CN202306225U - 恒功率开关电源、超声换能器以及超声波治疗系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种恒功率开关电源，其包括输入端和与负载连接的输出模块，还包括电压传感器、电流传感器、处理单元以及功率控制模块；其中，所述电压传感器用于监测所述恒功率开关电源的负载的电压，将测得的电压信号传送给所述功率控制模块；所述电流传感器用于监测流过所述负载的电流，将测得的电流信号传送给所述功率控制模块；所述处理单元用于向所述功率控制模块提供功率控制信号；并且，所述功率控制模块用于根据从所述电流传感器接收到的电流信号、从所述电压传感器接收到的电压信号、以及从所述处理单元接收到的功率控制信号来控制所述输出模块向所述恒功率开关电源输出的电功率的大小。

Description

恒功率开关电源、超声换能器以及超声波治疗系统

技术领域

本实用新型属于超声波治疗技术领域，具体涉及一种治疗用超声换能器的恒功率开关电源、包含该恒功率开关电源的超声换能器、以及包含该超声换能器的超声波治疗系统。

背景技术

超声技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可，并越来越被临床重视和采用。例如，根据超声波能在人体内能产生温热、理化、震动的功效，超声波治疗仪使超声波进入人体肌肉骨骼深层组织，并直达病灶深处，将超声波能量作用于人体病变部位，对某种疾病进行治疗。

超声波治疗系统通常采用超声换能器将输入能量(例如电能)转换为超声波形式的能量，从而进行各种疾病治疗。

超声换能器一般使用具有压电效应特性的材料制成，其中压电材料包括压电陶瓷、石英晶体和高分子压电聚合材料等。超声换能器根据驱动电源而发射超声波，当一交变电压加至压电材料上时，压电晶片表面产生相应的振动，并向与之接触的介质辐射超声能量。

目前，治疗用超声换能器的驱动电源或者为恒压输出驱动电源或者为恒流输出驱动电源。然而，在利用超声波治疗系统进行治疗时，由于超声波传播中的介质变化、界面反射都对超声换能器的阻抗特性有明显的影响，同时由于超声波治疗系统中治疗对象的多样化，因此造成不论是以恒压输出电源驱动还是以恒流输出电源驱动，治疗过程中超声换能器的超声功率都难以调节到与治疗对象相匹配并保持恒定，不利于操作者对治疗功率(能量)和治疗时间的确定，给安全治疗埋下了一定的隐患。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是针对现有技术中超声换能器的超声功率难以调节到与治疗对象相匹配并保持恒定的不足，提供一种适用于超声换能器的恒功率开关电源、采用该恒功率开关电源的超声换能器、以及包含该超声换能器的超声波治疗系统，该恒功率开关电源能使超声换能器输出功率恒定，不随负载的变化而变化，方便操作者对治疗能量和治疗时间的掌控，使治疗更安全和快捷。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是：一种恒功率开关电源，其包括输入端和与负载连接的输出模块，还包括电压传感器、电流传感器、处理单元以及功率控制模块；其中，所述电压传感器用于监测所述恒功率开关电源的负载的电压，将测得的电压信号传送给所述功率控制模块；所述电流传感器用于监测流过所述负载的电流，将测得的电流信号传送给所述功率控制模块；所述处理单元用于向所述功率控制模块提供功率控制信号；并且，所述功率控制模块用于根据从所述电流传感器接收到的电流信号、从所述电压传感器接收到的电压信号、以及从所述处理单元接收到的功率控制信号来控制所述输出模块向所述恒功率开关电源的负载输出电功率的大小。

优选地，所述功率控制模块包括乘积调整电路和信号脉宽控制电路，其中所述乘积调整电路用于对所述电压信号和所述电流信号进行相乘以得到电功率信号，并根据所述处理单元提供的功率控制信号来对所述电功率信号进行取样以得到取样信号，并将所述取样信号提供给所述信号脉宽控制电路；所述信号脉宽控制电路根据所述取样信号来产生表示所述恒功率开关电源的输出电功率的大小的脉宽调制信号。

