一種紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路

遲玉剛 唐征宇 張則樂 王安意

1.安徽省蚌埠市第一人民醫(yī)院，安徽蚌埠 233000；2.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽蚌埠 233010

0 引言

紅外偏振光治療儀是采用光電技術，將光譜范圍在0.6～1.6μm特殊光能作用于人體疼痛部位和穴位，對患者進行治療的儀器[1]（圖1）。通過配置不同規(guī)格的治療頭，使偏振光與近紅外光有效整合，實現深淺組合、點面結合。主要適用神經內科、疼痛科、康復理療科等科室。通過人機界面、觸摸屏和按鍵的交互控制，可以選擇多種治療模式供不同病患使用，還有藥方病例的存儲與加載、音樂舒緩治療、安全檢測報警、病例和治療信息導出等一系列功能[2]。

1 常規(guī)紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路缺陷

圖1 紅外偏振光治療儀外形圖

常規(guī)紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路原理[3]如圖2所示。由AC-DC穩(wěn)壓模塊、DC-DC穩(wěn)壓模塊、D/A參考電壓電路、取樣電路、比較電路、積分電路構成。AC-DC穩(wěn)壓模塊把220V 50Hz交流電源信號轉化成直流電源。DC-DC穩(wěn)壓模塊將直流電源轉化成驅動鹵素燈的程控電壓源。帶有電壓控制端TRIM信號的DC-DC穩(wěn)壓模塊可以看成一個壓控電壓源，一般來說，壓控曲線是非線性的，典型的壓控曲線是負指數型的。例如，當TRIM控制信號的電壓為0V時，DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓最高，此時輸出電壓相對TRIM電壓曲線最陡峭，當TRIM控制信號的電壓為最大值時，DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓最低，約為0V，此時輸出電壓相對TRIM電壓曲線最平滑。參考電壓電路包括D/A轉換電路，產生控制輸出電壓的參考信號。取樣電路得到鹵素燈驅動電路輸出信號的電壓。積分電路一般采用有源電路形式，由運算放大器、電容、供電電源等電路構成，通過比較參考信號與輸出信號的電壓，積分電路產生控制DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓的負反饋信號。由于鹵素燈通常采用直流驅動，運算放大器的正電源輸入腳接一個正電壓電源，運算放大器的負電源輸入腳接地。這種電路形式，在輸出最高電壓時，穩(wěn)幅環(huán)路不易鎖定，限制了最大輸出電壓，影響了鹵素燈驅動電路的帶負載能力。以驅動15V 10A鹵素燈為例，其最高輸出電壓可達12V左右，不能滿功率驅動150W鹵素燈。

2 優(yōu)化設計的紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路

針對常規(guī)紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路最大輸出功率偏低，不能充分滿足大功率鹵素燈的滿功率驅動要求，設計了一種驅動能力強、電壓范圍寬、體積小、精度高的紅外偏振光治療儀鹵素燈高性能驅動電路[4]，克服了現有技術的不足，具有良好效果。

優(yōu)化設計方案包括AC-DC穩(wěn)壓模塊、DC-DC穩(wěn)壓模塊、參考電壓電路、取樣電路、比較電路和積分電路[5]。AC-DC穩(wěn)壓模塊，被配置為用于將220V 50Hz交流電源信號轉化成直流電源；DC-DC穩(wěn)壓模塊，被配置為用于將直流電源轉化成驅動鹵素燈的大功率程控電壓源；參考電壓電路，包括一個D/A轉換電路，被配置為用于產生控制輸出電壓的參考信號；取樣電路，被配置為用于獲取鹵素燈驅動電路輸出信號的電壓；比較電路，被配置為用于比較參考信號與輸出信號的電壓；積分電路，包括運算放大器、電容和供電電源，被配置為用于產生控制DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓的負反饋信號[6]。

該紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路中積分電路由兩個積分單元級聯而成，使得積分電路的低頻增益加大，增大了對誤差電壓的靈敏度，提高了穩(wěn)幅環(huán)路的鎖定速度[7]。通過給積分電路增加一組負電源，使得驅動電路的穩(wěn)幅環(huán)路更容易鎖定，大大提高了驅動電路的輸出電壓范圍，增強了對大功率鹵素燈的驅動能力，輸出電壓范圍達0～15V，能夠滿功率驅動150W鹵素燈。使用本文論述的鹵素燈驅動電路，設計的K1000系列紅外偏振光治療儀，在輸出光功率、偏振度等核心指標上，優(yōu)于國外同類儀器[8]。積分電路由兩級積分單元級聯而成，提高了穩(wěn)幅環(huán)路的鎖定速度。

如圖3所示，AC-DC穩(wěn)壓模塊把220V 50Hz交流電源信號轉化成24V直流電源。DC-DC穩(wěn)壓模塊將24V直流電源轉化成驅動鹵素燈的150W大功率0～15V程控電壓源。參考電壓電路包括一個D/A轉換電路，產生控制輸出電壓的參考信號。取樣電路得到鹵素燈驅動電路輸出信號的電壓。積分電路由運算放大器、電容、供電電源等電路構成，通過比較參考信號與輸出信號的電壓，積分電路產生控制DC-DC穩(wěn)壓模塊輸出電壓的負反饋信號。

圖2 常規(guī)紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路原理框圖

圖3 紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路原理框圖

采用高集成度、高開關頻率的大功率AC-DC穩(wěn)壓模塊、DC-DC穩(wěn)壓模塊，大大降低了電路的體積[9]。以驅動15V 10A鹵素燈為例，其最高輸出電壓可達15V，能夠滿功率驅動150W鹵素燈，圖4是本紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路DC-DC電路原理框圖。

圖4 紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路DC-DC電路原理框圖

3 常規(guī)電路輸出電壓與優(yōu)化后電路輸出電壓的對比

實驗結果如表1所示。

4 結論

本文的紅外偏振光治療儀鹵素燈驅動電路優(yōu)化設計方案，驅動電路的輸出電壓范圍更大，穩(wěn)幅環(huán)路更容易鎖定，增強了對大功率鹵素燈的驅動能力，電路性能得到很大提高。

表1 常規(guī)電路輸出電壓與優(yōu)化后電路輸出電壓的對比