球面超声换能单管驱动装置、方法、控制系统及治疗设备与流程

本发明属于一般控制与调节，尤其涉及一种球面超声换能单管驱动装置、方法、控制系统及治疗设备。

背景技术：

1、球面聚焦超声换能器根据振元数量可以分为两类，一类是球面单片自聚焦超声换能器，另一类是球面多片阵列式聚焦超声换能器。其中，球面单片自聚焦超声换能器具有结构简单的优点，但是，同时存在加工精度难以保证，以及无法对超声波的入射方向和焦域进行调整的目的。球面多片阵列式聚焦超声换能器是将多片振元均匀排列在球面支座上，并将振元通过串并联形成一个大功率的超声换能器。

2、超声换能器的驱动装置属于一般控制与调节系统，是高强度球面聚焦超声治疗设备所包括的核心组成部件。超声换能器的驱动装置主要体现在如何产生适合超声换能器工作的稳定交流电能。目前，产生交流电能的方式主要分为两大类，分别是无源逆变和谐振变换器。无源逆变就是将直流电能变换成交流电能的过程，其中把直流电能变换到交流电能，再直接向非电源负载供电的电路，称之为无源逆变电路。现阶段，经常使用的无源逆变电路包括单相半桥逆变电路、单相全桥逆变电路和推挽式单相逆变电路。

3、另外，谐振变换器是将lc振荡电路与负载串联或并联，将lc振荡电路的振荡电压和振荡电流加在负载上，使得电力半导体器件可在零电压或零电流状态下进行开关。通过改变电力半导体器件可在零电压或零电流状态下进行开关。通过改变电路半导体器件的开关频率，来调节谐振电路的阻抗，从而控制换能器的功率传输。

4、现有技术提供一种用于超声换能器的驱动装置，该驱动装置包括用于产生方波信号的方波发生电路，用于对方波信号进行调制以实现对超声输出能量进行控制的pwm调制电路，以及用于将方波信号转换为正弦波驱动信号、并将正弦波驱动信号提供给超声波换能器的功率放大电路。其中，方波发生电路产生的方波信号频率稳定以抑制频率漂移，pwm调制电路能够对占空比进行精确的调制以实现超声波输出能量的准确控制，热敏电阻负反馈电路能够抑制超声波输出能量的波动。该驱动装置的核心是采用推挽式单相逆变电路，主要的缺陷在于推挽式单相逆变电路本身。即由于逆变电路的结构特点，能够稳定输出恒压的交流电。恒压的交流电适用于纯阻性负载。但超声换能器由于材质（压电陶瓷）特性，其负载阻抗受多种因素的影响而不断变化，即超声换能器为非纯阻性负载。在电压不变阻抗发生变化的情况下，超声换能器的输出功率将会发生变化，变化的输出功率在超声治疗过程中不允许发生。虽然现有技术提出一种降低或消除输出功率变化的措施，即使用热敏电阻，反馈功率开关的发热情况，根据发热情况调节阻值，改变驱动电源的输出电压，从而改变推挽式逆变电路中的电流，最终调节超声换能器输出功率的波动。上述措施虽然对于超声换能器输出功率变化有所改善，但由于其调节速度较慢，不适用于低功率发射的应用场景，所以无法从根本上解决超声功率变化的问题。

5、现有技术还提供一种恒功率开关电源，其包括输入端和与负载连接的输出模块，还包括电压传感器、电流传感器、处理单元以及功率控制模块。其中，电压传感器用于监测恒功率开关电源的负载的电压，电流传感器用于监测流过负载的电流，将测得的电压和电流信号传送给功率控制模块；处理单元用于向功率控制模块提供功率控制信号。并且，功率控制模块用于根据从电流传感器接收到的电流信号、从电压传感器接收到的电压信号以及从处理单元接收到的功率控制信号来控制输出模块向恒功率开关电源输出的电功率的大小。

6、该恒功率开关电源使用的是逆变电路，为了解决超声输出功率变化的问题，加入了负载电压和电流的采集装置，通过乘积调整电路，计算出实际功率。并将此功率信号和锯齿波信号送入比较器，其输出结果决定了信号脉宽控制电路输出信号的脉宽，即信号频率。此频率即是超声换能器的工作频率。也就是说，恒功率开关电源的核心是通过实时地改变超声换能器的工作频率，从而改变超声换能器的工作阻抗，将阻抗调整到不受外界影响的状态，从而弥补超声换能器由于阻抗变化而引起输出功率变化的问题。

7、但其不足之处在于改变了超声换能器的工作频率，超声换能器的工作频率是具有一定带宽，超出带宽时会对超声治疗产生重大的影响。同时，由于多元阵列换能器由若干数量的压电振元组成，各压电振元的工作频率不统一，通过调整工作频率无法真正地满足所有压电振元的工作性能，即此驱动方式不适合多元阵列换能器。