进一步优选地，所述乘积调整电路包括：乘法电路，用于对所述电压信号和所述电流信号进行相乘以得到电功率信号；以及数字电位器，用于作取样电阻对电功率信号进行取样以得到取样信号。

进一步优选地，所述信号脉宽控制电路包括振荡器和比较器；其中所述振荡器产生锯齿波，并将所述锯齿波信号输入所述比较器的同相输入端；并且乘积调整电路输出的取样信号输入比较器反相输入端。

优选地，所述处理单元还用于向所述功率控制模块的所述信号脉宽控制电路提供用于与负载同步的同步信号，并且所述信号脉宽控制电路根据所述取样信号以及所述同步信号来产生表示所述恒功率开关电源的输出电功率的大小的脉宽调制信号。

优选地，所述处理单元中包括有单片机和与其连接的计算机，所述处理单元接收操作者通过计算机输入的指令，并根据操作者的指令输出所述功率控制信号至所述功率控制模块的乘积调整电路。

优选地，所述输出模块连接在所述功率控制模块和所述负载之间，并且所述输出模块包括阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路是由电感、电容组成的“L”型阻抗匹配电路，或是由电感、电容、电感组成的“T”型阻抗匹配电路，或是所述“L”型阻抗匹配电路和所述“T”型阻抗匹配电路的组合。

优选地，所述输出模块还包括连接在所述功率控制模块和阻抗匹配电路之间的功率驱动器和直流/交流变换电路，所述功率驱动器根据所述功率控制模块的输出信号进行调节，所述直流/交流变换电路根据所述功率驱动器调节后的脉宽调制信号将其输入端信号转换成方波信号。

优选地，以上所述负载为超声换能器。

本实用新型所述的恒功率开关电源，使得治疗用超声换能器的驱动电源可以实现恒功率(即固定功率)工作，这样，即使超声传播中的介质变化、界面反射对超声换能器的阻抗特性产生了影响，也不会引起超声功率的变化，从而有利于对治疗功率和时间的确定。

本实用新型还提供一种超声换能器，其采用上述的恒功率开关电源作为超声换能器的电源。

本实用新型还提供一种超声波治疗系统，其采用上述的超声换能器作为超声波治疗系统的超声换能器。

由于采用了本实用新型恒功率开关电源，因此，本领域技术人员可以理解的是，根据所述超声换能器以及所述超声波治疗系统同样能够实现所述恒功率开关电源所能实现的有益技术效果。即，通过采用所述恒功率开关电源，使得治疗用超声换能器的驱动电源可以实现恒功率(即固定功率)，这样，即使超声传播中的介质变化、界面反射对超声换能器的阻抗特性产生了影响，也不会引起超声功率的变化，从而有利于对治疗功率和治疗时间的确定。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本实用新型有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了本实用新型实施例所提供的恒功率开关电源的功能框图。

图2示意性地示出了本实用新型实施例的功率控制模块的详细结构图。

需要说明的是，附图仅用于说明本实用新型，而非限制本实用新型，其中，图中：

1-输入电路；2-直流/交流变换电路；3-阻抗匹配电路；4-电流传感器；5-电压传感器；6-功率驱动器；7-功率控制模块；8-单片机；71-信号脉宽控制电路；711-乘法电路；712-数字电位器；72-乘积调整电路；721-振荡器；722-比较器；A-计算机；B-超声换能器。

具体实施方式

为了使本实用新型的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本实用新型的内容进行详细描述。

图1示意性地示出了本实用新型实施例所提供的恒功率开关电源的功能框图。

如图1所示，该恒功率开关电源包括输入电路1、直流/交流变换电路2、阻抗匹配电路3、电流传感器4、电压传感器5、功率驱动器6、功率控制模块7以及处理单元。其中，处理单元中包括有单片机8和计算机A；功率控制模块7包括乘积调整电路72和信号脉宽控制电路71；直流/交流变换电路2、阻抗匹配电路3以及功率驱动器6构成输出电路；超声换能器B作为恒功率开关电源的负载使用。该电路的实质为将从负载获取的电流和电压作为反馈信号，同时参考操作者的控制数值，最终将输入电源转换为与负载相适配的恒功率驱动电源。

