CN114071815B - 用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路 - Google Patents

用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，采用电源模块经过Buck斩波调功模块控制后为全桥电路模块供电；采用锁相环模块自动跟踪经信号调理模块处理后输入的电压信号并输出与该信号同频率的方波信号；采用光耦隔离模块对所述锁相环模块输入的方波信号进行光耦隔离后，再将经过隔离后的方波信号输入到全桥电路模块作为其驱动信号；所述全桥电路模块在驱动信号的作用下驱动串联谐振逆变电路模块产生正弦波信号，以通过绕有线圈的锰锌铁氧体磁环制成的电感其磁环气隙中间产生与正弦波信号同频率的交变磁场。能够解决现有技术的磁场产生装置频率不高，加热磁纳米粒子效果不好的问题。

Description

用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路
技术领域
本发明属于磁纳米粒子加热技术领域，尤其涉及一种用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路。
背景技术
随着时代的发展与科技的进步，利用交变磁场加热磁纳米粒子，磁纳米粒子由于弛豫效应吸收交变磁场所产生的能量并将其转化为热量的原理已经被广泛应用于各个领域，包括电磁加热板，磁纳米热疗等领域。
而实际上，经过研究磁纳米粒子在磁场强度相同的情况下吸收的功率与频率成正比，因此提高磁场频率有助于磁纳米粒子升温。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，针对加热磁纳米粒子，电路能产生高频磁场，弥补了目前用于加热磁纳米粒子的磁场产生装置频率偏低的不足，由于是高频磁场，所以加热效率高，磁纳米粒子升温效果好，且开创性地引入了温度和磁场反馈系统，可以实时地根据磁纳米粒子的升温效果调整输出功率，这样可以更好地达到加热目的，提高加热效率。能够解决现有技术的磁场产生装置频率不高，加热磁纳米粒子效果不好的问题。
本发明具体采用以下技术方案：
一种用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，其特征在于：采用电源模块经过Buck斩波调功模块控制后为全桥电路模块供电；采用锁相环模块自动跟踪经信号调理模块处理后输入的电压信号并输出与该信号同频率的方波信号；采用光耦隔离模块对所述锁相环模块输入的方波信号进行光耦隔离后，再将经过隔离后的方波信号输入到全桥电路模块作为其驱动信号；所述全桥电路模块在驱动信号的作用下驱动串联谐振逆变电路模块产生正弦波信号，以通过绕有线圈的锰锌铁氧体磁环制成的电感其气隙中间产生与正弦波信号同频率的交变磁场。
进一步地，采用磁场信号反馈模块采集交变磁场的状态信息，通过所述锁相环模块对磁场的频率进行闭环调节，通过STM32微处理器控制模块根据所述温度采样模块获取的信息，对Buck斩波调功模块进行控制。
其中，STM32微处理器控制模块还可以连接有OLED显示模块，用于人机交互。
进一步地，所述电源模块包括两路分别为24V 2A的开关电源及48V 25A的开关电源，其中，24V 2A的开关电源为正负15V电源供电，48V 25A的开关电源经过Buck斩波调功模块控制后为全桥电路模块供电。
进一步地，所述Buck斩波调功模块采用IRF5615作为开关管，其耐压150V，最大额定电流35A，采用驱动芯片IR2117驱动开关管，采用铁硅铝磁环大功率电感(电感值220uH，额定电流20A)与开关管源极相连，并采用铝电解电容(容值为330uF，耐压值为100V)与电感串联。
进一步地，所述Buck斩波调功模块的工作模式为CCM模式，通过控制开关管的导通时间控制输出电压的大小。
进一步地，所述信号调理模块由两个同相比例放大电路及一个比较器电路组成，同相比例放大电路将磁场信号反馈模块中输出的正弦波信号放大，比较器电路则把经过放大后的正弦波信号整形为同频率的方波信号，再将该信号送至锁相环模块。
进一步地，所述锁相环模块采用CD4046芯片，CD4046包含了2个相位比较器(鉴相器)、1个压控振荡器以及2个附加部分；所述光耦隔离模块采用TLP2405芯片，TLP2405工作电压在4.5V到20V之间，最大延迟时间仅为250ns，输出模式为推挽输出，输出的电流最大可达到25ma，驱动能力强，所述全桥电路模块采用UCC27710芯片，UCC27710的开通和关断延迟时间仅为140ns，且自带150ns的死区时间，由于TLP2405芯片和UCC27710芯片驱动能力强，延迟时间小，因此驱动MOS管的开关频率可达到500KHZ且波形不失真，占空比不会减少，即电路在频率为高频时，可以正常工作。
