CN205725468U - 一种高频超声波驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高频超声波驱动器，包括信号处理模块，信号处理模块的输出端连接栅极驱动模块的输入端，栅极驱动模块的输出端连接推挽驱动模块的输入端，推挽驱动模块的输出端连接超声换能器的输入端，过流保护模块的检测端连接推挽驱动模块的输出端，过流保护模块的输出端连接信号处理模块的输入端，电模块分别电性连接所述信号处理模块、栅极驱动模块、推挽驱动模块、超声换能器、过流保护模块。增大栅极驱动电流，可以大幅度提高MOSFET开关速度，具有体积小、频率高、效率高等优点。

Description

一种高频超声波驱动器

技术领域

本实用新型属于医疗设备技术领域，尤其涉及一种用于超声治疗设备的高频超声波驱动器。

背景技术

超声波驱动器作用是把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作。传统的驱动器都采用自激振荡或桥式开关电路来驱动大功率低频超声换能器，频率基本20KHz~120kHz之间，多用在探测、清洗等领域。

现有的超声波驱动器电路结构复杂，工作频率在20KHz~120KHz之间，远低于超声治疗设备所使用的频率段（0.8MHz~15MHz）。同时体积较大，不能满足超声治疗设备小型化设计目标。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高频超声波驱动器，旨在解决上述的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种高频超声波驱动器，所述高频超声波驱动器包括信号处理模块、栅极驱动模块、推挽驱动模块、超声换能器、过流保护模块及供电模块，所述信号处理模块的输出端连接栅极驱动模块的输入端，所述栅极驱动模块的输出端连接所述推挽驱动模块的输入端，所述推挽驱动模块的输出端连接所述超声换能器的输入端，所述过流保护模块的检测端连接所述推挽驱动模块的输出端，所述过流保护模块的输出端连接所述信号处理模块，所述供电模块分别电性连接所述信号处理模块、栅极驱动模块、推挽驱动模块、超声换能器、过流保护模块。

本实用新型的进一步技术方案是：所述过流保护模块通过电阻检测驱动电流大小，并与预设值进行比较超过预设值则立即关闭驱动输出。

本实用新型的进一步技术方案是：该高频超声波驱动器还包括中央处理器（MCU），所述中央处理器的输出端连接所述信号处理模块的输入端，所述供电模块电性连接所述中央处理器（MCU）。

本实用新型的进一步技术方案是：所述信号处理模块包括运算放大器U6A、运算放大器U9A、电阻R7、电阻R9、芯片U4B、电容C16、或非门U5A、或非门U5B及与非门U8A，所述运算放大器U6A的第7脚分别连接所述电阻R7的一端及中央处理器的输出端ClkA，所述运算放大器U6A的第8脚分别连接所述电阻R7的另一端及中央处理器的输出端ClkB，所述运算放大器U6A的第2脚连接所述芯片U4B的第11脚，所述芯片U4B的第14脚分别连接电源VCC1、电容C16的一端及芯片U4B的第10、14脚，所述芯片U4B的第9脚连接所述或非门U5A的第1脚，所述芯片U4B的第8、12脚连接所述或非门U5B的第6脚，所述运算放大器U9A的第7脚分别连接所述电阻R9的一端及中央处理器的输出端Ctr_B，所述运算放大器U9A的第8脚分别连接所述电阻R9的另一端及中央处理器的输出端Ctr_A，所述运算放大器U9A的第2脚连接所述与非门U8A的第2脚，所述与非门U8A的第3脚分别连接所述或非门U5A的第2脚及或非门U5B的第7脚，所述或非门U5A的第4脚、电容C16的另一端、芯片U4B的第7脚、运算放大器U6A的第4脚及与非门U8A的第7脚均接地，所述运算放大器U6A的第1脚、或非门U5A的第8脚及与非门U8A的第14脚均连接电源VCC1。

本实用新型的进一步技术方案是：所述栅极驱动模块包括电阻R6、电阻R8、芯片U2、芯片U3、电阻R3及电阻R5，所述芯片U2的第2、5脚分别连接所述电阻R6的一端及或非门U5A的第3脚，所述芯片U2的第4、6脚分别连接所述电阻R3的一端，所述芯片U3的第2、5脚分别连接所述电阻R8的一端及或非门U5B的第5脚，所述芯片U3的第4、6脚分别连接所述电阻R5的一端，所述芯片U2的第1脚、芯片U3的第1脚、电阻R6的另一端及电阻R8的另一端均连接电源VCC2，所述芯片U2的第3脚及芯片U3的第3脚均接地。

