孟宪华 李健铎
(东软医疗系统股份有限公司，辽宁 沈阳110034）
医疗超声成像具有无辐射、成像方便快捷、应用领域广等优点，已成为临床诊断上不可或缺的医疗设备。便携式医疗超声与传统台车式医疗超声相比：它的成本低、功耗低，特别适用于重症、急症的现场诊断，灾区的现场救治以及战地医疗等多种场合。因此便携式医疗超声将具有广阔的市场前景和巨大的应用价值。在此背景下，本文针对便携式医疗超声前端结构，设计了电源系统，同时对基于Flyback 拓扑的高压电路做了原理图分析、计算以及仿真等工作，验证了方案得可行性。本文设计的电源系统在保证系统电路性能的基础上缩小了便携式医疗超声的体积，提高了便携性。
1 前端电源结构组成
前端电源主要负责前端系统供电，即高集成度AFE 芯片、高压发射芯片以及前端波束合成用FPGA 等，其电源组成见图1，电源系统启动时序简述如下：由电池稳压器提供DC16V 电源，依据前端系统要求，需要优先启动3.3V 为clock、Flash 等供电；其次，前端FPGA 上电依次+D1P0V、+D1P8V、+D1P2V、+D2P5V 顺序进行启动；启动3V、18.V、±3.3V、2.5V 等为AFE、TX 等芯片供电；最后启动0～±100V 选择匹配运行模式的电压值进行高压发射。
图1 前端系统电源组成图
2 高压电路原理及设计
高压电路要求：输入14-20Vdc，输出0-±90VDC 可调，单端电流0.135A，Pout 为2*12.5W。经过DCDC 变换器的拓扑对比，选定变换器作为高压电路的拓扑进行设计。
2.1 Flyback 变换器原理
Flyback 变换器，也称单端反激式DCDC 变换器，因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量而得名。Flyback 变换器在主开关管导通期间，电路只存储而不传递能量；在主开关关断时，才向负载传递能量。优点：电路简单、能提供多路直流输出；转换效率高；匝数比值较小；输入电压波动大时，输出电压仍然稳定。
图2 Flyback 变换器拓扑
2.2 flyback 变换器的设计仿真
采用LTspice XVII 设计flyback 拓扑变换器，选择比较成熟的LT3758A 为flyback 变换器的控制器，依据2.1 的公式理论计算值以及工程经验结合LTspice 系统自带的元件模型，设计出反激变换器的主回路见图3。
图3 flyback 变换器主回路
控制电路如图4 所示，该电路工作频率设置300KHz，设置SS 脚电容为0.01uF 软启动时间1.3ms，仿真时间设置3ms。
图4 flyback 变换器控制电路
设计电压调节电路见图5，采用非隔离式运放进行仿真，实际电路采用隔离运放。LT3758A 的FBX 引脚为高压输出反馈，内置1.6V 参考电压，反馈用电阻精度选择0.1%，则理论高压输出和Vdac 的关系：+HV=(36.98Vdac)V,±HV 对称输出，±HV 输出由Vdac 设定。
图5 flyback 变换器调压回路
3 高压电路调试测试
手动设置DAC 电压值0～2.44V 则HV 输出在0～90.23V 范围内，启动仿真器并测试仿真结果见下表，输出值均在要求范围内，图6 为设定±50V 输出波形。
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图6 输出±50V 启动时间
4 结论
本文介绍的便携式前端电源适用集成度较高的AFE 和发射芯片。采用LTspice 仿真flyback 反激变换器，验证了电路参数计算和整体设计的合理性，避免了因各方面疏漏二次制板的风险。通过对Flyback 反激变换器的仿真，确定该高压电路设计可对前端电路提供稳定可靠的正负高压。
