一种X射线发生装置电流源的设计
杨刚 吴文杰 任峰
摘 要： 目前工业主要用高能电子轰击金属的方法产生X射线。在此设计一种基于开关电源原理的自反馈型直流电流源。该电流源通过DC?DC转换芯片XL4015为开关电源模块提供可调的直流输入电压，Buck型开关电源模块为负载提供稳定的电压，从而流过负载的电流一定。将采样电阻的电压通过OPA2340差分放大，并用SG3525反馈给开关电源模块，从而形成闭环控制。经过试验测试，该电流源输出稳定，精度满足产生X射线的要求，且具有效率高、性能可靠、电路简单易懂、成本低廉等优点。
关键词： 电流源； 开关电源； X射线发生器； OPA2340； SG3525
中图分类号： TN911?34； TN86 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0159?04
Abstract： Currently， the method of using high?energy electron to bombard metal is mainly used in industry to generate X?ray. A self?feedback type DC current source based on the principle of switching power supply was designed. The DC current source supplies the adjustable DC input voltage for the switching power supply module by means of the DC?DC conversion chip XL4015. And the Buck?type switching power supply module offers the stable voltage for the load to maintain a certain current flowing through the load. The voltage of the sampling resistor is amplified differentially by OPA2340， and fed back to the switching power supply module by SG3525 to form the closed?loop control. The test results show that the current source has the advantages of stable output， high efficiency， reliable performance， simple circuit and low cost， and its precision can meet the demand of X?ray generation.
Keywords： current source； switching power supply； X?ray generator； OPA2340； SG3525
0 引 言
X射线是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流，是波长介于紫外线和γ射线 之间的电磁波。X射线具有很强的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，透过物质后会产生衰减。受高速电子撞击的金属，会发出X射线[1]。金属靶材料不同，灯丝产生电子所需的电流也不同。本文所提的X射线源为双能级，灯丝所需电流为1.2 A和1.8 A。在使用过程中，X射线管会因电子撞击金属靶而产生热[1]。为了不使整个系统发热更严重，X射线管的外围电路应减少发热。而目前大多数电流源都采用压控电流源，该种电流源是采用运放和三极管的结构[2]。其中，三极管上会消耗一部分功率而发热，进而增加X射线发生装置的发热。为了避免这种情况，本文采用效率较高的Buck型开关电源结构，并用SG3525对采样电压进行反馈，实现闭环控制，从而达到输出稳定的目的。
1 系统组成和原理
1.1 系统组成
本电流源系统可分为稳压电源电路、XL4015电压转换电路、开关电源电路、差分放大电路、SG3525反馈电路等部分，其系统组成如图1所示。
1.2 系统的工作原理
系统通过稳压电源电路向XL4015电压转换电路提供DC 24 V电压，向SG3525反馈电路提供DC 15 V电压，向差分放大电路提供DC 5 V电压。XL4015将DC 24 V转换成可调直流电压供给开关电源电路，开关电源电路采用Buck型结构。其输出电压Vo与输入电压Vi之间的关系[3]为Vo=ViD。其中D为开关电源电路中场效应管控制端信号的占空比。通过改变XL4015的输出电压，即改变Vi，就可以改变Vo，从而可以得到大小不同的输出电流Io。反馈部分通过采样电阻对输出电流进行采样，转换成采样电压，OPA2340组成的电路对其进行差分放大后送给SG3525，SG3525将送来的反馈电压与预设电压值进行比较，根据它们的大小关系调节输出PWM波的占空比[4]，从而调节开关电源部分的占空比D，输出新电流。这样就形成系统的闭环调节，从而提高了输出电流的稳定性和精度。