本实用新型的进一步技术方案是：所述推挽驱动模块包括MOS管Q1、MOS管Q2、电容C17、电容C19、电容C18、变压器T1及晶振Y1，所述MOS管Q1的栅极连接所述电阻R3的另一端，所述MOS管Q1的漏极分别连接所述电容C17的一端及变压器T1的输入第1脚，所述MOS管Q1的源极分别连接所述电容C17的另一端、电容C19的一端及MOS管Q2的源极，所述MOS管Q2的栅极连接所述电阻R5的另一端，所述MOS管Q2的漏极分别连接所述电容C19的另一端及变压器T1的输入第2脚，所述变压器T1的输出第1脚分别连接所述电容C18的一端、晶振Y1的一端及输出，所述变压器T1的输出第2脚分别连接所述电容C18的另一端、晶振Y1的另一端及输出。

本实用新型的进一步技术方案是：所述过流保护模块包括电阻R18、电阻R19、电阻R13、电阻R16、电容C35、电阻R21、变阻器RP1、运算放大器U10B、电阻R14、电阻R11、电容C39、稳压二极管D4、运算放大器U10A、电阻R20、电阻R15、电阻R10、芯片U4A及驱动器DRV，所述电阻R13的一端分别连接所述电阻R18的一端、电阻R19的一端、电容C17的另一端、电容C19的另一端、MOS管Q1的源极及MOS管Q2的源极，所述电阻R13的另一端分别连接所述电阻R16的一端、电容C35的一端及运算放大器U10B的正输入，所述运算放大器U10B的负输入连接所述变阻器RP1的滑动端，所述变阻器RP1的一端经所述电阻R21连接电源VCC1，所述运算放大器U10B的输出端连接所述电阻R14的一端，所述电阻R14的另一端分别连接所述电容C39的一端及运算放大器U10A的正输入，所述运算放大器U10A的负输入分别连接稳压二极管D4的阴极及电阻R11的一端，所述运算放大器U10A的输出端分别连接所述电阻R20的一端及电阻R15的一端，所述电阻R15的另一端连接所述芯片U4A的第3脚，所述芯片U4A的第6脚分别连接所述与非门U8A的第1脚及驱动器DRV的输入端，所述芯片U4A的第2脚经所述电阻R10连接电源VCC1，所述运算放大器U10A第8脚及电阻R11的另一端均连接电源VCC1，所述电阻R20的另一端、运算放大器U10A的第4脚、稳压二极管D4的阳极、电容C39的另一端、变阻器RP1的另一端、电阻R16的另一端、电容C35的另一端、电阻R18的另一端及电阻R19的另一端均接地。

本实用新型的进一步技术方案是：所述MOS管Q1、Q2的开关频率为0.8MHz-15 MHz。

本实用新型的进一步技术方案是：所述栅极驱动模块的传输延迟低于2ns。

本实用新型的进一步技术方案是：所述MOS管Q1、Q2的最大驱动电流为9A。

本实用新型的有益效果是：增大栅极驱动电流，可以大幅度提高MOSFET开关速度，具有体积小、频率高、效率高等优点。采用入电容非常小的MOSFET，同时使用开关速度非常快的栅极驱动器，使用磁导率为10的镍锌磁环来制作末级阻抗匹配变压器，超声驱动器的工作频率范围0.8MHz~15MHz，输出功率0~30W。本高频超声波驱动器集成度高，体积非常小，可方便装配在移动式和便携式设备中。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的高频超声波驱动器的结构框图。

图2是本实用新型实施例提供的高频超声波驱动器的电气原理图。

具体实施方式

如图1、2所示，本实用新型提供的高频超声波驱动器，所述高频超声波驱动器包括信号处理模块、栅极驱动模块、推挽驱动模块、超声换能器、过流保护模块及供电模块，所述信号处理模块的输出端连接栅极驱动模块的输入端，所述栅极驱动模块的输出端连接所述推挽驱动模块的输入端，所述推挽驱动模块的输出端连接所述超声换能器的输入端，所述过流保护模块的检测端连接所述推挽驱动模块的输出端，所述过流保护模块的输出端连接所述信号处理模块，所述供电模块分别电性连接所述信号处理模块、栅极驱动模块、推挽驱动模块、超声换能器、过流保护模块。增大栅极驱动电流，可以大幅度提高MOSFET开关速度，具有体积小、频率高、效率高等优点。采用入电容非常小的MOSFET，同时使用开关速度非常快的栅极驱动器，使用磁导率为10的镍锌磁环来制作末级阻抗匹配变压器，超声驱动器的工作频率范围0.8MHz~15MHz，输出功率0~30W。本高频超声波驱动器集成度高，体积非常小，可方便装配在移动式和便携式设备中。

