经过一个多世纪的发展，X射线在各行业的应用日益广泛^[1-3]。灯丝电源作为X射线管的重要核心组件，亦得到了广泛的关注。灯丝电源使用的传统技术是：工频220 V交流电输入，功率因素校正后，经降压变压器加热灯丝。它有以下缺点：体积大、输出电压纹波大、效率不高、灯丝电流稳定性一般^[4-6]。对中大型X射线管灯丝电源，能够满足要求。

本文针对于微型X射线管对管电流的控制要求，设计了推挽结构、高频电磁场耦合能量、闭环反馈电路的小体积、高效率的灯丝电源。

灯丝电源的整体框图如图 1所示，分为两个部分，电路上电工作时，模拟开关自动选定预加热环路部分。初始加热值设定为最大值，通过误差放大器输入到脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)波发生电路，此时间段，输出的两路互补PWM波占空比均为50%，达到能量传递的最大值。驱动电路用来增强电路的驱动能力。当管电流产生，通过取样隔离反馈到前级电路与设定的控制电压比较，若取样电压高于控制电压，则触发模拟开关转换到第二回路。此回路在将电流信号转换为电压信号后，通过闭环反馈控制电路使得管电流趋于稳定^[7]。

图 1

图 1 灯丝电源整体框图 Figure 1 Integrated block diagram of filament power supply.

灯丝电源的核心激励选择了推挽结构。驱动电路简单，电源电压利用率很高，在输入电压很低的情况下仍能维持很大的输出功率^[8-10]。同时，为了进一步提升效率并减小推挽电路中的开关噪声，引入了串联谐振软开关电路，串联谐振软开关推挽电路采用副边串联谐振电路，工作在零电流关断、零电压开通的条件下，相比与普通推挽电路，具有更高的效率和更低的噪声^[11-12]。其电路结构如图 2所示。

图 2

图 2 推挽变换电路 Figure 2 Push-pull conversion circuit.

由于推挽结构需要一对相位相反的PWM波来驱动，所以需要设计一个能输出两路互补PWM波的电路。设计上采用了德州仪器(Texas Instruments)公司生产的高速、低功耗并能输出两路对称PWM波的芯片UCC3808，电路如图 3所示。引入芯片UCC37324，以提高电路的驱动能力。防止推挽电路的金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS)管因关断时的尖峰脉冲过高而损坏，在MOS管Q4、Q5旁均并联了瞬态抑制二极管SMBJ，并且开关管选用耐压值为100V的AM4492。

图 3

图 3 PWM波发生电路 Figure 3 PWM wave generating circuit.

用锰锌铁氧体磁环作为磁芯，它的相对磁导率为20000，尺寸为18mm×10mm×10mm。在磁环上自行绕制优良导线作为线圈，从线圈中间引出抽头，使得输入两路互补的PWM波输入到该激励线圈时，环路能够通过推挽的方式来通过电磁场传递能量，提高工作效率。在高频锰锌铁氧体磁环初级所绕制的线圈的初次级匝数比为3:1，可适当提高次级线圈的感生电流^[13]。为了提高能量传递的效率，采用的设计有：在保证高效率的条件下，使推挽电路的驱动频率尽可能地高；所设计次级线圈的环路的直径约为35mm；采用黄铜管来作为次级线圈的材料。

闭环反馈环路1如图 4所示。En为电路使能信号，Rdy为管电流超过预定值的触发信号。Rdy默认为低电平，电路使能后，仅当管电流超过设定值时Rdy才跳转为高电平。

图 4

图 4 闭环反馈环路1 Figure 4 Closed-loop feedback loop 1.

系统上电后，En默认为低电平，模拟开关1和2均导通，此时UCC3808无PWM波输出。当En变为高电平后，模拟开关1断开，环路1正常工作。电路对UCC3808输出的PWM波取样滤波后，将信号反馈入同向比例放大器，然后输入到误差放大器的同相端，与设定值（默认最大值）比较后，误差放大器输出电压至UCC3808的反馈输入端FB，改变PWM波的占空比到电路趋于稳定。由于误差放大器反向端设定值默认+5V，所以当反馈环路稳定时，PWM波占空比达到最大值，灯丝上得到的能量也最大。