下面将详细描述图1中各个组件的连接、功能及实施方式。

输入电路1、直流/交流变换电路2、阻抗匹配电路3依次连接，将输入电源转换为负载的驱动电源。功率控制模块7分别与电压传感器5、电流传感器4、功率驱动器6和单片机8连接，其中，电压传感器5的输入端连接至阻抗匹配电路3与负载(超声换能器)的连接处，以获取负载的电压信号；电流传感器4的输入端连接至负载，以获取负载的电流信号；电流传感器4、电压传感器5和单片机8的输出信号均为功率控制模块7的输入信号；同时，单片机8将人为输入到计算机中的控制信号转换后一并输入至功率控制模块7。功率控制模块7的输出信号为功率驱动器6的输入信号，功率驱动器6连接至直流/交流变换电路2，将功率控制模块7综合了负载与操作者的控制信息反馈至直流/交流变换电路2，最终将输入电源转换为与负载相适配的恒功率驱动电源。

输入电路1的作用是将输入电源，例如220V的网电源输入S1的交流电进行整流。优选地，输入电路1执行主动式功率因数校正(PFC)以使其功率因数达到0.99-1，和/或执行交直流隔离；此外，输入电路1优选地具备过压保护、过流保护、浪涌电流保护、欠压锁定和开路保护功能。在本实施例中，该输入电路1可采用美国德州仪器公司提供的UCC28070双相交错连续传导模式PFC控制器作核心元件构成“Boost(一种非隔离式的通用的DC/DC升压电路类型，多用于直流电源中有源功率因数校正和低压DC/DC升压)”来实现。

需要说明的是，虽然图1示出了恒功率开关电源包含输入电路1的情况，但是在不需要对输入电源信号进行整流等处理的情况下也可以省略该输入电路1。在这种情况下，稳压直流信号可直接输入至直流/交流变换电路2。

直流/交流变换电路2根据经功率驱动器6调节后的脉宽调制信号(后文将详细描述)将输入电路1提供的信号，或者从输入端输入的信号(例如稳压直流信号)转换成方波信号(例如高频方波信号)，以输出给阻抗匹配电路3(或者，在不布置阻抗匹配电路3的情况下，直接输出给作为负载的超声换能器B)。在本实施例中，该直流/交流变换电路2可采用IXYS公司生产的型号为IXFN50N80Q2的产品。

阻抗匹配电路3可以是LC型或T型阻抗匹配电路或者其它类型的阻抗匹配电路，其滤除直流/交流变换电路2输出的方波信号中的谐波成分，保留基波成分，同时对超声换能器B的阻抗进行匹配，从而经过阻抗匹配向超声换能器B传递方波信号。

阻抗匹配电路3的作用主要在于如下两点：一是对超声换能器的阻抗进行纯阻性变换，即将超声换能器阻抗表达式的虚部变为零、将实部变为能获得额定电功率的阻值，例如，前级输出的P，额定电压是V，那么实部就应变为P/V²欧姆，这样超声换能器既能得到额定功率，又能减少恒功率开关电源产生的电磁干扰；二是滤除直流/交流变换电路2输出的方波信号中的谐波成分，保留基波。

任何合适的阻抗匹配电路都可以用来实现本实用新型。但是，本实用新型实施例对阻抗匹配电路3优选地是由电感、电容组成的“L”型电路，或是由电感、电容、电感组成的“T”型电路，或是“L”型电路和“T”型电路的组合；更具体地说，与直流/交流变换电路2相连的第一个电子元件优选地是电感。

采用“L”型阻抗匹配电路、“T”型阻抗匹配电路或者它们的组合，可以降低对直流/交流变换电路2中的功率开关管耐压的要求，并且降低产生的电磁干扰，因为这些阻抗匹配电路使直流/交流变换电路2的输出信号产生更低的尖峰，有利于提高直流/交流转换效率。

