CN114167332A - 梯度功率放大器及其控制方法、磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种梯度功率放大器及其控制方法、磁共振成像系统，梯度功率放大器包括：控制模块，具有第一接口、第二接口、第三接口和第四接口，第一接口和第三接口用于输出控制数据；N个功率模块，用于接收控制数据，根据控制数据向梯度线圈输出梯度电流，N≥2；及电源模块，与N个功率模块相连，以向N个功率模块提供电源；第一接口、N个功率模块和第二接口依次串接，从而构建出从第一接口流向第二接口的环形的第一数据传输路径；第三接口、N个功率模块和第四接口依次串接，从而构建出从第三接口流向第四接口的环形的第二数据传输路径；在第一数据传输路径上，第i个功率模块位于第i‑1个功率模块的下游；在第二数据传输路径上，第i个功率模块位于第i‑1个功率模块的上游；i＝2，3……N。

Description

梯度功率放大器及其控制方法、磁共振成像系统

技术领域

本申请涉及一种梯度功率放大器及其控制方法、磁共振成像系统。

背景技术

磁共振成像(MRI，MagneticResonanceImaging)是利用磁共振现象从人体获得电磁信号，并重建出人体信息的影像技术。由于其无电离辐射伤害，且成像对比度和分辨率高，同时支持多种参数成像和任意方向截面成像的优点，在医疗领域获得广泛的应用。梯度功率放大器(GPA，GradientPowerAmplifier)是磁共振成像系统的重要组成部分。系统通过它驱动梯度线圈产生线性变化的梯度磁场，从而实现选层以及空间编码等功能。

随着多年的发展，磁共振成像系统产品越来越多样化，对梯度功率放大器的要求也越来越高，譬如有的需要高电压小电流输出，有的需要低电压大电流输出，更有需要高电压大电流输出等。为了达到成本控制的最优化，不同需求的梯度功率放大器往往需要重大调整，甚至是重新设计。这就使得研发周期拉长，市场迭代缓慢。

发明内容

本申请解决的技术问题是提出一种梯度功率放大器及其控制方法、磁共振成像系统。

本申请的技术方案是：

第一方面，本申请提出一种梯度功率放大器，包括：

控制模块，所述控制模块具有相对应的第一接口和第二接口、相对应的第三接口和第四接口，其中，所述第一接口和所述第三接口用于输出控制数据；

N个功率模块，所述功率模块用于接收所述控制数据，并根据所述控制数据向梯度线圈输出梯度电流，其中，N≥2；及

电源模块，所述电源模块与所述N个功率模块相连，以向所述N个功率模块提供电源；

所述控制模块的所述第一接口、所述N个功率模块和所述控制模块的所述第二接口依次串接，从而构建出从所述第一接口流向所述第二接口的环形的第一数据传输路径；

所述控制模块的所述第三接口、所述N个功率模块和所述控制模块的所述第四接口依次串接，从而构建出从所述第三接口流向所述第四接口的环形的第二数据传输路径；

在所述第一数据传输路径上，第i个所述功率模块位于第i-1个所述功率模块的下游；在所述第二数据传输路径上，所述第i个功率模块位于所述第i-1个功率模块的上游；其中，i＝2，3……N。

一种可选的设计中，所述电源模块既串接在所述第一数据传输路径上，又串接在所述第二数据传输路径上；

在所述第一数据传输路径上，所述电源模块位于第N个所述功率模块的下游；在所述第二数据传输路径上，所述电源模块位于第N个所述功率模块的上游。

一种可选的设计中，所述梯度功率放大器还包括：

输出滤波模块，所述输出滤波模块连接到所述功率模块和所述梯度线圈之间，用于对所述梯度电流的谐波分量进行滤波；及

电流检测模块，所述电流检测模块既连接到所述输出滤波模块和所述梯度线圈之间，又连接到所述控制模块，以用于采集所述输出滤波模块输出的电流数据、并基于所述电流数据产生向所述控制模块输送的反馈数据，以使得所述控制模块能够基于所述反馈数据生成用于调整所述功率模块输出的梯度电流的控制数据。

一种可选的设计中，每个所述功率模块均包括相互连接的同步计数器和执行时延比较器，每个所述功率模块均包括第一电平输出接口和第二电平输出接口。

第二方面，本申请提供一种磁共振成像系统，包括如第一方面所述的梯度功率放大器。

第三方面，本申请提供一种控制方法，应用于如第一方面所述的梯度功率放大器，所述控制方法包括：

控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第一控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第二控制数据帧；其中，所述第一控制数据帧与所述第二控制数据帧为相同的数据帧；