进一步地，所述串联谐振逆变电路模块是将由纯铜线圈绕制在锰锌铁氧体磁环上制成的大电感与聚乙丙烯电容连接在一起组成的，且锰锌铁氧体磁环中间开气隙；在所述全桥电路的作用下，在大电感与电容上产生与光耦隔离模块输出的信号同频率的正弦波电压信号，锰锌铁氧体磁环在绕制的线圈产生的正弦波电压信号作用下，气隙中间输出与正弦波电压信号同频的交流磁场。
进一步地，所述STM32微处理器控制模块采用STM32F103C8T6芯片作为主控制器，该芯片的时钟工作频率可达到72MHZ，片上资源丰富，芯片内置3个USART、3个16位定时器、2个SPI、2个I2C、USB、CAN、1个PWM定时器、1个ADC；所述磁场信号反馈模块使用高频电流互感器，匝数比为100:1,工作电流通过10A时，负载电阻100欧，输出10V；所述温度采样模块采用防水型DS18B20温度传感器，其数据输出引脚与STM32微处理器控制模块相连。
进一步地，通过所述STM32微处理器控制模块的反馈控制，实时地根据磁纳米粒子的升温效果调整输出功率。
与现有技术相比，本发明及其优选方案弥补了目前用于加热磁纳米粒子的磁场产生装置频率不高的不足，由于是高频磁场，所以加热效率高，磁纳米粒子升温效果好，且开创性地引入了温度反馈系统，可以实时地根据磁纳米粒子的升温效果调整输出功率，这样可以更好地达到加热目的，提高加热效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例用于加热磁纳米粒子的高频交变磁场产生电路原理示意图；
图2为本发明实施例Buck斩波调功模块电路原理示意图；
图3为本发明实施例信号调理模块电路原理示意图。
图4为本发明实施例锁相环模块电路原理示意图；
图5为本发明实施例光耦隔离模块电路原理示意图；
图6为本发明实施例全桥电路模块电路原理示意图；
图7为本发明实施例串联谐振逆变电路模块电路原理示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供的用于加热磁纳米粒子的高频交变磁场产生电路包括：电源模块、Buck斩波调功模块、正负15V电源、正3.3V电源、STM32微处理器控制模块、磁场信号反馈模块、信号调理模块、锁相环模块、光耦隔离模块、全桥电路模块、串联谐振逆变电路模块以及温度采样模块和OLED显示模块等部分。其中，电源模块经过Buck斩波调功模块控制后为全桥电路模块供电，锁相环模块自动跟踪经信号调理模块处理后输入的电压信号并输出与该信号同频率的方波信号；光耦隔离模块对锁相环模块输入的方波信号进行光耦隔离后，
再将经过隔离后的方波信号输入到全桥电路模块作为其驱动信号；全桥电路模块在驱动信号的作用下驱动串联谐振逆变电路模块；串联谐振逆变电路模块在全桥
电路模块驱动下产生正弦波信号。
如图2所示，本实施例提供的Buck斩波调功模块其工作模式为CCM模式,即图2中每个周期开始时电感L3上的电流不为零，设开关管Q5的导通时间为Ton，截止时间为Toff，工作周期为T，Q5漏极上的电压为Ui，Q5源极上的电压为Udc，电容C26上的电压为Uo，电感L3的电流为IL,二极管D11的电流为ID，则有：
T＝Ton+Toff (1)
开关管的状态可以分为导通和截止两种状态。假设输入/输出不变，开关管Q5处于导通状态时，此时电感L3两端的电压差等于Udc-Uo，电感电流IL线性上升，二极管电流ID＝0。在开关管Q5导通的时间内，电感电流的增量为：
式中，ΔIL表示开关管Q5导通时间内电感电流的增量；L表示电感L3的电感量。
当开关管Q5处于截止状态时，电感电流的增量为
式中，ΔI'L表示开关管Q5截止时间内电感电流的增量。
当Buck斩波调功模块处于稳态时,电感电流的增量ΔIL＝|ΔI'L|，因此有
如上式可知，只需控制Q5的导通时间Ton就能控制输出电压的大小。
如图3所示，信号调理模块由电压跟随电路，两路同相比例放大电路及波形整形电路组成，与磁场同频率的正弦波电压信号经过电压跟随器后再通过两路同相比例放大电路将其放大十倍左右，随后放大后的正弦波电压信号被波形整形电路变为方波信号，传输至锁相环电路。
如图4所示，锁相环模块由CD4046芯片构成，CD4046包含了2个相位比较器(鉴相器)，锁相环模块使用的是CD4046中的鉴相器II，鉴相器II由逻辑门控制的4个边沿触发器和3态输出电路组成,产生数字误差信号和相位脉冲输出,并在“信号输入”与“相位比较器输入”信号之间保持严格同步,产生0相移(与占空比无关)，在图4中，线性VCO(4脚)产生一个输出信号，其频率与VCO输入的电压连接到引出端的电容C20的容值及R29和R30的阻值有关，其捕捉频率范围fmin～fmax满足以下公式：