电流传感器4监测流过作为负载的超声换能器B的电流，将测得的电流信号传送给功率控制模块7中的乘积调整电路72的第一输入端。并且，优选地，电流传感器4还将测得的电流信号传送给信号脉宽控制电路71以进行过流保护。

电压传感器5监测作为负载的超声换能器B的电压，将测得的电压信号传送给功率控制模块7中的乘积调整电路72的第二输入端。

单片机8作为处理单元的一个具体示例，其与外部电子装置通讯，在本实施例中该外部电子装置为计算机A，以接收操作者的指令，并根据操作者的指令输出同步信号S3和输出功率控制信号S2至功率控制模块7。更具体地说，单片机8将输出功率控制信号S2传递给乘积调整电路72，并将同步信号S3传递给信号脉宽控制电路71。输出功率控制信号S2表示“操作者设定的恒定输出的功率大小”。

其中，同步信号S3是作为一个高频信号。单片机8输出的同步信号S3(高频信号)的频率就是其负载超声换能器B的谐振频率，不同的超声换能器其谐振频率也可能不同；即同步信号S3用于与负载，即超声换能器同步；因此，为适应不同超声换能器，操作者可通过计算机A设定频率。

换言之，操作者可通过向计算机A输入指令来设置恒功率开关电源的输出功率的大小；并且优选地，操作者还可通过向计算机A输入指令来设置恒功率开关电源的工作频率和输出持续时间。

在本实施例中，单片机8采用Microchip Technology公司的单片机PIC18F458-I/PT。

功率控制模块7包括乘积调整电路72和信号脉宽控制电路71。功率控制模块7接收单片机8输出的同步信号S3和输出功率控制信号S2。功率控制模块7根据从电流传感器4接收到的电流信号、从电压传感器5接收到的电压信号、以及从单片机8接收到的输出功率控制信号S2来控制恒功率开关电源的输出电功率的大小，具体描述如下。

图2示意性地示出了本实施例的功率控制模块的详细结构图。乘积调整电路72包括乘法电路711以及数字电位器712；信号脉宽控制电路71包含振荡器721和比较器722。其中，乘法电路711的输入端分别输入电流传感器4提供的电流信号I和电压传感器5提供的电压信号V，乘法电路711的输出端连接数字电位器712；并且，乘法电路711的输出端同时连接比较器722的反相输入端，振荡器721的输出端连接比较器722的同相输入端。

更具体地说，乘法电路711用于将电压传感器5送来的电压信号V和电流传感器4送来的电流信号I相乘，输出电功率信号(电压、电流相乘就是电功率)。以数字电位器712作为乘法电路711输出的电功率信号的取样电阻，取样信号进入信号脉宽控制电路71中比较器722的反相输入端，由于该比较器722的同相输入端连接振荡器721提供的锯齿波信号；这样，取样值的大小就决定了信号脉宽控制电路71输出信号的脉冲宽度，也就决定了输出功率的大小，即通过控制反馈比例间接控制了输出功率。以单片机8送来的输出功率控制信号S2控制数字电位器712阻值的大小。

信号脉宽控制电路71随后以该积信号调节单片机8送来的同步信号S3的脉冲宽度，使之成为脉宽调制信号(即PWM信号)，并将该脉宽调制信号传递给功率驱动器6；最后经由功率驱动器6将此脉宽调制信号输出给直流/交流变换电路2。

信号脉宽控制电路71包含振荡器721和比较器722，振荡器721产生锯齿波，并可与外部信号同步(单片机8输出的高频信号就是其外部同步信号，从而可使振荡器721产生的锯齿波信号的频率与单片机8输出的高频信号的频率相等、同步)；此锯齿波信号被输入比较器722的同相输入端，而乘积调整电路输出的取样信号输入比较器722的反相输入端；因此，取样信号的大小决定了比较器722输出信号的脉冲宽度。这样，信号脉宽控制电路71利用单片机8提供的同步信号、输出功率控制信号S2与乘积调整电路72提供的积信号产生了PWM信号。