所述过流保护模块通过电阻检测驱动电流大小，并与预设值进行比较超过预设值则立即关闭驱动输出。

该高频超声波驱动器还包括中央处理器（MCU），所述中央处理器的输出端连接所述信号处理模块的输入端，所述供电模块电性连接所述中央处理器（MCU）。

所述信号处理模块包括运算放大器U6A、运算放大器U9A、电阻R7、电阻R9、芯片U4B、电容C16、或非门U5A、或非门U5B及与非门U8A，所述运算放大器U6A的第7脚分别连接所述电阻R7的一端及中央处理器的输出端ClkA，所述运算放大器U6A的第8脚分别连接所述电阻R7的另一端及中央处理器的输出端ClkB，所述运算放大器U6A的第2脚连接所述芯片U4B的第11脚，所述芯片U4B的第14脚分别连接电源VCC1、电容C16的一端及芯片U4B的第10、14脚，所述芯片U4B的第9脚连接所述或非门U5A的第1脚，所述芯片U4B的第8、12脚连接所述或非门U5B的第6脚，所述运算放大器U9A的第7脚分别连接所述电阻R9的一端及中央处理器的输出端Ctr_B，所述运算放大器U9A的第8脚分别连接所述电阻R9的另一端及中央处理器的输出端Ctr_A，所述运算放大器U9A的第2脚连接所述与非门U8A的第2脚，所述与非门U8A的第3脚分别连接所述或非门U5A的第2脚及或非门U5B的第7脚，所述或非门U5A的第4脚、电容C16的另一端、芯片U4B的第7脚、运算放大器U6A的第4脚及与非门U8A的第7脚均接地，所述运算放大器U6A的第1脚、或非门U5A的第8脚及与非门U8A的第14脚均连接电源VCC1。

所述栅极驱动模块包括电阻R6、电阻R8、芯片U2、芯片U3、电阻R3及电阻R5，所述芯片U2的第2、5脚分别连接所述电阻R6的一端及或非门U5A的第3脚，所述芯片U2的第4、6脚分别连接所述电阻R3的一端，所述芯片U3的第2、5脚分别连接所述电阻R8的一端及或非门U5B的第5脚，所述芯片U3的第4、6脚分别连接所述电阻R5的一端，所述芯片U2的第1脚、芯片U3的第1脚、电阻R6的另一端及电阻R8的另一端均连接电源VCC2，所述芯片U2的第3脚及芯片U3的第3脚均接地。

所述推挽驱动模块包括MOS管Q1、MOS管Q2、电容C17、电容C19、电容C18、变压器T1及晶振Y1，所述MOS管Q1的栅极连接所述电阻R3的另一端，所述MOS管Q1的漏极分别连接所述电容C17的一端及变压器T1的输入第1脚，所述MOS管Q1的源极分别连接所述电容C17的另一端、电容C19的一端及MOS管Q2的源极，所述MOS管Q2的栅极连接所述电阻R5的另一端，所述MOS管Q2的漏极分别连接所述电容C19的另一端及变压器T1的输入第2脚，所述变压器T1的输出第1脚分别连接所述电容C18的一端、晶振Y1的一端及输出，所述变压器T1的输出第2脚分别连接所述电容C18的另一端、晶振Y1的另一端及输出。

所述过流保护模块包括电阻R18、电阻R19、电阻R13、电阻R16、电容C35、电阻R21、变阻器RP1、运算放大器U10B、电阻R14、电阻R11、电容C39、稳压二极管D4、运算放大器U10A、电阻R20、电阻R15、电阻R10、芯片U4A及驱动器DRV，所述电阻R13的一端分别连接所述电阻R18的一端、电阻R19的一端、电容C17的另一端、电容C19的另一端、MOS管Q1的源极及MOS管Q2的源极，所述电阻R13的另一端分别连接所述电阻R16的一端、电容C35的一端及运算放大器U10B的正输入，所述运算放大器U10B的负输入连接所述变阻器RP1的滑动端，所述变阻器RP1的一端经所述电阻R21连接电源VCC1，所述运算放大器U10B的输出端连接所述电阻R14的一端，所述电阻R14的另一端分别连接所述电容C39的一端及运算放大器U10A的正输入，所述运算放大器U10A的负输入分别连接稳压二极管D4的阴极及电阻R11的一端，所述运算放大器U10A的输出端分别连接所述电阻R20的一端及电阻R15的一端，所述电阻R15的另一端连接所述芯片U4A的第3脚，所述芯片U4A的第6脚分别连接所述与非门U8A的第1脚及驱动器DRV的输入端，所述芯片U4A的第2脚经所述电阻R10连接电源VCC1，所述运算放大器U10A第8脚及电阻R11的另一端均连接电源VCC1，所述电阻R20的另一端、运算放大器U10A的第4脚、稳压二极管D4的阳极、电容C39的另一端、变阻器RP1的另一端、电阻R16的另一端、电容C35的另一端、电阻R18的另一端及电阻R19的另一端均接地。