获取第j个所述功率模块接收到所述第一控制数据帧与接收到所述第二控制数据帧之间的第j时间差，取所述第j时间差的一半，得到第j时长阈值；其中，j＝1，2，3……N；

控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第三控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第四控制数据帧；其中，所述第三控制数据帧与所述第四控制数据帧为相同的数据帧；

响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，则延时所述第j时长阈值后，控制所述第j个功率模块执行所述任一个数据帧中的指令。

一种可选的设计中，所述“获取第j个所述功率模块接收到所述第一控制数据帧与接收到所述第二控制数据帧之间的第j时间差，取所述第j时间差的一半，得到第j时长阈值”包括：

响应于所述第j个功率模块第一次接收到所述第一控制数据帧和所述第二控制数据帧中的任一个数据帧，控制所述第j功率模块中的所述同步计数器基于时间从零开始向上进行第一计数；

响应于所述第j个功率模块接收到所述第一控制数据帧和所述第二控制数据帧中的另一个数据帧，停止所述第一计数，获取所述第一计数的计数值，取所述计数值的一半，得到第j计数阈值，所述第j计数阈值对应所述第j时长阈值；

所述“响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，延时所述第j时长阈值后，控制所述第j个功率模块执行所述任一个数据帧中的指令”包括：

响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，控制所述同步计数器基于时间从零开始向上进行第二计数；

响应于所述第二计数的计数值大于或等于所述第j计数阈值，控制所述第j个功率模块执行所述任一个数据帧中的指令。

一种可选的设计中，在所述“控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第一控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第二控制数据帧”之后，所述控制方法还包括：

获取所述电源模块接收到所述第一控制数据帧与接收到所述第二控制数据帧之间的第N+1时间差，取所述第N+1时间差的一半，得到第N+1时长阈值；

在所述“控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第三控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第四控制数据帧”之后，所述控制方法还包括：

响应于所述电源模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，则延时所述第N+1时长阈值后，控制所述电源模块执行所述任一个数据帧中的指令。

一种可选的设计中，在所述“响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，延时所述第j时长阈值后，控制所述第j个功率模块执行所述任一个数据帧中的指令”之后，所述控制方法还包括：

响应于所述第j个所述功率模块接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的另一个数据帧，控制所述第j个所述功率模块丢弃所述另一个数据帧。

一种可选的设计中，所述控制方法还包括：

获取第j个所述功率模块接收到所述第三控制数据帧与接收到所述第四控制数据帧之间的第二第j时间差，取所述第二第j时间差的一半，得到第二第j时长阈值；

控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第五控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第六控制数据帧；其中，所述第五控制数据帧与所述第六控制数据帧为相同的数据帧；

响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第五控制数据帧和所述第六控制数据帧中的任一个数据帧，则延时所述第二第j时长阈值后，控制所述第j个功率模块执行所述第五控制数据帧和所述第六控制数据帧中的所述任一个数据帧中的指令。

本申请至少具有如下有益效果：

本申请提供的这种梯度功率放大器，配置有多个功率模块，而且这些功率模块与控制模块之间串接建立了两条相反的数据传送路径，从而使得控制模块不但能够统一控制各个功率模块的动作，而且能够统一获取各个功率模块的状态信息，这使得控制模块能够根据各个功率模块的状态信息调整下一次的输出数据。并且多个功率模块由一个控制模块统一控制，可以快速调整梯度功率放大器的输出性能，譬如把功率模块级联起来后输出，以获得更高的输出电压，或者把功率模块并联后获得更大电流输出。

此外，本申请提供的这种梯度功率放大器，能够使得各个功率模块都能够同步地、且尽可能快速地响应于控制模块的控制指令。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。

图1是本申请一实施例中梯度功率放大器的应用示意框图。

图2是图1中梯度功率放大器的另一种应用示意框图。

图3是图1中梯度功率放大器的又一种应用示意框图。

图4是本申请一实施例中梯度功率放大器中相关器件之间的数据传递示意图。

图5是本申请一实施例中第三控制数据帧和第四控制数据帧的结构示意图。

图6是本申请一实施例中梯度功率放大器的控制方法的示意流程图。

图7是本申请另一实施例中梯度功率放大器的控制方法的示意流程图。

图8是图6所示实施例中步骤S602的示意流程图。

图9是图6所示实施例中步骤S604的示意流程图。

图10是本申请一实施例中控制模块的示意框图。

图11是本申请一实施例中功率模块的示意框图。

图12是本申请一实施例中电源模块的示意框图。

图13是本申请一实施例中电流检测模块的示意框图。

附图标记说明：

100-梯度功率放大器；

1-控制模块，2-功率模块，3-电源模块，4-输出滤波模块，5-电流检测模块，6-梯度线圈；

1a-第一接口，1b-第二接口，1c-第三接口，1d-第四接口；

L1-第一数据传输路径，L2-第二数据传输路径。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。可以理解，在不冲突的情况下，本文所描述的各个实施例的一些技术手段可相互替换或结合。

