CN210780595U - 一种用于聚焦超声核酸打断仪的超声波电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及超声波应用技术领域，公开了一种用于聚焦超声核酸打断仪的超声波电源，包括主控板、功放电路模块、程控稳压电源、变压器、换能器匹配模块。主控板输出超声换能器所需要的对应频率信号，经过功放电路模块得到对应频率的功率电信号，经过变压器和换能器匹配模块后，得到适合驱动超声换能器的电信号，使超声换能器发出超声波。程控稳压电源给功放电路模块提供直流电源，主控板可以调节程控稳压电源的电压输出，从而能间接调节功放电路模块的输出电压信号的幅值，不同幅值大小的电信号使超声换能器发出强度不同的超声波，因此实现了可以调节超声波功率的大小。

Description

一种用于聚焦超声核酸打断仪的超声波电源

技术领域

本实用新型涉及超声波应用技术领域，具体涉及一种用于聚焦超声核酸打断仪的超声波电源。

背景技术

超声波电源也称为超声波驱动电源、超声波发生器，它的作用是将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，为其提供超声能量。

聚焦超声生物样本处理仪器是利用超声波电源发出的超声波进行生物样本处理的设备，这些生物样本包括但不限于核酸及其片段、蛋白或氨基酸片段、真核生物细胞、石蜡包埋切片、真菌、细菌。其工作时以数百KHz的高频超声将生物样本剪切成所需要的片段长度或细胞内裂解液，根据工作过程中对对目标处理物的不同需求，需要不同的超声强度，因此对于超声功率也要求能够进行相应的调节。

目前普遍应用的超声在20KHz～50KHz这个频率范围，主要用于驱动 20KHz-50KHz的超声波换能器，输出功率及电压幅度为一固定值，不可细微调节，基本上用于超声波清洗机等设备上；且功率无法细微调节，无法满足生物样本处理仪的应用要求。

如图1所示为目前大部分超声波清洗机电源的主电路，采用全桥电路，用 IGBT作为功率开关器件，通过控制四个IGBT开关，逆变得到超声波驱动信号，使用电感元件作为串联谐振匹配，并经过变压器变换电压幅度，最终得到合适的电信号驱动超声波换能器工作。但其存在的缺陷是：

1、驱动电源使用IGBT，由于元件自身性能的限制，只能得到几十KHZ 的频率。

2、整流后的直流电源电压固定，无法细微调节输出功率。

3、需要配备频率跟踪电路及控制方法保证换能器工作在谐振状态，需要一个调节到稳定的过程，频率跟踪一般是为了得到最大功率，每次调整的频率会稍有不同，因此不利于保持聚焦超声生物样本处理仪器处理实验样本的一致性。

故还需要提出更为合理的技术方案，解决现有技术中存在的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于聚焦超声核酸打断仪的超声波电源，旨在对超声波电源内的电路结构进行改进，实现超声波电源功率的调节，不仅能驱动数十 KHz频率范围的常用超声换能器，而且还能驱动数百KHz的高频超声换能器，最高频率可以达到1MHz。最大功率可以达到200瓦，并且功率可以从0到最大功率细微调节。

为了实现上述效果，本实用新型所采用的技术方案为：

一种用于聚焦超声核酸打断仪的超声波电源，包括主控板、功放电路模块、程控稳压电源、变压器、换能器匹配模块；所述的主控板连接功放电路模块并通过程控稳压电源调节功放电路模块的电压和电流；所述的功放电路模块连接至变压器的一侧，变压器的另一侧连接换能器匹配模块；所述的主控板设置一路电路直接连接功放电路模块，同时主控板上设置另一路电路通过程控稳压电源连接功放电路模块并调控功放电路模块的电流和电压。

其中主控板由微控制器芯片及配套电路、控制接口电路、通讯接口电路组成；功放电路模块由功率管驱动芯片及周边电路、功率管构成的桥式驱动电路组成；换能器匹配模块使用高频电感电容等元器件构成。

在工作时，主控板输出超声换能器所需要的对应频率信号，经过功放电路模块得到对应频率的功率电信号，经过变压器和换能器匹配模块后，得到适合驱动超声换能器的电信号，使超声换能器发出超声波。程控稳压电源给功放电路模块提供直流电源，主控板可以调节程控稳压电源的电压输出，从而能间接调节功放电路模块的输出电压信号的幅值，不同幅值大小的电信号使超声换能器发出强度不同的超声波，因此实现了可以调节超声波功率的大小。

