。因此FEP技术是一种不用开刀即可杀死癌变组织的新颖治疗技术，也因为其类似开刀切除的治疗方式但无形无影而被俗称为“无形超声刀”。正确使用FEP技术，可以使癌症患者获得象开发切除一样的治疗效果，或者使晚期患者、放疗或化疗失败的病人得到一种有效的治疗新方法。
FEP技术是这样实现的：将若干个压电阵元(片)固定在一个球面的基底上，且使每一个压电阵元的发射面均朝向球心设置，当对这些压电阵元(片)施加一组相位相同或基本相同的连续正弦波电信号时，压电阵元(片)即各自发射出超声波，这种分散发射出的超声波在透射体层时能量分散，再于球心位置处(即人体病变处)聚焦后则形成一个高能密度区(焦域区)，高能超声在焦域区内经声热转换效应后形成一高温区，如果温度达到70℃，则细胞可在0.25秒内死亡，若温度达到100℃，细胞死亡的时间可缩短为0.1秒。
目前国内在FEP技术的使用中，对换能器阵的驱动大多采用先将超声换能器阵分组，每组各使用一个功率电路作驱动的方式，因此很难保证各组换能器所发射的超声波相位一致，从而导致换能器阵聚焦性能下降，影响治疗使用效果。
本发明的目的是设计一种大功率超声波换能器阵驱动电路，用于FEP治疗用超声波换能器阵的电驱动，使换能器阵可发射相位一致的超声波，且波源聚焦良好、焦点声强能满足要求。
本发明的目的是这样实现的：一种大功率超声波换能器阵驱动电路，包括信号源、功率驱动单元、输出变压器和换能器阵，其特征在于：所述的功率驱动单元及与之对应的输出变压器有一个以上，所述信号源的输出端与一个以上功率驱动单元的输入端连接；每个功率驱动单元的输出端连接一输出变压器的初级线圈，各输出变压器的次级线圈串连连接并与所述的换能器阵两端连接。
所述的功率驱动单元是由完全相同的两臂电路组成的推挽式丙类电路，每臂电路包括顺序连接的整形及前、后沿延时调整电路、放大电路和功率主开关管；每一功率驱动单元中两臂电路的功率主开关管漏极连接一输出变压器的初级线圈。
所述的信号源由振荡器、分频器、180度分相电路和互补射极跟随电路顺序连接构成，互补射极跟随电路的两路具有180度相位差、占空比小于0.5的输出信号分别连接所述每一功率驱动单元中两臂电路的整形及前、后沿延时调整电路的输入端。
所述的每一功率驱动单元中两臂电路的功率主开关管源极与漏级之间并联连接有低损耗谐振电容。
所述功率驱动电路中的放大电路包括由专用集成片构成的第一级放大电路和由两个串联连接的CMOS晶体管组成的第二级放大电路。
本发明让多个结构完全相同的功率驱动单元使用同一个信号源，各个功率驱动单元连接一输出变压器，将各输出变压器的次级线圈串联，从而组合成一个输出信号去驱动换能器阵，由于每个功率驱动单元的输出仍会存在较小的相位误差，因此功率驱动单元采用推挽式电咯，且使其功率主开关工作在导通角小于180度的“丙类”开关状态，以提高电路效率和使换能器阵获得同相位的连续正弦波电信号，获得良好的波源聚焦效果及达到预期的焦点声强。
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术
图1是本发明输出变压器与换能器阵的连接电路图
图2是本发明功率驱动单元的实施电路图
图3是本发明信号源的实施电路图
图4是本发明大功率超声波换能器阵驱动电路的结构示意图
参见图1，图中示出设置有十个输出变压器T1至T10时，与换能器阵100的连接电路。十个输出变压器T1至T10的初级线圈分别连接一功率驱动单元1至10，十个输出变压器T1至T10的次级线圈串联连接后，其串联电路的两端与换能器阵100连接。各功率驱动单元经各自输出变压器次级线圈的互相串联后而组合成一个输出信号，由单一的输出接口与换能器阵连接，使换能器阵所发射的超声波有一致的相位。图中各功率驱动单元1至10共用一个信号源20。
参见图2，图中示出任一功率驱动单元(1至10)的实施电路，为解决每个功率驱动单元的输出仍可能存在的较小相位差问题、提高电路效率，因此各功率驱动单元设计成推挽式电路。推挽式电路的两臂电路完全相同(如图中所示的上、下两臂电路)，现以上臂电路为例说明。来自信号源的驱动信号经反相器2D3：A、2D3：B及与逻辑门2D4：A、2D4：B整形及前、后沿延时调整后输入专用集成电路2D1(2110)进行第一级放大，其输出再经由串联连接的2V2、2V3组成的驱动电路进行第二级放大，从而获得了对末级功率主开关2V7-2V9的强驱动能力，保证了功率主开关有良好的栅极驱动波形。实施电路中功率控制元件即功率主开关2V7-2V9、2V10-2V12工作在“丙类”开关状态(开关导通角小于180度)。