当产生管电流后，首先对管电流进行取样，通过精密电阻将电流信号转换为电压信号。接着对转换过后的电压信号进行了π型LC滤波。采用一般LC/LT型滤波器时，通常会因为源与滤波器端阻抗的不匹配而导致电路在某一频率下和电路中其它元件产生谐振，从而影响到电路正常工作。在滤波器输入端增加一个滤波电容，改变滤波器入端的阻抗，便构成了π型滤波电路。来自“源”或“负载”的噪声先经过低阻抗的滤波电容回路，再进入LC型滤波电路，这样的滤波电路也可以同时抑制来自电源和电路侧的噪声和谐波信号。然后通过运放的隔离与反向，将取样滤波后的信号反馈到前级与设定的管电流初始值比较。若当前的管电流大于设定值，比较器LM393将输出高电平到D触发器MC74HC74的时钟端，MC74HC74的输出端Rdy将输出高电平，使得模拟开关2关闭、模拟开关3打开，电路进入反馈环路2，如图 5。反馈环路2即一个闭环反馈控制调节。将反馈回来的管电流信号输入到UCC3808，从而控制输入PWM波的占空比和灯丝电流的大小，使管电流趋于稳定^[13-14]。

图 5

图 5 闭环反馈环路2 Figure 5 Closed-loop feedback loop 2.

灯丝电源中产生电磁干扰最大的部分就是MOS管用推挽的方式驱动磁环的部分。当MOS管工作频率提高时，开关的切换速度更快，电磁干扰也将增大。所以，开关器件的工作频率与电磁干扰的大小成正比关系。降低电磁干扰采取的措施是设计了LC无源吸收电路，并在电路周围披覆一层接地的金属屏蔽膜。

灯丝电源的效率受到频率、PWM波的占空比、输入电流、负载电阻、输入功率的影响，最后综合考虑，选择了频率为100kHz。将PWM波的占空比设置为50%，当电路反馈环路建立稳定后，用示波器测得PWM波发生电路输出的两路互补PWM波的波形如图 6所示。

图 6

图 6 两路互补PWM的波形 Figure 6 Two complementary PWM waveform.

微型X射线管的阴极灯丝的等效电阻为12W，所以将灯丝电流带上1.5W的功率电阻进行效率测试。在不同推挽频率下，对灯丝电源的效率进行了测试，结果如表 1所示。

表 1

表 1 不同推挽频率灯丝电源的效率 Table 1 Efficiency of different frequency of push-pull filament power supply. 频率Frequency/kHz PWM占空比PWM duty cycle/% 输入电流Input current/A 负载电阻Load resistance/W 输入功率Input power/W 效率Efficiency/% 200 50 1.01 1.5 12.12 61.7 180 50 0.98 1.5 11.76 66.3 160 50 0.97 1.5 11.64 69.4 140 50 0.94 1.5 11.28 73.6 120 50 0.92 1.5 11.04 77.4 100 50 0.91 1.5 10.92 82.6 80 50 0.93 1.5 11.16 80.2 60 50 0.94 1.5 11.28 78.1 40 50 0.99 1.5 11.88 74.3

表 1 不同推挽频率灯丝电源的效率 Table 1 Efficiency of different frequency of push-pull filament power supply.

采用本文设计的灯丝电源的微型X光管，在管压15kV、管流10mA条件下，激发铜箔，采用X射线SiPin探测器测量能谱曲线，获得其铜峰的净峰面积，每5s测量一次净峰面积计数，测试数据如下，计算可得平均计数为3 052.4，标准差为6.95，相对标准偏差为0.227%。

图 7

图 7 5s净峰面积计数的连续测量数据散点图 Figure 7 5-s count net peak area of continuous measurement data scatter plot.

本文设计的X光管灯丝电源驱动电路不同于常规设计的灯丝电源，增加了上电加热环路，保证上电时最快速度加热灯丝，使灯丝处于最佳工作状态，之后才开启管流闭环控制使管流与预设值相等，继而开始工作。相较于传统比例积分微分(Proportion Integration Differentiation, PID)调节方式，当预设管流较小时，在PID调节初期实际驱动灯丝的功率很小，需要较长的时间才能达到调节稳定状态，因此需要较长时间的用户等待时间。本文的设计方法可缩短等待时间。本文设计的X光管其管流的稳定性目前实测只能达到0.227%，对于高精度X荧光元素分析还略有不足，其原因主要是高压电源叠加在灯丝上的纹波，以及管流闭环反馈回路的参数未达到优化，拟在今后工作中改进提高。