上述公开的超声波电源，不仅能驱动20-50KHZ频率范围的常用超声换能器，而且还能驱动100KHZ以上的高频超声换能器，最高工作频率能达到 1MHZ；超声发射功率可以从0至调节至最大功率，可以满足聚焦超声核酸打断仪对不同超声功率的需求；超声电源的硬件架构简洁，频率稳定，一致性高；无需复杂的频率跟踪技术，换能器工作稳定，降低超声波电源的整体成本。

进一步的，对上述技术方案中公开的换能器匹配模块的组成结构进行优化，所述的换能器匹配模块包括第一匹配电感和第一匹配电容，且第一匹配电感和第一匹配电容所在线路连接变压器的一个输出端和换能器的正极输入端；所述变压器的输出端连接至换能器的负极输入端，换能器的正负极输入端之间还等电位并联设置有第二匹配电感和第二匹配电容，所述的第二匹配电感和第二匹配电容的电位小于第一匹配电感和第一匹配电容。

进一步的，对上述技术方案中公开的换能器匹配模块的组成结构进行优化，具体对第一匹配电感和第一匹配电容的连接顺序进行限定：所述的第一匹配电感的电位高于第一匹配电容的电位。

进一步的，对上述技术方案中公开的功放电路模块的连接方式进行优化，举出如下可行的方案：所述的功放电路模块包括驱动单元、半桥功放单元和保护单元；所述的驱动单元包括与主控板电连接的驱动芯片，驱动芯片的VDD 电源端分接有第一滤波电容且该第一滤波电容接地；且VDD电源端与驱动芯片的HS端之间连接二极管和第二滤波电容，驱动芯片的HB端连接至二极管与第二滤波电容之间；驱动芯片的HO端和LO端分别连接第一串联电阻和第二串联电阻并共同接入半桥功放单元。

进一步的，对上述技术方案中公开的功放电路模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的半桥功放单元包括第一功率管和第二功率管，所述的第一功率管和第二功率管之间设置有电源滤波电容，且第一功率管和第二功率管所在的电路中分别连接有一个分压均衡电阻和两个分路滤波电容。

进一步的，对上述技术方案中公开的功放电路模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的保护单元包括由吸收电容、吸收电阻和吸收二极管组成的 RCD吸收电路，在RCD吸收电路在半桥功放单元中的数量至少为二且分别设置在第一功率管和第二功率管所在的电路结构中。

进一步的，对上述技术方案中公开的功放电路模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的第一功率管所在的电路中接入保险元器件，用于防止第一功率管和第二功率管同时导通引起短路。

进一步的，对上述技术方案中公开的功放电路模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的半桥功放单元包括HB_OUT端和TF_IN-端，所述的变压器的主线圈侧连接至HB_OUT端和TF_IN-端，且变压器与HB_OUT端之间设置有平衡电容。

进一步的，对上述技术方案中公开的程控稳压电源进行优化，举出如下可行的方案：所述的程控稳压电源为程控直流线性稳压电源。

进一步的，对上述技术方案中公开的变压器进行优化，举出如下可行的方案：所述的变压器为高频变压器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、通过使用微控制器芯片内部的PWM信号输出模块，功放电路模块元件、变压器、换能器匹配模块的元件选用频率高于1MHZ的参数规格，可以使工作信号的频率提高，从而能驱动频率更高的超声换能器发出高频超声波。

2、PWM信号输出模块是使用微控制器芯片内部的集成模块，无需再增加额外的PWM信号输出电路模块，能使超声电源的硬件架构简洁，而且频率稳定，一致性高。

3、使用电压、电流都可以从0到最高输出值微调的程控稳压电源，可以使超声发射功率可以从0至调节至最大功率，可以满足聚焦超声生物样本处理仪器对不同超声功率的需求。

4、加入了换能器匹配模块，无需复杂的频率跟踪技术，使换能器工作更稳定，还可以节省整体的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本实用新型的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1是现有技术中的全桥驱动电路示意图；

图2是超声波电源的组成模块示意图；

图3是主控板产生的PWM信号示意图；

图4是功放电路模块的电路组成示意图；

图5是变压器的电路组成示意图；

图6是换能器匹配模块的电路组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步阐释。

在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本实用新型的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本实用新型，并且不应当理解为本实用新型限制在本文阐述的实施例中。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本实用新型的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行, 或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例