在本申请说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。由此，限定有“第一”、“第二”等的对象可以明示或者隐含地包括一个或者多个该对象。并且，“一个”或者“一”等类似词语，不表示数量限制，而是表示存在至少一个，“多个”表示不少于两个。

在本申请说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“连接”、“安装”、“固定”、“收容”等，如无特别说明，均应做广义理解。例如，“连接”可以是分体连接，也可以是一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连；可以是不可拆卸地连接，也可以是可拆地连接。又例如，“收容”并不一定表示整体完全收容，该概念还包括一部分突出于外部的部分收容情况。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解前述术语在本申请中的具体含义。

在本申请说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于清楚且简化地描述本申请，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，这些方向性术语是相对的概念，用于相对于的描述和澄清，可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。例如，若图中装置被翻转，被描述为在其他元件“下方”的元件将被定位在其他元件的“上方”。

在本申请说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“依次”、“顺次”，例如短语“依次排布的A、B、C”，仅指示元件A、B、C的排列顺序，并不排除在A和B之间和/或B和C之间布置其它元件的可能性。

在本申请说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“基于”、“根据”，用于描述影响确定的一个或多个因素。该术语不排除影响确定的附加因素。即，确定可仅基于这些因素或至少部分地基于这些因素。例如短语“基于A来确定B”，这种情况下，A为影响B的确定的因素，此短语不排除B的确定可能还基于C。

在本申请说明书和权利要求书的描述中，术语“响应于”以及有关的术语是指一个信号或事件被另一个信号或事件影响到某个程度，但不一定是完全地或直接地受到影响。如果事件A“响应于”事件B而发生，则A可以直接或间接地响应于B。例如，B的出现最终可能导致A的出现，但可能存在其它中间事件和/或条件。在其它情形中，B可能不一定导致A的出现，并且即使B尚未发生，A也可能发生。此外，术语“响应于”还可以意味着“至少部分地响应于”。

现在，参照附图描述本申请的实施例。

请参照图1，本申请实施例提供了一种梯度功率放大器，其包括控制模块1、电源模块3和N个功率模块2，N可以是≥2的任一自然数，示例性的，图1中N＝3。在另一个实施例中，如图4所示，N＝4。

请再参照图1并结合图4，控制模块1至少具有第一接口1a、第二接口1b、第三接口1c和第四接口1d。其中，第一接口1a与第二接口1b对应，第三接口1c与第四接口1d对应，第一接口和第三接口用于输出控制数据。

功率模块2用于接收控制数据，并根据控制数据向梯度线圈6输出梯度电流。

电源模块3与N个功率模块2相连，以向N个功率模块2提供电源。

请再参照图1并结合图4，控制模块1的第一接口1a、N个功率模块2和控制模块1的第二接口1b通过光纤依次串接，从而构建出从第一接口1a流向第二接口1b的环形的第一数据传输路径L1。控制模块1的第三接口1c、N个功率模块2和控制模块1的第四接口1d通过光纤依次串接，从而构建出从第三接口1c流向第四接口1d的环形的第二数据传输路径L2。而且，在第一数据传输路径L1上，第i个功率模块2位于第i-1个所述功率模块2的下游；在第二数据传输路径L2上，第i个功率模块2位于第i-1个功率模块2的上游；i＝2，3，4……N。

第一数据传输路径L1和第二数据传输路径L2用于将控制模块1输出的控制数据传输给各个功率模块2。

在工作时，N个功率模块2接收从控制模块1输出的控制数据，并基于该控制数据分别执行各自的响应动作。具体地，请参照图6并结合图1和图4，本实施例还提供了上述梯度功率放大器的一种控制方法，该控制方法包括：

S601，控制控制模块1通过第一接口1a向第一数据传输路径L1输出第一控制数据帧的同时，控制控制模块1通过第三接口1c向第二数据传输路径L2输出第二控制数据帧；其中，第一控制数据帧与第二控制数据帧为相同的数据帧。