8、综上，依据多元阵列球面聚焦超声换能器的工作特性，亟待提出一种能够在单一驱动频率下，实现超声换能器输出功率稳定的单管驱动装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种球面聚焦超声换能器单管驱动装置、方法、控制系统及治疗设备，用于实现多元阵列球面聚焦超声换能器在单一驱动频率下，自适应地调节输出功率的目的，从而实现超声换能器发射功率的稳定性，提高超声治疗的可靠性。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种球面聚焦超声换能器单管驱动装置，球面聚焦超声换能器为球面多片阵列式聚焦超声换能器，其配置有m个压电振元，m个压电振元中的n个为一组，共形成m/n组振元单元，位于同一组振元单元内的n个压电振元并联、串联或混联在一起。一组振元单元对应配置一个驱动装置，一个驱动装置用于同时为振元单元所包括的n个压电振元提供相等的驱动功率。每一驱动装置包括依次连接的方波发生电路、相位调节电路和功率放大电路；

4、其中，方波发生电路用于产生具有预设频率的方波信号，方波发生电路中的复杂可编程逻辑器件产生使能信号，使能信号用于选通具有预设频率的方波信号。

5、驱动装置分别驱动一组振元单元中的n个压电振元，且n个压电振元同时工作，此时，方波信号需要在同一时刻到达功率放大电路，基于此，在功率放大电路和方波发生电路之间设置相位调节电路，具有预设频率的方波信号和使能信号发送至相位调节电路，以输出同步方波信号。

6、功率放大电路包括依次连接的功率开关元件驱动电路、单管谐振电路和匹配电路。其中，功率开关元件驱动电路接收同步方波信号，以输出升压同步方波信号。单管谐振电路接收升压同步方波信号，以输出等效谐振正弦波信号。匹配电路对压电振元的阻抗进行纯阻性变换，匹配电路接收等效谐振正弦波信号，并输出正弦波，正弦波为压电振元的正弦驱动信号。

7、作为一种可能的实现方式，方波发生电路包括依次连接的振荡电路、分频电路、整形电路和保护电路。振荡电路产生具有基础频率的正弦波信号，并对具有基础频率的正弦波信号进行逻辑化处理，获得具有基础频率的方波信号。分频电路接收逻辑化处理后且具有基础频率的方波信号，对该方波信号进行第一次分频处理，获得具有一次分频频率的正弦波信号。对具有一次分频频率的正弦波信号经由电阻和电容组成的第二滤波电路对其进行滤波处理。整形电路接收滤波处理后且具有一次分频频率的正弦波信号，对其进行整形处理，以获得具有一次分频频率的方波信号。对具有一次分频频率的方波信号进行第二次分频处理，第二次分频处理为2分频，获得具有二次分频频率的方波信号，二次分频频率为预设频率，此时，获得具有预设频率的方波信号；整形电路还用于产生使能信号。保护电路接收具有预设频率的方波信号和使能信号，以使具有预设频率的方波信号和使能信号在传输过程中产生的共模电压小于共模电压的阈值。

8、作为一种可能的实现方式，振荡电路为无源晶体振荡电路，无源晶体振荡电路包括无源晶体振荡器、复杂可编程复杂可编程逻辑器件和第一外围电路。其中，无源晶体振荡器产生具有基础频率的正弦波信号。复杂可编程复杂可编程逻辑器件接收具有基础频率的正弦波信号，并对其进行逻辑化处理，获得具有基础频率的方波信号。第一外围电路用于为无源晶体振荡器提供负载电容，第一外围电路还包括反馈电阻和震荡幅值限制电阻。

9、作为一种可能的实现方式，分频电路包括数字合成器和第二外围电路，数字合成器用于对具有基础频率的方波信号进行第一次分频处理。第二外围电路包括第一滤波电路和第二滤波电路，第一滤波电路用于对数字合成器所产生的参考源进行滤波处理，第二滤波电路对具有一次分频频率的正弦波信号进行滤波处理。

10、作为一种可能的实现方式，整形电路包括线驱动器和复杂可编程复杂可编程逻辑器件，线驱动器接收具有一次分频频率的正弦波信号后对其进行整形处理以获得具有一次分频频率的方波信号。复杂可编程复杂可编程逻辑器件对具有一次分频频率的方波信号进行第二次分频处理，以获得具有二次分频频率的方波信号。复杂可编程复杂可编程逻辑器件产生使能信号，具有二次分频频率的方波信号和使能信号传输至线驱动器，以对具有二次分频频率的方波信号和使能信号进行增强处理。

11、作为一种可能的实现方式，保护电路是由光耦组成的保护电路。

12、作为一种可能的实现方式，相位调节电路依次连通的rc延时电路和斯密特触发器；其中，rc延时电路接收具有预设频率的方波信号，调节rc延时电路中的电位器，使具有预设频率的方波信号同步输出。斯密特触发器接收使能信号，对具有预设频率的方波信号的失真信号进行整形处理，以将完整的具有预设频率的方波信号同步发送至功率放大电路中。