本实施例公开了一种用于聚焦超声核酸打断仪的超声波电源，包括主控板、功放电路模块、程控稳压电源、变压器、换能器匹配模块；所述的主控板连接功放电路模块并通过程控稳压电源调节功放电路模块的电压和电流；所述的功放电路模块连接至变压器的一侧，变压器的另一侧连接换能器匹配模块。

其中主控板由微控制器芯片及配套电路、控制接口电路、通讯接口电路组成；功放电路模块由功率管驱动芯片及周边电路、功率管构成的桥式驱动电路组成；换能器匹配模块使用高频电感电容等元器件构成。本实施例中的主控板，可以使用PIC32系列、MSP430系列的微控制器芯片内部的集成PWM模块，加上配套电路实现；或者用其他能输出相同频率范围的PWM信号的微控制器芯片也可以实现；还可以使用专门的PWM输出芯片代替微控制器内部的集成 PWM模块，同样能实现PWM波形输出。

如图2所示，是本实施例中公开的电源的组成模块示意图，在工作时，主控板输出超声换能器所需要的对应频率信号，经过功放电路模块得到对应频率的功率电信号，经过变压器和换能器匹配模块后，得到适合驱动超声换能器的电信号，使超声换能器发出超声波。程控稳压电源给功放电路模块提供直流电源，主控板可以调节程控稳压电源的电压输出，从而能间接调节功放电路模块的输出电压信号的幅值，不同幅值大小的电信号使超声换能器发出强度不同的超声波，因此实现了可以调节超声波功率的大小。

如图6所示，所述的换能器匹配模块包括第一匹配电感L1和第一匹配电容C11，且第一匹配电感L1和第一匹配电容C11所在线路连接变压器的一个输出端和换能器的正极输入端；所述变压器的输出端连接至换能器的负极输入端，换能器的正负极输入端之间还等电位并联设置有第二匹配电感L2和第二匹配电容C12，所述的第二匹配电感L2和第二匹配电容C12的电位小于第一匹配电感L1和第一匹配电容C11。L1、C11、L2、C12组成超声换能器匹配模块，按照图示的连接方式连接组成。从变压器的一个输出端TF_OUT，串联第一匹配电感L1和第一匹配电容C11，连接到换能器的正极输入端PZT+；变压器的另一个输出端直接连接到换能器的负极输入端PZT-G；换能器两端 PZT+、PZT-G并联第二匹配电感L2和第二匹配电容C12。

从功放电路HB_OUT、TF_IN-端口引出的电信号，按图所示连接到电容 C10和变压器T1，变压器右侧输出经过升压的电信号，此电信号经过L1、C11、 L2、C12组成超声换能器匹配电路后，转换成适于驱动超声换能器的电信号。

上述公开的超声波电源，不仅能驱动20-50KHZ频率范围的常用超声换能器，而且还能驱动100KHZ以上的高频超声换能器，最高工作频率能达到 1MHZ；超声发射功率可以从0至调节至最大功率，可以满足聚焦超声生物样本处理仪器对不同超声功率的需求；超声电源的硬件架构简洁，频率稳定，一致性高；无需复杂的频率跟踪技术，换能器工作稳定，降低超声波电源的整体成本。

主控板使用市面上的常规微控制器芯片，本实施例可以使用STM32系列单片机作为微控制器芯片，通过对微控制器芯片的编程配置，可以使用其内部的定时器模块的PWM信号输出功能，产生与所需的超声频率相同的PWM信号，PWM信号频率范围可以从20KHZ至1MHZ。将PWM信号从微控制器的 GPIO引脚输出，可以直接输出到功放电路模块的PWM信号输入端口，或者再经过信号处理电路，转换成适合驱动功放电路模块的信号电平，再输出到功放电路模块的PWM信号输入端口。

如图3所示，产生的PWM信号可以是单路PWM信号，或者两路互补的 PWMp、PWMn信号，根据不同的频率应用需求，PWM信号频率可以从20KHZ 至1MHZ。同时主板发出控制指令，控制程控稳压电源为功放电路模块提供设定功率对应的直流电压；功放电路模块接收到主控板输出的PWM信号，根据程控稳压电源提供的直流电压输出对应的高频电压信号，高频电压信号的频率与PWM频率相同。