所述MOS管Q1、Q2的开关频率为0.8MHz-15 MHz。

所述栅极驱动模块的传输延迟低于2ns。

所述MOS管Q1、Q2的最大驱动电流为9A。

芯片U4B和芯片U4A相同，其型号为74LS74。

芯片U2和芯片U3相同，其型号为ZXGD3002E6。

U10A和U10B相同，其型号为AD8034AR。

本实用新型设计了一种可供超声治疗设备使用的高频超声波驱动器，该驱动器采用推挽电路结构，电路框图见附图1，包括信号处理模块、栅极驱动模块、推挽驱动模块、过流保护模块、供电模块。所述的供电模块分别与信号处理模块，栅极驱动模块，推挽驱动模块，过流保护模块相连。信号处理模块接收信号源产生的差分信号，决定是否向栅极驱动模块发出使能信号。栅极驱动模块负责驱动MOFET栅极，提供大的输入电流，峰值电流可达9A，传输延迟低至2ns。推挽驱动模块负责驱动超声换能器，产生所需要的超声波。该部分通过自制的镍锌磁环变压器，作为阻抗匹配，使驱动效率达到最大。过流保护部分采用电阻检测驱动电流大小，同时与限制值进行比较，如果超出限制值则立即将关闭输出，从而防止危险发生。

如附图2所示，为本驱动器的原理图。信号处理模块，U6和U9负责处理与MCU通信的差分信号，同时将倍频的信号进行2分频，输出超声换能器所需的工作频率。并提供给后及栅极驱动部分。栅极驱动模块，U2和U3提供大的栅极驱动电流，同时具有非常快的开关速度，传输延迟低至2ns。通过调整R6和R8的阻值，可以决定栅极驱动电流的大小，选择合适的栅极驱动电流可以使系统效率最高。推挽驱动模块，包括Q1和Q2具有非常小的输入电容，从而保证了开关频率高达15MHz，C17和C19用于抑制变压器的感应电动势，保护Q1和Q2不被反向击穿。过流保护模块，R18和R19为采样电阻，将电流值转换为电压值，同时通过比较器比较，当系统电流超出预设值时，会产生一个上升沿脉冲信号，该信号将反馈回信号处理模块，从而将输出关闭。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高频超声波驱动器，其特征在于，所述高频超声波驱动器包括信号处理模块、栅极驱动模块、推挽驱动模块、超声换能器、过流保护模块及供电模块，所述信号处理模块的输出端连接栅极驱动模块的输入端，所述栅极驱动模块的输出端连接所述推挽驱动模块的输入端，所述推挽驱动模块的输出端连接所述超声换能器的输入端，所述过流保护模块的检测端连接所述推挽驱动模块的输出端，所述过流保护模块的输出端连接所述信号处理模块，所述供电模块分别电性连接所述信号处理模块、栅极驱动模块、推挽驱动模块、超声换能器、过流保护模块。

2.根据权利要求1所述的高频超声波驱动器，其特征在于，该高频超声波驱动器还包括中央处理器（MCU），所述中央处理器的输出端连接所述信号处理模块的输入端，所述供电模块电性连接所述中央处理器（MCU）。

3.根据权利要求2所述的高频超声波驱动器，其特征在于，所述信号处理模块包括运算放大器U6A、运算放大器U9A、电阻R7、电阻R9、芯片U4B、电容C16、或非门U5A、或非门U5B及与非门U8A，所述运算放大器U6A的第7脚分别连接所述电阻R7的一端及中央处理器的输出端ClkA，所述运算放大器U6A的第8脚分别连接所述电阻R7的另一端及中央处理器的输出端ClkB，所述运算放大器U6A的第2脚连接所述芯片U4B的第11脚，所述芯片U4B的第14脚分别连接电源VCC1、电容C16的一端及芯片U4B的第10、14脚，所述芯片U4B的第9脚连接所述或非门U5A的第1脚，所述芯片U4B的第8、12脚连接所述或非门U5B的第6脚，所述运算放大器U9A的第7脚分别连接所述电阻R9的一端及中央处理器的输出端Ctr_B，所述运算放大器U9A的第8脚分别连接所述电阻R9的另一端及中央处理器的输出端Ctr_A，所述运算放大器U9A的第2脚连接所述与非门U8A的第2脚，所述与非门U8A的第3脚分别连接所述或非门U5A的第2脚及或非门U5B的第7脚，所述或非门U5A的第4脚、电容C16的另一端、芯片U4B的第7脚、运算放大器U6A的第4脚及与非门U8A的第7脚均接地，所述运算放大器U6A的第1脚、或非门U5A的第8脚及与非门U8A的第14脚均连接电源VCC1。