2 系统硬件各功能模块的设计
2.1 XL4015电压转换电路
双能级X射线需要两种不同的电流，开关电源模块的输入应设置成可调，所以选择XL4015电压转换芯片。XL4015将输入DC 24 V转换成合适的电压，送给开关电源模块。它决定了开关电源模块的输入电压，在占空比不变的情况下，也就决定了输出电压，从而确定了输出电流。该电路输出电压Vo1=1.25×[1+R2R3]，考虑到供电24 V，实际输出为1.56～22.5 V。XL4015外围电路如图2所示。
2.2 开关电源电路
开关电源电路为负载提供稳恒的電压，从而提供稳恒的电流。此开关电源电路采用Buck型结构，输出Vo=Vo1D，随着Vo1的改变而改变。如图3所示，R8是采样电阻，选用康铜丝电阻，阻值随温度的变化较小[2]，能准确反映出电流变化；所采电压送给OPA2340差分放大。电流表头与负载串联，用来显示流过负载的电流值。
2.3 差分放大电路
反馈部分包括差分放大电路和SG3525反馈电路.考虑到采样电压较小。一般的放大器对较小电压放大会失效，选用OPA2340轨至轨运算放大器，单电源满幅度输入输出，集成了双运放[5]，可连接成差分放大。电路如图4所示，由电路可知有以下关系，
2.4 SG3525反馈电路
差分放大输出电压Vf输入到SG3525误差放大器（图5所示）的反相输入端1脚，作为反馈，预设电压输入到误差放大器的同相输入端2脚，形成差分输入[7]。误差放大器的输出端即芯片内部PWM比较器的输入端9脚经R20反馈到1脚，构成比例调节。当反馈电压Vf比预设值高时，输出PWM波的占空比减小，开关电源电路中的MOS管导通时间缩短，从而输出电压下降，输出电流减小；反之，当反馈电压Vf低于预设值时，开关电源输出电压上升，输出电流增大。因此，通过调节MOS管驱动信号占空比，从而达到稳定输出电流的目的[7]。
2.5 稳压电源电路
稳压电源采用三端稳压器7805，7815构成，为电路中各芯片供电。
3 控制纹波措施
由于本设计采用的是开关电源方案，在效率高的同时，也带来了纹波大的问题[8]。经过一些滤波措施，有效降低了纹波。
分析产生纹波原因，主要有：
（1） MOS管导通关断瞬间，产生尖峰脉冲；
（2） 电感电容储能放电过程会产生三角波。
针对原因（1），在SG3525输出端OUTA与MOS管栅极之间加一个电阻。这个电阻阻值如果较大，则会产生较大的压降，栅极的电压不足以使MOS管导通；阻值如果较小，则栅极电压跳变陡峭情况未有效改变。综合考虑并经过试验验证，1.5 kΩ阻值比较合适，这样MOS管的导通会变得平缓。未进行改进的输出波形如图6所示，加电阻后的波形如图7所示，可看出输出纹波有减小。
4 系统测试
将X射线管加在本系统上进行测试，用示波器测量输出波形，得出各电流值下的纹波电压，检测结果如表1所示。由表1可看出，在高低能级X射线源所需的1.8 A和1.2 A时，系统输出稳定，纹波较小，满足X射线产生条件。
5 结 语
本设计是采用开关电源和反馈组合形式的电流源，为X射线源提供稳恒的电流。大多数电流源采用压控电流源，三极管上的功耗较大，发热严重。而本电流源采用反馈型输入可调的开关电源结构，效率高，输出稳定，避免了发热严重的问题。实际测试表明，X射线管能正常工作，温度正常，此设计是一个符合实际应用要求的电流源。
参考文献
[1] 马文蔚，解希顺，周雨青.物理学[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2] 范新强，姚兴辉.基于单片机控制的高精度直流电流源系统的开发[J].工矿自动化，2006（6）：49?50.
[3] 梁适安.开关电源理论与设计实践[M].北京：电子工业出版社，2013.
[4] Motorola. SG3525A/SG3527A pulse width modulator control circuits [EB/OL]. [1996?05?23]. http：//www.motorola.com.
[5] Texas Instruments. OPA340/OPA2340/OPA4340 single?supply， rail?to?rail operational amplifiers [EB/OL]. [1997?12?05]. http：//www.ti.com.
[6] 柴西林，史亚盼，杜丽霞.一种高精度闭环数控直流电流源的研制[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：75?80.
[7] 牟翔永，张晓春，林刚，等.基于SG3525的大电流低电压开关电源设计[J].电测与仪表，2013，50（4）：120?124.
[8] 陈纯锴.开关电源原理、设计及实例[M].北京：电子工业出版社，2012：14.