由此，信号脉宽控制电路71输出的PWM信号表示最终的输出电功率的大小。该PWM信号可用于控制功率驱动器6(例如一个功率场效应开关管)的开、关，而功率驱动器6的输出在例如经过直流/交流变换电路2的变换以及经阻抗匹配电路3滤波后驱动超声换能器产生超声波。

在具体示例中，例如，当电压传感器5送来的电压信号和电流传感器4送来的电流信号都是模拟信号时，乘法电路711是模拟乘法电路。另一方面，当电压传感器5送来的电压信号和电流传感器4送来的电流信号都是数字信号时，乘法电路711是数字乘法电路。优选地，乘法电路711是模拟乘积调整电路，从而使得上述电路无需进行数字/模拟转换。

在本实施例中，功率控制模块7可采用美国德州仪器公司提供的UCC28070双相交错连续传导模式PFC控制器。在该UCC28070双相交错连续传导模式PFC控制器中具有符合控制要求的信号脉宽控制电路71和乘积调整电路72，信号脉宽控制电路71的更具体的细节信息可参见美国德州仪器公司生产的双相交错连续传导模式PFC控制器UCC28070的相关技术文件。

功率驱动器6接收功率控制模块7输出的脉宽调制信号，进行功率调节(例如功率放大)，再将调节后的脉宽调制信号传输给直流/交流变换电路2。功率驱动器6的输出控制直流/交流变换电路2输出信号的频率、脉冲宽度和持续时间。需要功率驱动器对脉宽调制(PWM)信号进行功率放大的原因主要是因为信号脉宽控制电路的带载能力弱，驱动不了某些功率开关管(例如IXFN50N80Q2)，所以在本实施例中优选地采用了该功率驱动器6。在具体示例中，功率驱动器6可采用IXYS公司生产的型号为IXDD408的产品。

在以上PWM信号产生的过程，当操作者设定一个特定输出功率值时，就对应数字电位器712的一个特定阻值，如果负载的电压信号v1和电流信号i1之积v1*i1恒定，则图2中比较器722输出PWM信号的脉宽也保持不变，此时输出功率稳定在设定功率值；如果因某种原因使负载的电压信号v2和电流信号i2之积变小，此时也意味着输出功率小于设定功率值，则图2中比较器722输出PWM信号的脉宽将对应变宽，使v2*i2＝v1*i1，即保持输出功率稳定在设定功率值上；如果因某种原因使负载的电压信号v3和电流信号i3之积变大，此时也意味着输出功率大于设定功率值，则图2中比较器722输出PWM信号的脉宽将对应变窄，使v3*i3＝v1*i1，即保持输出功率稳定在设定功率值上。这样就实现了在负载的变化导致电流和/或电压发生变化时恒功率输出。即，对于操作者设定的特定的恒定输出功率值，该开关电源电路能随着负载的电流信号和电压信号的变化来进行动态功率控制，自动实现恒功率输出。

直流/交流变换电路2输出正负对称的方波信号，阻抗匹配电路3能够滤除方波中的谐波成分，保留基波，负载利用基波信号。正负对称的方波信号中的基波信号的幅值与方波信号的宽度成正弦的积分关系，基波信号的幅值为其中v为方波的幅值，y为PWM脉冲宽度，它小于方波周期的一半。

在本实施例中的上述自动调节过程中，由于设置有人机接口计算机，因此操作者可通过设置输出功率而实现该开关电源电路输出功率大小的设置(也可称之为编程)，当然，人机接口也并不限定计算机，具有人机接口功能的其他功能模块，例如与单片机连接的触摸屏等也可以实现操作者与该开关电源电路的设置交互控制；单片机8具备模拟/数字(A/D)端口，可通过电位器调节将计算机等人机接口设置的输出功率转换为该开关电源电路的同步信号。因此，该电源电路的工作方式是逐脉冲控制限制功率而得到恒功率输出，其输出功率不随负载的变化而变化，并且因与计算机通讯而方便操作者设定输出功率、工作频率和输出持续时间，从而方便操作者对治疗能量和时间的掌控，使治疗更安全和快捷。