由于输出变压器在大尺寸、高频率条件下的漏电感是不容忽视的，本发明为了利用漏电感能量并能同时改善功率主开关管的工作条件，而在功率主开关管2V7-2V9、2V10-2V12两端并联连接了低损耗的电容器2C5、2C6，通过调整其容量，使其与相关引线电感及变压器漏电感的组合效果在工作频率下接近谐振，从而有效降低了功率主开关管的工作电压和发热现象，明显提高了电路能量的转换效率。
参见图3，图中示出信号源电路。由于功率驱动单元采用推挽式丙类工作方式，故要求信号源能输出两路相位差180度、占空比小于0.5的矩形波信号，且可在一定范围内作调整(即调整开关管的导通角)；又由于多个功率驱动单元共用一个信号源，故要求信号源的输出有相当强的驱动能力。
本发明的信号源电路，由两个或非逻辑门3D1：A、321：D及其外围元件连接组成振荡器，振荡频率2MHZ左右并可微调。双D触发器3D2：A、3D2：B实现2分频，并经两个或逻辑门3D1：C、3D1：B的组合分相输出两路占空比一致、相位差180度的信号。其中电位器3RP2与3D2：A、3D2：B双D触发器11输入脚上的等效电容一起构成的R、C延时电路使输出信号的占空比小于0.5，且通过调整3RP2可对占空比作一定范围的调整。所获得的两路信号分别经集成驱动器3D3：A-3D3：F缓冲，再经由3V1-3V4组成的两组互补射极跟随器输出。
本发明的功率驱动单元及信号源电路，全部采用普通元件，结构简单、性能稳定可靠。
参见图4，图中示出本发明大功率超声波换能器阵驱动电路的结构。实施例设置有十个功率驱动单元1-10，十个输出变压器T1-T10和一个信号源20，与换能器阵100连接。十个输出变压器T1至T10的初级线圈分别连接一功率驱动单元1至10，十个输出变压器T1至T10的次级线圈串联连接后，其串联电路的两端与换能器阵100连接。
两组电源分别产生12V直流和10-80V直流，12V直流通过接插件3XS1、2XS2与信号源电路20及各功率驱动单元1-10连接。各功率驱动单元1-10通过各自的接插件2XS1与信号源电路20的接插件3XS2连接，使各功率驱动单元共用一个信号源(结合参见图2、图3)。
本发明的大功率超声波换能器阵驱动电路，各功率驱动单元经输出变压器次级的互相串联而组合成一个输出信号，再由单一的输出接口与换能器阵连接；各功率驱动单元以推挽方式工作且在功率主开关管上并接谐振电容，及简单实用的信号源电路，都是现有的FEP驱动电路中所未有的。

Claims (5)

1、一种大功率超声波换能器阵驱动电路，包括信号源、功率驱动单元、输出变压器和换能器阵，其特征在于：所述的功率驱动单元及与之对应的输出变压器有一个以上，所述信号源的输出端与一个以上功率驱动单元的输入端连接；每个功率驱动单元的输出端连接一输出变压器的初级线圈，各输出变压器的次级线圈串连连接并与所述的换能器阵两端连接。
2、根据权利要求1所述的大功率超声波换能器阵驱动电路，其特征在于：所述的功率驱动单元是由完全相同的两臂电路组成的推挽式丙类电路，每臂电路包括顺序连接的整形及前、后沿延时调整电路、放大电路和功率主开关管；每一功率驱动单元中两臂电路的功率主开关管的漏极连接一输出变压器的初级线圈。
3、根据权利要求1或2所述的大功率超声波换能器阵驱动电路，其特征在于：所述的信号源由振荡器、分频器、180度分相电路和互补射极跟随电路顺序连接构成，互补射极跟随电路的两路具有180度相位差、占空比小于0.5的输出信号分别连接所述每一功率驱动单元中两臂电路的整形及前、后沿延时调整电路的输入端。
4、根据权利要求2所述的大功率超声波换能器阵驱动电路，其特征在于：所述的每一功率驱动单元中两臂电路的功率主开关管源极与漏极之间并联连接有低损耗谐振电容。
5、根据权利要求2所述的大功率超声波换能器阵驱动电路，其特征在于：所述功率驱动电路中的放大电路包括由专用集成片构成的第一级放大电路和由两个串联连接的CMOS晶体管组成的第二级放大电路。
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