所谓“相同的数据帧”，是指第一控制数据帧与第二控制数据帧具有相同的控制指令。

S602，获取第j个功率模块2接收到第一控制数据帧与接收到第二控制数据帧之间的第j时间差，取该第j时间差的一半，得到第j时长阈值；其中，j＝1，2，3……N。

可以理解，j＝1，2，3……N，说明要取获取N个功率模块2中每一个功率模块2接收到第一控制数据帧与接收到第二控制数据帧之间的时间差，每一个功率模块2分别对应地具有自己的一个时长阈值——第1个功率模块2对应第1时长阈值，第3个功率模块2对应第3时长阈值。

在前述S601中，控制模块1同时输出的两个相同的数据帧——第一控制数据帧和第二控制数据帧，分别沿着第一数据传输路径L1和第二数据传输路径L2向相反的方向传输。可以理解，由于各个功率模块2在两个数据传输路径上的位置不同，故而各个功率模块2接收到第一数据帧、第二数据帧的时间不同。比如，在图4所描述的实施例中，以控制模块1为起点，沿着顺着方向四个功率模块2分别为第1个功率模块2、第2个功率模块2、第3个功率模块2、第4个功率模块2。则，第1个功率模块2将先接收到第一数据帧，后接收到第二数据帧，第1个功率模块2接收到第一数据帧和第二数据帧的时间存在时差——第1时间差(例如5微秒)，取该第1时间差的一半，记为第1时长(例如2.5微秒)；第4个功率模块2将先接收到第二数据帧，后接收到第一数据帧，第4个功率模块2接收到第一数据帧和第二数据帧的时间也存在时差——记为第4时间差(例如6微秒)，取该第4时间差的一半，记为第4时长(例如3微秒)；另外，第1个功率模块2比第2个功率模块2先接收到第一数据帧，比第2个功率模块2后接收到第二数据帧。

S603，控制控制模块1通过第一接口1a向第一数据传输路径L1输出第三控制数据帧的同时，控制控制模块1通过第三接口1c向第二数据传输路径L2输出第四控制数据帧；其中，第三控制数据帧与第四控制数据帧为相同的数据帧。

可以理解，控制模块1同时输出的两个相同的控制数据帧——第三数据帧和第四数据帧，分别沿第一数据传输路径L1和第二数据传输路径L2同步传输，那么在图4中，第1个功率模块2将先接收到第三数据帧，后接收到第四数据帧；而且第1个功率模块2比第2个功率模块2先接收到第三数据帧，比第2个功率模块2后接收到第四数据帧。

S604，响应于第j个功率模块2第一次接收到第三控制数据帧和第四控制数据帧中的任一个数据帧，延时第j时长阈值后，控制第j个功率模块2执行所述任一个数据帧(即该S604中所说的任一个数据帧)中的指令。

需要说明的是，上述“第j个功率模块2第一次接收到第三控制数据帧和第四控制数据帧中的任一个数据帧”具有这样的含义：将第三控制数据帧和第四控制数据帧看作两个相同的数据帧X，第j个功率模块2会先后收到这两个数据帧X，只有在第j个功率模块2第一次收到数据帧X(该数据帧X可能是第三控制数据帧，也可能是第四控制数据帧)时，才会执行上述动作——延时第j时长阈值后，控制第j个功率模块2执行该数据帧X中的指令。而后，当第j个功率模块2第二次收到数据帧X(例如，前述第一次收到的数据帧X是第四数据帧该数据帧，该第二次收到的数据帧X是第三控制数据帧)时，则不需执行上述动作。

通常情况下，使用者并不希望第j个功率模块2在第二次收到数据帧X时，立即执行或延时执行该后达数据帧X的指令。为此，请参照图7，在另一个实施例中，在“响应于第j个功率模块2第一次接收到第三控制数据帧和第四控制数据帧中的任一个数据帧，则延时第j时长阈值后，控制第j个功率模块2执行所述任一个数据帧中的指令”之后，控制方法还包括：

S705，响应于第j个所述功率模块2接收到第三控制数据帧和第四控制数据帧中的另一个数据帧，控制第j个所述功率模块2丢弃所述另一个数据帧。

所谓“丢弃”，是指“不执行”，该另一个数据帧仍然会沿数据传输路径向下游传送。

在前述S603中，控制模块1同时输出的两个相同的数据帧——第三控制数据帧和第四控制数据帧，分别沿着第一数据传输路径L1和第二数据传输路径L2同步传输。由于各个功率模块2在两个数据传输路径上的位置不同，故而各个功率模块2接收到第三控制数据帧和第四控制数据帧的时间不同。倘若每个功率模块2一旦接收到第三控制数据帧或第四控制数据帧，便立即执行响应数据帧中的控制指令而做出响应动作，将导致各个功率模块2的动作步调严重不同步。对此，本实施例设置上述控制策略，以保证各个功率模块2具有统一的动作步调。