对上述技术方案中公开的换能器匹配模块的组成结构进行优化，具体对第一匹配电感L1和第一匹配电容C11的连接顺序进行限定：所述的第一匹配电感L1的电位高于第一匹配电容C11的电位。但同时，第一匹配电感L1和第一匹配电容C11与换能器串联，二者的顺序可以调换，也可以串联接在换能器的负极端PZT-G，第一匹配电感L1和第一匹配电容C11也可以分开，只要第一匹配电感L1、第一匹配电容C11、换能器以任何形式串联，都可以实现本电路的功能。换能器两端PZT+、PZT-G两端并联一个第二匹配电感L2和第二匹配电容C12，也包括只并联一个第二匹配电感L2的情况。上述的单个电感元件L1、L2，单个电容元件C11、C12，以多个同类型的电感或电容元件，通过串联、并联或者其他混合相连的形式，组成的性能等效于单个电感或电容元件的，也包括在本电路内。

对上述技术方案中公开的主控板、程控稳压电源和功放电路模块的连接方式进行优化，举出如下可行的方案：所述的主控板设置一路电路直接连接功放电路模块，同时主控板上设置另一路电路通过程控稳压电源连接功放电路模块并调控功放电路模块的电流和电压。

对上述技术方案中公开的功放电路模块的连接方式进行优化，举出如下可行的方案：所述的功放电路模块包括驱动单元、半桥功放单元和保护单元；所述的驱动单元包括与主控板电连接的驱动芯片U1，驱动芯片U1的VDD电源端分接有第一滤波电容C1且该第一滤波电容C1接地；且VDD电源端与驱动芯片U1的HS端之间连接二极管D1和第二滤波电容C2，驱动芯片U1的HB 端连接至二极管D1与第二滤波电容C2之间；驱动芯片U1的HO端和LO端分别连接第一串联电阻R1和第二串联电阻R2并共同接入半桥功放单元。

对上述技术方案中公开的功放电路模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的半桥功放单元包括第一功率管Q1和第二功率管Q2，所述的第一功率管Q1和第二功率管Q2之间设置有电源滤波电容C9，且第一功率管Q1和第二功率管Q2所在的电路中分别连接有一个分压均衡电阻和两个分路滤波电容。

本实施例中，如图4所示，第一功率管Q1所在的电路中连接分压均衡电阻R5，两个分路滤波电容C4和C5；对应的，第二功率管Q2所在的电路中连接分压均衡电阻R6，两个分路滤波电容C7和C8。

同时，功率管驱动芯片U1通过IR2183系列的MOS管驱动芯片来实现。第一功率管Q1、第二功率管Q2可以通过IRF540型号的N沟道MOS管来实现。

对上述技术方案中公开的功放电路模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的保护单元包括由吸收电容、吸收电阻和吸收二极管组成的RCD吸收电路，在RCD吸收电路在半桥功放单元中的数量至少为二且分别设置在第一功率管Q1和第二功率管Q2所在的电路结构中。

具体的，在本实施例中，所述的第一功率管所在电路结构中设置有由第一吸收电容C3、第一吸收电阻R3和第一吸收二极管D2组成的RCD吸收电路；在第二功率管Q2所在的电路结构中设有由第二吸收电容C6、第二吸收电阻 R4和第二吸收二极管D3组成的RCD吸收电路。

对上述技术方案中公开的功放电路模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的第一功率管Q1所在的电路中接入保险元器件，用于防止第一功率管 Q1和第二功率管Q2同时导通引起短路。

具体的，本实施例中的保险元气件为自恢复型保险丝F1。

对上述技术方案中公开的功放电路模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的半桥功放单元包括HB_OUT端和TF_IN-端，所述的变压器T1的主线圈侧连接至HB_OUT端和TF_IN-端，且变压器与HB_OUT端之间设置有平衡电容C10，平衡电容C10用于防止变压器偏磁，视应用情况，此电容可以不加，直接短接。PWM_P、PWM_N为主控板输出的PWM信号，输入到驱动芯片U1，产生能驱动第一功率管Q1、第二功率管Q2的电信号，从而使半桥功放电路模块工作，输出的功率信号由HB_OUT、TF_IN-端口引出；

对上述技术方案中公开的程控稳压电源进行优化，举出如下可行的方案：所述的程控稳压电源为程控线性直流稳压电源，电压输出的调节范围是0～ 30V，电流输出的调节范围是0～5A。本实施例使用KA3005P型程控线性稳压电源，主控板通过RS232串口控制电源输出不同的电压和电流大小。