13、作为一种可能的实现方式，功率开关元件驱动电路包括功率开关元件驱动芯片和第三外围电路，功率开关元件驱动芯片接收同步方波信号，以输出升压同步方波信号。第三外围电路是由电阻和稳压管构成的第三外围电路，其中，电阻为限流电阻，稳压管用于防止升压同步方波信号的电压瞬间过高。

14、作为一种可能的实现方式，单管谐振电路包括功率开关元件，与功率开关元件连通的谐振子电路，以及与功率开关元件并联且与谐振子电路串联的二极管。其中，谐振子电路是由电容和变压器组成的电路。其中，功率开关元件接收升压同步方波信号，并对升压同步方波信号进行斩波处理，使直流电在预设频率下对谐振子电路充电，功率开关元件按照预设频率开启和关断，利用谐振子电路的容性阻抗和感性阻抗的谐振作用，产生等效谐振正弦波信号，二极管用于保护功率开关元件。

15、作为一种可能的实现方式，匹配电路包括与变压器串联的两个彼此并联的电容，以及与变压器并联的电阻。

16、作为一种可能的实现方式，基础频率为3mhz～20mhz，一次分频后的频率为0.5mhz～4mhz，二次分频后的频率为0.25 mhz～2mhz，预设频率等于二次分频后的频率，即预设频率为0.25mhz～2mhz。

17、第二方面，本发明还提供一种球面聚焦超声换能单管驱动方法，第一方面的单管驱动装置执行单管驱动方法，球面聚焦超声换能器为球面多片阵列式聚焦超声换能器，其配置有m个压电振元，m个压电振元中的n个为一组，共形成m/n组振元单元，位于同一组振元单元内的n个压电振元并联、串联或混联在一起；一组振元单元对应配置一个驱动装置，一个驱动装置用于同时为振元单元所包括的n个压电振元提供相等的驱动功率；驱动方法包括如下步骤：

18、s10. 产生具有预设频率的方波信号，方波发生电路中的可编程复杂可编程逻辑器件产生用于选通方波信号的使能信号。

19、s11. 驱动装置分别驱动一组振元单元中的n个压电振元，且n个压电振元同时工作，此时，方波信号需要在同一时刻到达功率放大电路，基于此，方波信号和使能信号发送至相位调节电路，以输出同步方波信号。

20、s12. 功率放大电路包括依次连接的功率开关元件驱动电路、单管谐振电路和匹配电路。其中，功率开关元件驱动电路接收同步方波信号，以输出升压同步方波信号。单管谐振电路接收升压同步方波信号，以输出等效谐振正弦波信号。匹配电路对压电振元的阻抗进行纯阻性变换，匹配电路接收等效谐振正弦波信号并输出正弦波，正弦波为压电振元的正弦驱动信号。

21、第三方面，本发明还提供一种控制系统，所述控制系统应用第一方面所述的驱动装置。

22、第四方面，本发明还提供一种，治疗设备应用第三方面提供的控制系统。

23、与现有技术相比，本发明具有如下效果：

24、1. 利用谐波电路的结构特点，可以将换能器的阻抗通过匹配电路进行近似的等效变换，即将高频变压器后级电路中的阻抗近似等效为谐振电路中的容性和感性阻抗。这就使得换能器的阻抗与谐振电路中阻抗融为一体，换能器在受到外界因素的影响下，其阻抗发生的变化也就等同于谐振电路发生的变化。通过单管谐振电路的谐振作用，自适应地调节超声输出功率，保证其稳定性。从而实现了换能器在同一频率下工作，其输出功率能够自适应地调节到稳定的状态。

25、2. 本发明提供的功率放大电路为并联谐振电路，即由电容、变压器、匹配电路和换能器构成的谐振回路为并联谐振电路。基于此，可以使谐振回路工作在等效阻抗最大点，该点的工作电流最小，相应的，需要提供较大的激励电压驱动换能器。此时，由于工作电流比较小，换能器整体发热或热功率较小。从而能够有效的降低热漂移，以确保整个驱动装置达到稳定的输出。

26、3. 串联谐振电路为电流型驱动，电流型驱动在电流采样反馈方面存在困难和复杂度高的问题，尤其是换能器驱动频率较高时，电流采样反馈变得更困难、更复杂，这将不利于驱动装置的闭环控制。而本发明采用的并联谐振为电压型驱动，能够有效的规避串联谐振在闭环控制存在的缺陷。

27、附图说明

28、此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

29、图1为本发明实施例提供的球面聚焦超声换能器驱动装置的框图；

30、图2为本发明实施例提供的方波发生电路的框图；

31、图3为本发明实施例提供的方波发生电路的电路图；

32、图4为本发明实施例提供的相位调节电路的框图；

33、图5为本发明实施例提供的相位调节电路的电路图；

34、图6为本发明实施例提供的功率放大电路的框图；

35、图7为本发明实施例提供的功率放大电路的电路图。