因第一数据传输路径L1和第二数据传输路径L2的物理结构没有发生变化，故而数据帧在第一数据传输路径L1和第二数据传输路径L2上任意相邻两个节点之间的传输速度不变，而且第三控制数据在第i-1个功率模块2与第i个功率模块2之间的传输时间＝第四控制数据在第i个功率模块2与第i-1个功率模块2之间的传输时间。在图4所示的实施例中，假设其功率模块2的数量扩张到了10个，即N＝10，那么通常第1个功率模块2、第2个功率模块2先接收到经第一数据传输路径L1传输的第三控制数据帧，第10个功率模块2、第9个功率模块2先接收到经第二数据传输路径L2传输的第四控制数据帧。再结合S601和S602的描述可以知晓，第四控制数据帧到达第1个功率模块2的时间为该第1个功率模块2接收到第三控制数据帧后再延时第1时间差的时间点，第四控制数据帧到达第2个功率模块2的时间为该第2个功率模块2接收到第三控制数据帧后再延时第2时间差的时间点，第1时间差＞第2时间差；第三控制数据帧到达第10个功率模块2的时间为该第10个功率模块2接收到第四控制数据帧后再延时第10时间差的时间点，第三控制数据帧到达第9个功率模块2的时间为该第9个功率模块2接收到第四控制数据帧后再延时第9时间差的时间点，第10时间差＞第9时间差。通过简单的数学计算可知，第三控制数据帧从第一接口1a传送到第1个功率模块2的时长+第1时间差的一半＝第三控制数据帧从第一接口1a传送到第2个功率模块2的时长+第2时间差的一半＝第四控制数据从第三接口1c传送到第9个功率模块2的时长+第9时间差的一半＝第四控制数据帧从第三接口1c传送到第10个功率模块2的时长+第10时间差的一半。前述第1时间差的一半、第2时间差的一半、第9时间差的一半和第10时间差的一半，分别对应S602中的第1时长、第2时长、第9时长和第10时长。

概括地说，第三控制数据帧和第四数据帧中的先达数据帧从第一接口1a或第三接口1c传送到第i个功率模块2的时长+第i时长＝第三控制数据帧和第四数据帧中的先达数据帧从第一接口1a或第三接口1c传送到第i-1个功率模块2的时长+第i-1时长，i＝2，3，4……N。更为重要的是，所有功率模块2中最晚接收到第三控制数据帧和第四数据帧中先达数据帧的那个功率模块2，其接收到先达数据帧的时长非常接近(略微小于)甚至完全等于先达数据帧从第一接口1a或第三接口1c传送到第i个功率模块2的时长+第i时长，如此使得各个功率模块2都能够同步地、且尽可能快速地响应于控制模块的控制指令。

需要说明的是，在一些实施例中，有可能其中一个功率模块2会同时接收到第三控制数据帧和第四数据帧，这种情况下，与该个功率模块2对应的第j时长阈值为零。

在本实施例中，每个功率模块2均包括相互连接的同步计数器和执行时延比较器。对应地，上述S602中“获取第j个功率模块2接收到第一控制数据帧与接收到第二控制数据帧之间的第j时间差，取第j时间差的一半，得到第j时长阈值”可进一步优化为包括：

S6021，响应于第j个功率模块2第一次接收到第一控制数据帧和第二控制数据帧中的任一个数据帧，则控制该j功率模块2的同步计数器基于时间从零开始向上进行第一计数；

S6022，响应于第j个功率模块2接收到第一控制数据帧和第二控制数据帧中的另一个数据帧，停止第一计数，获取第一计数的计数值，取第一计数的计数值的一半，得到第j计数阈值，第j计数阈值对应第j时长阈值。

对应地，上述S604中“响应于第j个功率模块2第一次接收到第三控制数据帧和第四控制数据帧中的任一个数据帧，延时第j时长阈值后，控制第j个功率模块2执行所述任一个数据帧中的指令”可进一步优化为包括：