同时，可选的是，程控稳压电源部分的涉及的型号，可以使用其他型号的稳压电源实现，电压输出范围从0-100V可微调的，电流输出范围是0-10A可微调的；还可以使用同等性能的开关电源实现；程控稳压电源控制接口可以使用USB接口、串口、模拟电压控制等方式控制电源输出不同的电压和电流值。

对上述技术方案中公开的变压器进行优化，举出如下可行的方案：如图5 所示，所述的变压器T1为高频变压器。本实施例中变压器T1可以通过PQ3230 型高频变压器来实现，升压比的范围可以为1:1到1:30；最高工作频率可达 5MHZ。本实施例所用的变压器T1由单个输入绕组和单个输出绕组构成，变压器可以是升压变压器、降压变压器、或者1:1的变压器；也可以使用包含多个绕组的其他型号的变压器的来实现；如果功放电路能直接匹配换能器阻抗参数，不需要升压或者降压，不需要变压器模块，功放的输出直接连接到换能器匹配电路，同样可以实现本实用新型的电路架构。

此外，本实施例使用半桥拓补电路实现，还可以使用全桥拓补电路形式，或者单个功率管电路实现；本实施例的功放电路模块使用的MOS管作为功率管，可以使用其他同等性能或者更高性能的MOS管型号代替，还可以使用其他型号的IGBT、三极管等功率元件代替。

以上即为本实用新型列举的实施方式，但本实用新型不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种用于聚焦超声核酸打断仪的超声波电源，包括主控板、功放电路模块、程控稳压电源、变压器、换能器匹配模块；其特征在于：所述的主控板连接功放电路模块并通过程控稳压电源调节功放电路模块的电压和电流；所述的功放电路模块连接至变压器的一侧，变压器的另一侧连接换能器匹配模块；所述的主控板设置一路电路直接连接功放电路模块，同时主控板上设置另一路电路通过程控稳压电源连接功放电路模块并调控功放电路模块的电流和电压。

2.根据权利要求1所述的超声波电源，其特征在于：所述的换能器匹配模块包括第一匹配电感和第一匹配电容，且第一匹配电感和第一匹配电容所在线路连接变压器的一个输出端和换能器的正极输入端；所述变压器的输出端连接至换能器的负极输入端，换能器的正负极输入端之间还等电位并联设置有第二匹配电感和第二匹配电容，所述的第二匹配电感和第二匹配电容的电位小于第一匹配电感和第一匹配电容。

3.根据权利要求2所述的超声波电源，其特征在于：所述的第一匹配电感的电位高于第一匹配电容的电位。

4.根据权利要求1所述的超声波电源，其特征在于：所述的功放电路模块包括驱动单元、半桥功放单元和保护单元；所述的驱动单元包括与主控板电连接的驱动芯片，驱动芯片的VDD电源端分接有第一滤波电容且该第一滤波电容接地；且VDD电源端与驱动芯片的HS端之间连接二极管和第二滤波电容，驱动芯片的HB端连接至二极管与第二滤波电容之间；驱动芯片的HO端和LO端分别连接第一串联电阻和第二串联电阻并共同接入半桥功放单元。

5.根据权利要求4所述的超声波电源，其特征在于：所述的半桥功放单元包括第一功率管和第二功率管，所述的第一功率管和第二功率管之间设置有电源滤波电容，且第一功率管和第二功率管所在的电路中分别连接有一个分压均衡电阻和两个分路滤波电容。

6.根据权利要求5所述的超声波电源，其特征在于：所述的保护单元包括由吸收电容、吸收电阻和吸收二极管组成的RCD吸收电路，在RCD吸收电路在半桥功放单元中的数量至少为二且分别设置在第一功率管和第二功率管所在的电路结构中。

7.根据权利要求5或6所述的超声波电源，其特征在于：所述的第一功率管所在的电路中接入保险元器件，用于防止第一功率管和第二功率管同时导通引起短路。

8.根据权利要求4所述的超声波电源，其特征在于：所述的半桥功放单元包括HB_OUT端和TF_IN-端，所述的变压器的主线圈侧连接至HB_OUT端和TF_IN-端，且变压器与HB_OUT端之间设置有平衡电容。

9.根据权利要求1所述的超声波电源，其特征在于：所述的程控稳压电源为程控直流线性稳压电源。

10.根据权利要求1所述的超声波电源，其特征在于：所述的变压器为高频变压器。

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