因此，本实用新型所提供的适用于治疗用超声换能器的恒功率开关电源的输出功率恒定，不随负载的变化而变化，方便操作者对治疗能量和治疗时间的掌控，使治疗更安全和快捷。

本实用新型还提供了一种超声换能器(例如，超声治疗用超声换能器)，其有利地采用了上述恒功率开关电源作为超声换能器的电源。

此外，本实用新型同时还提供了一种超声波治疗系统，其有利地采用了上述治疗用超声换能器作为超声波治疗系统的超声换能器。

可以理解的是，虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本实用新型。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种恒功率开关电源，包括输入端和与负载连接的输出模块，其特征在于还包括电压传感器、电流传感器、处理单元以及功率控制模块；

其中，所述电压传感器用于监测所述恒功率开关电源的负载的电压，将测得的电压信号传送给所述功率控制模块；所述电流传感器用于监测流过所述负载的电流，将测得的电流信号传送给所述功率控制模块；所述处理单元用于向所述功率控制模块提供功率控制信号；

并且，所述功率控制模块用于根据从所述电流传感器接收到的电流信号、从所述电压传感器接收到的电压信号、以及从所述处理单元接收到的功率控制信号来控制所述输出模块向所述恒功率开关电源的负载输出电功率的大小。

2.根据权利要求1所述的恒功率开关电源，其特征在于，所述功率控制模块包括乘积调整电路和信号脉宽控制电路，其中所述乘积调整电路用于对所述电压信号和所述电流信号进行相乘以得到电功率信号，并根据所述处理单元提供的功率控制信号来对所述电功率信号进行取样以得到取样信号，并将所述取样信号提供给所述信号脉宽控制电路；所述信号脉宽控制电路根据所述取样信号来产生表示所述恒功率开关电源的输出电功率的大小的脉宽调制信号。

3.根据权利要求2所述的恒功率开关电源，其特征在于，所述乘积调整电路包括：

乘法电路，用于对所述电压信号和所述电流信号进行相乘以得到电功率信号；以及

数字电位器，用于作取样电阻对电功率信号进行取样以得到取样信号。

4.根据权利要求2所述的恒功率开关电源，其特征在于，所述信号脉宽控制电路包括振荡器和比较器；其中所述振荡器产生锯齿波，并将所述锯齿波信号输入所述比较器的同相输入端；并且乘积调整电路输出的取样信号输入比较器的反相输入端。

5.根据权利要求2至4之一所述的恒功率开关电源，其特征在于，所述处理单元还用于向所述功率控制模块的所述信号脉宽控制电路提供用于与负载同步的同步信号，并且所述信号脉宽控制电路根据所述取样信号以及所述同步信号来产生表示所述恒功率开关电源的输出电功率的大小的脉宽调制信号。

6.根据权利要求2至4之一所述的恒功率开关电源，其特征在于，所述处理单元中包括有单片机和与其连接的计算机，所述处理单元接收操作者通过计算机输入的指令，并根据指令输出所述功率控制信号至所述功率控制模块的乘积调整电路。

7.根据权利要求1至4之一所述的恒功率开关电源，其特征在于，所述输出模块连接在所述功率控制模块和所述负载之间，并且所述输出模块包括阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路是由电感、电容组成的L型阻抗匹配电路，或是由电感、电容、电感组成的T型阻抗匹配电路，或是所述L型阻抗匹配电路和所述T型阻抗匹配电路的组合。

8.根据权利要求7所述的恒功率开关电源，其特征在于，所述输出模块还包括连接在所述功率控制模块和阻抗匹配电路之间的功率驱动器和直流/交流变换电路，所述功率驱动器根据所述功率控制模块的输出信号进行调节，所述直流/交流变换电路根据所述功率驱动器调节后的脉宽调制信号将其输入端信号转换成方波信号。

9.一种超声换能器，包括电源，其特征在于，所述电源采用权利要求1至8之一所述的恒功率开关电源。

10.一种超声波治疗系统，包括超声换能器，其特征在于，所述超声换能器采用权利要求9所述的超声换能器。

Images