摘 要： 目前工业主要用高能电子轰击金属的方法产生X射线。在此设计一种基于开关电源原理的自反馈型直流电流源。该电流源通过DC?DC转换芯片XL4015为开关电源模块提供可调的直流输入电压，Buck型开关电源模块为负载提供稳定的电压，从而流过负载的电流一定。将采样电阻的电压通过OPA2340差分放大，并用SG3525反馈给开关电源模块，从而形成闭环控制。经过试验测试，该电流源输出稳定，精度满足产生X射线的要求，且具有效率高、性能可靠、电路简单易懂、成本低廉等优点。
关键词： 电流源； 开关电源； X射线发生器； OPA2340； SG3525
中图分类号： TN911?34； TN86 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0159?04
Abstract： Currently， the method of using high?energy electron to bombard metal is mainly used in industry to generate X?ray. A self?feedback type DC current source based on the principle of switching power supply was designed. The DC current source supplies the adjustable DC input voltage for the switching power supply module by means of the DC?DC conversion chip XL4015. And the Buck?type switching power supply module offers the stable voltage for the load to maintain a certain current flowing through the load. The voltage of the sampling resistor is amplified differentially by OPA2340， and fed back to the switching power supply module by SG3525 to form the closed?loop control. The test results show that the current source has the advantages of stable output， high efficiency， reliable performance， simple circuit and low cost， and its precision can meet the demand of X?ray generation.
Keywords： current source； switching power supply； X?ray generator； OPA2340； SG3525
0 引 言
X射线是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流，是波长介于紫外线和γ射线 之间的电磁波。X射线具有很强的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，透过物质后会产生衰减。受高速电子撞击的金属，会发出X射线[1]。金属靶材料不同，灯丝产生电子所需的电流也不同。本文所提的X射线源为双能级，灯丝所需电流为1.2 A和1.8 A。在使用过程中，X射线管会因电子撞击金属靶而产生热[1]。为了不使整个系统发热更严重，X射线管的外围电路应减少发热。而目前大多数电流源都采用压控电流源，该种电流源是采用运放和三极管的结构[2]。其中，三极管上会消耗一部分功率而发热，进而增加X射线发生装置的发热。为了避免这种情况，本文采用效率较高的Buck型开关电源结构，并用SG3525对采样电压进行反馈，实现闭环控制，从而达到输出稳定的目的。
1 系统组成和原理
1.1 系统组成
本电流源系统可分为稳压电源电路、XL4015电压转换电路、开关电源电路、差分放大电路、SG3525反馈电路等部分，其系统组成如图1所示。
1.2 系统的工作原理
系统通过稳压电源电路向XL4015电压转换电路提供DC 24 V电压，向SG3525反馈电路提供DC 15 V电压，向差分放大电路提供DC 5 V电压。XL4015将DC 24 V转换成可调直流电压供给开关电源电路，开关电源电路采用Buck型结构。其输出电压Vo与输入电压Vi之间的关系[3]为Vo=ViD。其中D为开关电源电路中场效应管控制端信号的占空比。通过改变XL4015的输出电压，即改变Vi，就可以改变Vo，从而可以得到大小不同的输出电流Io。反馈部分通过采样电阻对输出电流进行采样，转换成采样电压，OPA2340组成的电路对其进行差分放大后送给SG3525，SG3525将送来的反馈电压与预设电压值进行比较，根据它们的大小关系调节输出PWM波的占空比[4]，从而调节开关电源部分的占空比D，输出新电流。这样就形成系统的闭环调节，从而提高了输出电流的稳定性和精度。