在图4中，相位脉冲输出端(1脚)，用于表示锁定或2个信号之间的相位差。如果相位脉冲端输出高电平,表示处于锁定状态。在信号输入端无信号输入时，4脚输出的频率被调整在最低频率fmin上。
如图5所示，光耦隔离模块采用TLP2405芯片,其中C4，C25电容为去耦电容给TLP2405芯片的电源消除高频干扰，R36,R44电阻为限流电阻防止电流过大烧毁芯片，R37,R45电阻为下拉电阻给TLP2405的输出提供初始状态。
如图6所示，设全桥电路输出幅值为Em,频率与图7中串联谐振逆变电路发生谐振时的频率相同的ω的方波信号，由傅里叶分解可知，该方波信号可分解为：
其中基波电压为该方波信号加在图7中的串联谐振逆变电路上，由于串联谐振逆变电路的选频特性，谐振电路只会在基波上发生谐振，而在图7中，电感L1与电容C1的谐振频率为：
当电感L1与电容C1发生谐振时，有：
UL＝jQUI (9)
式中，UL是电感L1上的电压，Q为串联谐振逆变电路的品质因数，一般在几十到几百之间，UI是加在串联谐振逆变电路上的基波电压，由以上两式可知，当输入频率为谐振频率的方波信号加在串联谐振逆变电路上，在电感L1或者电容C1上，就能够产生与方波信号频率相同，且幅值是其基波幅值几十倍的正弦波信号，由于电感实际上就是由绕有线圈的锰锌铁氧体磁环制成的，且锰锌铁氧体磁环中间开气隙当线圈上有正弦波信号时，由法拉第电磁感应定律可知，在磁环气隙中就会产生与正弦波信号同频率的交变磁场。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，其特征在于：采用电源模块经过Buck斩波调功模块控制后为全桥电路模块供电；采用锁相环模块自动跟踪经信号调理模块处理后输入的电压信号并输出与该信号同频率的方波信号；采用光耦隔离模块对所述锁相环模块输入的方波信号进行光耦隔离后，再将经过隔离后的方波信号输入到全桥电路模块作为其驱动信号；所述全桥电路模块在驱动信号的作用下驱动串联谐振逆变电路模块产生正弦波信号，以通过绕有线圈的锰锌铁氧体磁环制成的电感其磁环气隙中间产生与正弦波信号同频率的交变磁场；
采用磁场信号反馈模块采集交变磁场的状态信息，通过所述锁相环模块对磁场的频率进行闭环调节，通过STM32微处理器控制模块根据温度采样模块获取的信息，对Buck斩波调功模块进行控制；
所述信号调理模块由两个同相比例放大电路及一个比较器电路组成，同相比例放大电路将磁场信号反馈模块中输出的正弦波信号放大，比较器电路则把经过放大后的正弦波信号整形为同频率的方波信号，再将该信号送至锁相环模块；
所述串联谐振逆变电路模块是将由纯铜线圈绕制在锰锌铁氧体磁环上制成的大电感与聚乙丙烯电容连接在一起组成的，且锰锌铁氧体磁环中间开气隙；在所述全桥电路的作用下，在大电感与电容上产生与光耦隔离模块输出的信号同频率的正弦波电压信号，锰锌铁氧体磁环在绕制的线圈产生的正弦波电压信号作用下，气隙中间输出与正弦波电压信号同频的交流磁场；
通过所述STM32微处理器控制模块的反馈控制，实时地根据磁纳米粒子的升温效果调整输出功率。
2. 根据权利要求1所述的用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，其特征在于：所述电源模块包括两路分别为24V 2A的开关电源及48V 25A的开关电源，其中，24V 2A的开关电源为正负15V电源供电，48V 25A的开关电源经过Buck斩波调功模块控制后为全桥电路模块供电。
3.根据权利要求1所述的用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，其特征在于：所述Buck斩波调功模块采用IRF5615作为开关管，采用驱动芯片IR2117驱动开关管，采用铁硅铝磁环大功率电感与开关管源极相连，并采用铝电解电容与电感串联。
4.根据权利要求3所述的用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，其特征在于：所述Buck斩波调功模块的工作模式为CCM模式，通过控制开关管的导通时间控制输出电压的大小。
5.根据权利要求1所述的用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，其特征在于：所述锁相环模块采用CD4046芯片；所述光耦隔离模块采用TLP2405芯片，所述全桥电路模块采用UCC27710作为驱动MOS管的芯片。
6.根据权利要求1所述的用于加热磁纳米粒子的高频时谐磁场产生电路，其特征在于：所述STM32微处理器控制模块采用STM32F103C8T6芯片作为主控制器；所述磁场信号反馈模块使用高频电流互感器；所述温度采样模块采用防水型DS18B20温度传感器。
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