4.根据权利要求3所述的高频超声波驱动器，其特征在于，所述栅极驱动模块包括电阻R6、电阻R8、芯片U2、芯片U3、电阻R3及电阻R5，所述芯片U2的第2、5脚分别连接所述电阻R6的一端及或非门U5A的第3脚，所述芯片U2的第4、6脚分别连接所述电阻R3的一端，所述芯片U3的第2、5脚分别连接所述电阻R8的一端及或非门U5B的第5脚，所述芯片U3的第4、6脚分别连接所述电阻R5的一端，所述芯片U2的第1脚、芯片U3的第1脚、电阻R6的另一端及电阻R8的另一端均连接电源VCC2，所述芯片U2的第3脚及芯片U3的第3脚均接地。

5.根据权利要求4所述的高频超声波驱动器，其特征在于，所述推挽驱动模块包括MOS管Q1、MOS管Q2、电容C17、电容C19、电容C18、变压器T1及晶振Y1，所述MOS管Q1的栅极连接所述电阻R3的另一端，所述MOS管Q1的漏极分别连接所述电容C17的一端及变压器T1的输入第1脚，所述MOS管Q1的源极分别连接所述电容C17的另一端、电容C19的一端及MOS管Q2的源极，所述MOS管Q2的栅极连接所述电阻R5的另一端，所述MOS管Q2的漏极分别连接所述电容C19的另一端及变压器T1的输入第2脚，所述变压器T1的输出第1脚分别连接所述电容C18的一端、晶振Y1的一端及输出，所述变压器T1的输出第2脚分别连接所述电容C18的另一端、晶振Y1的另一端及输出。

6.根据权利要求5所述的高频超声波驱动器，其特征在于，所述过流保护模块包括电阻R18、电阻R19、电阻R13、电阻R16、电容C35、电阻R21、变阻器RP1、运算放大器U10B、电阻R14、电阻R11、电容C39、稳压二极管D4、运算放大器U10A、电阻R20、电阻R15、电阻R10、芯片U4A及驱动器DRV，所述电阻R13的一端分别连接所述电阻R18的一端、电阻R19的一端、电容C17的另一端、电容C19的另一端、MOS管Q1的源极及MOS管Q2的源极，所述电阻R13的另一端分别连接所述电阻R16的一端、电容C35的一端及运算放大器U10B的正输入，所述运算放大器U10B的负输入连接所述变阻器RP1的滑动端，所述变阻器RP1的一端经所述电阻R21连接电源VCC1，所述运算放大器U10B的输出端连接所述电阻R14的一端，所述电阻R14的另一端分别连接所述电容C39的一端及运算放大器U10A的正输入，所述运算放大器U10A的负输入分别连接稳压二极管D4的阴极及电阻R11的一端，所述运算放大器U10A的输出端分别连接所述电阻R20的一端及电阻R15的一端，所述电阻R15的另一端连接所述芯片U4A的第3脚，所述芯片U4A的第6脚分别连接所述与非门U8A的第1脚及驱动器DRV的输入端，所述芯片U4A的第2脚经所述电阻R10连接电源VCC1，所述运算放大器U10A第8脚及电阻R11的另一端均连接电源VCC1，所述电阻R20的另一端、运算放大器U10A的第4脚、稳压二极管D4的阳极、电容C39的另一端、变阻器RP1的另一端、电阻R16的另一端、电容C35的另一端、电阻R18的另一端及电阻R19的另一端均接地。

7.根据权利要求6所述的高频超声波驱动器，其特征在于，所述MOS管Q1、Q2的开关频率为0.8MHz-15 MHz。

8.根据权利要求7所述的高频超声波驱动器，其特征在于，所述栅极驱动模块的传输延迟低于2ns。

9.根据权利要求8所述的高频超声波驱动器，其特征在于，所述MOS管Q1、Q2的最大驱动电流为9A。