S6041，响应于第j个功率模块2第一次接收到第三控制数据帧和第四控制数据帧中的任一个数据帧，则控制同步计数器基于时间从零开始向上进行第二计数；

S6042，响应于第二计数的计数值大于或等于上述第j计数阈值，则控制该第j个功率模块2执行所述任一个数据帧(即前述S6041中所说的任一个数据帧)中的指令。

请再参照图1并结合图4，在本实施例中，电源模块3既串接在第一数据传输路径L1上，又串接在第二数据传输路径L2上。在第一数据传输路径L1上，电源模块3位于第N个功率模块2的下游；在第二数据传输路径L2上，电源模块3位于第N个功率模块2的上游。具体地，电源模块3串接在第N个功率模块2与控制模块1的第二接口1b之间的第一数据传输路径L1上、以及控制模块1的第三接口1c与第N个功率模块2之间的第二数据传输路径L2上。

基于上述设计，该电源模块3也能够接收控制模块1输出的控制数据，以基于该控制数据做出响应动作。对应地，本实施例提供的控制方法还可进行下述优化。

具体地，在“控制控制模块1通过第一接口1a向第一数据传输路径L1输出第一控制数据帧的同时，控制控制模块1通过第三接口1c向第二数据传输路径L2输出第二控制数据帧”之后，即上述S601之后，本实施例提供的控制方法还可以包括：

获取电源模块3接收到第一控制数据帧与接收到第二控制数据帧之间的第N+1时间差，取该第N+1时间差的一半，得到第N+1时长阈值。

并且，在“控制控制模块1通过第一接口1a向第一数据传输路径L1输出第三控制数据帧的同时，控制控制模块1通过第三接口1c向第二数据传输路径L2输出第四控制数据帧”之后，即上述S603之后，本实施例提供的控制方法还可以包括：

响应于电源模块3第一次接收到第三控制数据帧和第四控制数据帧中的任一个数据帧(考虑到电源模块3的位置，通常电源模块3会先接收到第四控制数据帧)，则延时上述第N+1时长阈值后，控制电源模块3执行所述任一个数据帧(即本段落中所说的任一个数据帧，通常为第四控制数据帧)中的指令。

请参照图5，数据帧由帧头、帧尾和N+1个数据槽构成。帧头包含位同步、帧同步信息和帧号，帧尾包含帧校验信息。每进行一次控制数据帧传输后帧号递增。控制数据帧从控制模块1发出时，每个数据槽包含了控制模块1(主节点)要传递到对应从节点(功率模块2和电源模块3)的控制数据。各个从节点收到控制数据帧后，存储下对应本节点数据槽的控制数据，并将对应数据槽内容设置为本节点的状态信息数据，继续往下传递。

此外，请再参照图1，在本实施例中，梯度功率放大器还包括输出滤波模块4和电流检测模块5。

输出滤波模块4连接到功率模块2和梯度线圈6之间，用于对梯度电流的谐波分量进行滤波。

电流检测模块5既连接到输出滤波模块4和梯度线圈6之间，又连接到控制模块1，以用于采集输出滤波模块4输出的电流数据、并基于该电流数据产生向控制模块1输送的反馈数据，从而使得控制模块1能够基于该反馈数据生成用于调整功率模块2输出的梯度电流的控制数据。

与传统功率模块2相同的是，在本实施例中，每个功率模块2均包括第一电平输出接口和第二电平输出接口。前述第一电平输出接口与第二电平输出接口之间的电压通常能够响应于控制指令而调节。例如，功率模块2响应于其接收到的由控制模块1产生的控制数据，而调整第一电平输出接口和第二电平接口之间的电压。

控制模块1输出第三和第四控制数据帧后，通常会继续周期性地分别向两个数据传输路径输出另外的控制数据帧，若各个功率模块2仍然以前述第j时长阈值作为其执行控制指令的延时时间，难免存在误差累积的问题。为了解决这一问题，在另一些实施例中，控制方法还包括：

获取第j个功率模块2接收到第三控制数据帧与接收到第四控制数据帧之间的第二第j时间差，取第二第j时间差的一半，得到第二第j时长阈值；

控制控制模块1通过第一接口向第一数据传输路径输出第五控制数据帧的同时，控制控制模块通过第三接口向第二数据传输路径输出第六控制数据帧；其中，第五控制数据帧与第六控制数据帧为相同的数据帧；

响应于第j个功率模块第一次接收到第五控制数据帧和第六控制数据帧中的任一个数据帧，则延时所述第二第j时长阈值后，控制第j个功率模块执行所述任一个数据帧(即本段落中所说的“任一个数据帧”)中的指令。