2 系统硬件各功能模块的设计
2.1 XL4015电压转换电路
双能级X射线需要两种不同的电流，开关电源模块的输入应设置成可调，所以选择XL4015电压转换芯片。XL4015将输入DC 24 V转换成合适的电压，送给开关电源模块。它决定了开关电源模块的输入电压，在占空比不变的情况下，也就决定了输出电压，从而确定了输出电流。该电路输出电压Vo1=1.25×[1+R2R3]，考虑到供电24 V，实际输出为1.56～22.5 V。XL4015外围电路如图2所示。
2.2 开关电源电路
开关电源电路为负载提供稳恒的電压，从而提供稳恒的电流。此开关电源电路采用Buck型结构，输出Vo=Vo1D，随着Vo1的改变而改变。如图3所示，R8是采样电阻，选用康铜丝电阻，阻值随温度的变化较小[2]，能准确反映出电流变化；所采电压送给OPA2340差分放大。电流表头与负载串联，用来显示流过负载的电流值。
2.3 差分放大电路
反馈部分包括差分放大电路和SG3525反馈电路.考虑到采样电压较小。一般的放大器对较小电压放大会失效，选用OPA2340轨至轨运算放大器，单电源满幅度输入输出，集成了双运放[5]，可连接成差分放大。电路如图4所示，由电路可知有以下关系，
2.4 SG3525反馈电路
差分放大输出电压Vf输入到SG3525误差放大器（图5所示）的反相输入端1脚，作为反馈，预设电压输入到误差放大器的同相输入端2脚，形成差分输入[7]。误差放大器的输出端即芯片内部PWM比较器的输入端9脚经R20反馈到1脚，构成比例调节。当反馈电压Vf比预设值高时，输出PWM波的占空比减小，开关电源电路中的MOS管导通时间缩短，从而输出电压下降，输出电流减小；反之，当反馈电压Vf低于预设值时，开关电源输出电压上升，输出电流增大。因此，通过调节MOS管驱动信号占空比，从而达到稳定输出电流的目的[7]。
2.5 稳压电源电路
稳压电源采用三端稳压器7805，7815构成，为电路中各芯片供电。
3 控制纹波措施
由于本设计采用的是开关电源方案，在效率高的同时，也带来了纹波大的问题[8]。经过一些滤波措施，有效降低了纹波。
分析产生纹波原因，主要有：
（1） MOS管导通关断瞬间，产生尖峰脉冲；
（2） 电感电容储能放电过程会产生三角波。
针对原因（1），在SG3525输出端OUTA与MOS管栅极之间加一个电阻。这个电阻阻值如果较大，则会产生较大的压降，栅极的电压不足以使MOS管导通；阻值如果较小，则栅极电压跳变陡峭情况未有效改变。综合考虑并经过试验验证，1.5 kΩ阻值比较合适，这样MOS管的导通会变得平缓。未进行改进的输出波形如图6所示，加电阻后的波形如图7所示，可看出输出纹波有减小。
4 系统测试
将X射线管加在本系统上进行测试，用示波器测量输出波形，得出各电流值下的纹波电压，检测结果如表1所示。由表1可看出，在高低能级X射线源所需的1.8 A和1.2 A时，系统输出稳定，纹波较小，满足X射线产生条件。
5 结 语
本设计是采用开关电源和反馈组合形式的电流源，为X射线源提供稳恒的电流。大多数电流源采用压控电流源，三极管上的功耗较大，发热严重。而本电流源采用反馈型输入可调的开关电源结构，效率高，输出稳定，避免了发热严重的问题。实际测试表明，X射线管能正常工作，温度正常，此设计是一个符合实际应用要求的电流源。
参考文献
[1] 马文蔚，解希顺，周雨青.物理学[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2] 范新强，姚兴辉.基于单片机控制的高精度直流电流源系统的开发[J].工矿自动化，2006（6）：49?50.
[3] 梁适安.开关电源理论与设计实践[M].北京：电子工业出版社，2013.
[4] Motorola. SG3525A/SG3527A pulse width modulator control circuits [EB/OL]. [1996?05?23]. http：//www.motorola.com.
[5] Texas Instruments. OPA340/OPA2340/OPA4340 single?supply， rail?to?rail operational amplifiers [EB/OL]. [1997?12?05]. http：//www.ti.com.
[6] 柴西林，史亚盼，杜丽霞.一种高精度闭环数控直流电流源的研制[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：75?80.
[7] 牟翔永，张晓春，林刚，等.基于SG3525的大电流低电压开关电源设计[J].电测与仪表，2013，50（4）：120?124.
[8] 陈纯锴.开关电源原理、设计及实例[M].北京：电子工业出版社，2012：14.