进一步地，各个功率模块2每次接收到两数据传输路径上两个相同的且对应的控制数据帧中的晚达数据帧时，都会更新下一次的延时时长阈值。

控制模块1可以购买于市场并稍加调试，也可以采用图10所示的结构。在图10中，控制模块1主要包括晶体振荡器、控制模块1处理器、液晶显示屏(LCD)和多组光电转换器，控制模块1处理器主要包括通信控制器和状态控制器。MRI系统发送过来的指令和电流检测模块5反馈回来的反馈数据通过光电转换器后进入控制模块1处理器，经输出控制器运算后得到对功率模块2和电源模块3的控制数据(例如上述的第三控制数据和第四控制数据)，并通过通信控制器和光电转换器发送出去。从通信控制器(特别是与通信控制器连接的上述第二接口1b和第四接口1d)回来的功率模块2和电源模块3的状态信息经状态控制器解析后，通过状态显示接口进行显示、也通过系统命令接口反馈到MRI系统，同时也进入到输出控制器参与调整下一次的输出或使其进入保护状态。控制模块1处理器主要由FPGA实现。

功率模块2可以购买于市场并稍加调试，也可以采用图11所示的结构。在图11中，功率模块2主要包括两对(4个)光电转换器、一个功率模块2处理器、一个晶体振荡器、M个功率全桥及其驱动器(M≥1，典型值为5)、以及小信号电源和水冷板。两对光电转换器中的一对用于连接上游节点，一对用于连接下游节点。功率模块2处理器由可编程逻辑器件(CPLD或FPGA)实现，其主要包括通信控制器、PWM发生器、状态监视器。M个功率全桥的输出级联起来后对外输出，每级功率全桥由一组隔离的母线直流电源提供大功率输入。小信号电源为功率模块2内电子器件供电。水冷板为功率全桥提供散热。

电源模块3可以购买于市场并稍加调试，也可以采用图12所示的结构。在图12中，电源模块3主要由两对(4个)光电转换器、一个电源模块3处理器、一个晶体振荡器、M个大功率直流电源模块3(M≥1，典型值为5)、以及一个小功率多路直流电源等组成。两对光电转换器中的一对用于连接上游节点，一对用于连接下游节点。电源模块3处理器由可编程逻辑器件(CPLD或FPGA)实现，其主要包括通信控制器、电源控制器和电源监视器。M个大功率直流电源模块3向功率模块2的M个功率全桥提供电源。此M个大功率直流电源模块3亦可由带M个输出绕组的功率变压器和整流滤波电路替代。小功率多路直流电源向本模块以及其他模块提供控制和信号链路需要的电源。

电流检测模块5可以购买于市场并稍加调试，也可以采用图13所示的结构。在图13中，电流检测模块5主要包括晶体振荡器、光电转换器、电流检测模块5处理器和至少一个电流传感器。电流检测模块5处理器由可编程逻辑器件(CPLD或FPGA)实现，其主要包括控制模块1接口、传感器信号调理器、传感器接口。电流检测模块5可以级联。前级信号通过光电转换器进入电流检测模块5处理器后与本级通过传感器接口进入的电流传感器信号由信号调理器进行预处理和串接，然后通过控制模块1接口发送到下一级电流检测模块5或者控制模块1。

输出滤波模块4主要由并列的滤波电感组成。

本实施例提供的这种梯度功率放大器，可将其各个功率模块2级联起来后输出，从而获得更高的输出电压，如图2。还可将各功率模块2并联后获得更大电流输出，如图3。

此外，本申请实施例还提供了一种磁共振成像系统，该磁共振成像系统包括上述结构的梯度功率放大器。

Claims (10)

1.一种梯度功率放大器，包括：

控制模块，所述控制模块具有相对应的第一接口和第二接口、相对应的第三接口和第四接口，其中，所述第一接口和所述第三接口用于输出控制数据；

N个功率模块，所述功率模块用于接收所述控制数据，并根据所述控制数据向梯度线圈输出梯度电流，其中，N≥2；及

电源模块，所述电源模块与所述N个功率模块相连，以向所述N个功率模块提供电源；

所述控制模块的所述第一接口、所述N个功率模块和所述控制模块的所述第二接口依次串接，从而构建出从所述第一接口流向所述第二接口的环形的第一数据传输路径；

所述控制模块的所述第三接口、所述N个功率模块和所述控制模块的所述第四接口依次串接，从而构建出从所述第三接口流向所述第四接口的环形的第二数据传输路径；

在所述第一数据传输路径上，第i个所述功率模块位于第i-1个所述功率模块的下游；在所述第二数据传输路径上，所述第i个功率模块位于所述第i-1个功率模块的上游；其中，i＝2，3……N。

2.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述电源模块既串接在所述第一数据传输路径上，又串接在所述第二数据传输路径上；

在所述第一数据传输路径上，所述电源模块位于第N个所述功率模块的下游；在所述第二数据传输路径上，所述电源模块位于第N个所述功率模块的上游。

3.根据权利要求1或2所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述梯度功率放大器还包括：

输出滤波模块，所述输出滤波模块连接到所述功率模块和所述梯度线圈之间，用于对所述梯度电流的谐波分量进行滤波；及

电流检测模块，所述电流检测模块既连接到所述输出滤波模块和所述梯度线圈之间，又连接到所述控制模块，以用于采集所述输出滤波模块输出的电流数据、并基于所述电流数据产生向所述控制模块输送的反馈数据，以使得所述控制模块能够基于所述反馈数据生成用于调整所述功率模块输出的梯度电流的控制数据。

4.根据权利要求1所述的梯度功率放大器，其特征在于，每个所述功率模块均包括相互连接的同步计数器和执行时延比较器，每个所述功率模块均包括第一电平输出接口和第二电平输出接口。

5.一种磁共振成像系统，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的梯度功率放大器。

6.一种控制方法，应用于如权利要求1至4中任一项所述的梯度功率放大器，其特征在于，所述控制方法包括：

控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第一控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第二控制数据帧；其中，所述第一控制数据帧与所述第二控制数据帧为相同的数据帧；

获取第j个所述功率模块接收到所述第一控制数据帧与接收到所述第二控制数据帧之间的第j时间差，取所述第j时间差的一半，得到第j时长阈值；其中，j＝1，2，3……N；

控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第三控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第四控制数据帧；其中，所述第三控制数据帧与所述第四控制数据帧为相同的数据帧；

响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，则延时所述第j时长阈值后，控制所述第j个功率模块执行所述任一个数据帧中的指令。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于如权利要求4所述的梯度功率放大器；

所述“获取第j个所述功率模块接收到所述第一控制数据帧与接收到所述第二控制数据帧之间的第j时间差，取所述第j时间差的一半，得到第j时长阈值”包括：

响应于所述第j个功率模块第一次接收到所述第一控制数据帧和所述第二控制数据帧中的任一个数据帧，控制所述第j功率模块中的所述同步计数器基于时间从零开始向上进行第一计数；

响应于所述第j个功率模块接收到所述第一控制数据帧和所述第二控制数据帧中的另一个数据帧，停止所述第一计数，获取所述第一计数的计数值，取所述计数值的一半，得到第j计数阈值，所述第j计数阈值对应所述第j时长阈值；

所述“响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，延时所述第j时长阈值后，控制所述第j个功率模块执行所述任一个数据帧中的指令”包括：

响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，控制所述同步计数器基于时间从零开始向上进行第二计数；

响应于所述第二计数的计数值大于或等于所述第j计数阈值，控制所述第j个功率模块执行所述任一个数据帧中的指令。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于如权利要求2所述的梯度功率放大器；

在所述“控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第一控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第二控制数据帧”之后，所述控制方法还包括：

获取所述电源模块接收到所述第一控制数据帧与接收到所述第二控制数据帧之间的第N+1时间差，取所述第N+1时间差的一半，得到第N+1时长阈值；

在所述“控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第三控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第四控制数据帧”之后，所述控制方法还包括：

响应于所述电源模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，则延时所述第N+1时长阈值后，控制所述电源模块执行所述任一个数据帧中的指令。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在所述“响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的任一个数据帧，延时所述第j时长阈值后，控制所述第j个功率模块执行所述任一个数据帧中的指令”之后，所述控制方法还包括：

响应于所述第j个所述功率模块接收到所述第三控制数据帧和所述第四控制数据帧中的另一个数据帧，控制所述第j个所述功率模块丢弃所述另一个数据帧。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

获取第j个所述功率模块接收到所述第三控制数据帧与接收到所述第四控制数据帧之间的第二第j时间差，取所述第二第j时间差的一半，得到第二第j时长阈值；

控制所述控制模块通过所述第一接口向所述第一数据传输路径输出第五控制数据帧的同时，控制所述控制模块通过所述第三接口向所述第二数据传输路径输出第六控制数据帧；其中，所述第五控制数据帧与所述第六控制数据帧为相同的数据帧；

响应于第j个所述功率模块第一次接收到所述第五控制数据帧和所述第六控制数据帧中的任一个数据帧，则延时所述第二第j时长阈值后，控制所述第j个功率模块执行所述第五控制数据帧和所述第六控制数据帧中的所述任一个数据帧中的指令。

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