高频X线机管电压调整电路的工作原理及故障分析

高频X线机管电压调整电路的工作原理及故障分析
赵祥坤;于广浩;李永生
【摘要】High frequency X-ray machine and power frequency X-ray machine differ from voltage adjusting circuit. SCM TL594 is the core device in voltage adjusting circuit of high -frequency X -ray machine. Its application has a strong representation in high frequency X -ray machine's tube voltage adjustment. The tube voltage and frequency of high frequency X-ray machine are controlled by the output pulse width and frequency of TL594 .The understanding of the operating principle of TL594 not only has certain theory significance for high frequency machine teaching but also practicalrnsignificance for the high frequency machine troubleshooting.%高频X线机区别于工频X线机的主要电路是管电压调整电路,而单片机TL594又是管电压调整电路中的核心器件,它的应用在高频机管电压调节中具有较强的代表性.TL594是通过改变输出脉宽和频率,直接控制高频X线机X线管电压的高低和频率的大小通过对TL594每一个管脚功能的深入探讨,研究TL594在高频X线管电压调节中的工作原理,将不仅对高频机教学具有一定的理论意义,而且在高频机故障排除中具有较强的实践意义.
【期刊名称】《医疗卫生装备》
【年(卷),期】2013(034)002
【总页数】3页(P133-135)
【关键词】TL594;HF50R;高频X线机;管电压调节
【作者】赵祥坤;于广浩;李永生
【作者单位】牡丹江医学院,黑龙江牡丹江157011
【正文语种】中文
【中图分类】R318.6;TH774
0 引言
高频X线机与中频、工频X线机相比具有绝对的优越性。

这主要表现在其对患者的皮肤辐射剂量低、输出剂量大、智能化程度高、体积小、质量轻、短时曝光等诸多方面。

目前，传统工频X线机已经逐渐淡出市场，多数X线机都采用中、高频机。

数字X射线成像设备中几乎都采用了高频技术[1]。

因此，对高频机的研究愈显重要。

其中，管电压调整电路是高频机的核心，本文将以北京万东HF50R高频机型为例，以单片机TL594为切入点，对高频机管电压调整电路工作原理及故障进行分析和探讨。

1 管电压调整电路的工作原理
该电路主要完成管电压调整、管电压保护和管电流采样信号的处理功能。

本人在此仅对管电压调整部分的工作原理作详细阐述。

1.1 TL594的管脚分布及功能
TL594是为开关模式电源控制电路设计的一种能够提供频率固定、脉宽可调的集成芯片。

如图1所示，它由2个误差放大器（error amp）、死区比较器（deadtime comparator）、振荡器（oscillator）、基准电压稳压电路（reference regulayor）、脉宽调制比较器（PWM comparator）以及相关的输出电路组成。

TL594管脚分布及功能如图2所示，其中1和2脚:第一组误差放大器的同相、反相输入端，电压范围为-0.3～-2.0 V。

16和15脚:第二组误差放大器的同相、反
相输入端，电压范围为-0.3～-2.0 V。

12 脚:电源 Vcc，工作电压为 7～40 V。

3 脚:2组误差放大器的输出端或反馈端。

7脚:GND。

8和9脚，11和10脚:2组三极管输出端，其中8、11脚是集电极，最高工作电压为42 V；9、10脚是发射极，单独工作时最高工作电流为500 mA。

6 脚（RT）、5 脚（CT）:振荡器的频率设置端，其频率为 fosc=1.1/RtCt。

14 脚:5 V 参考电源。

13 脚:工作方式选择端，
参考输入工作电压≤5.3 V，当 13 脚输入高电平（=Vref）时，则2组三极管为推挽式输出；当输入低电平时（≤0.4 V），则2组三极管为同步输出。

4脚:死区时
间控制，0.3～5.3 V有效。

2.2 管电压调节的工作原理
HF50R高频机管电压调整电路的核心器件是单片机TL594。

采用单片机系统代替
原有微电控制系统，机器工作更稳定，性能更完善，故障率降低[2]。

它的主要功
能是通过对管电压给定信号和采样信号进行比较来调整脉宽，以固定频率（25 kHz）输出方波，并根据脉冲的宽窄调整管电压的高低。

如图2所示，TL599在HF50R型高频机采用12 V供电。

6脚、5脚为振荡器的
频率设置端，通过微调VR1将本机器振荡频率调节为25 kHz。

2脚为来自CPU
的管电压设定值，1脚为来自高压发生器的实际管电压采样值。

设定和采样值1 V 对应33 kV。

15脚输入固定电压2.5 V。

16脚在本设备中实际起TL594低电平使能的开关作用，它接收分别来自CPU的使能信号和管电压过载保护信号。

3脚经
电容C5与2脚形成具有微分效应的负反馈。

13脚与14脚参考电源相连，使9
脚和10脚为推挽式脉冲输出。

8脚和11脚接12 V电源，决定了脉冲幅值为12
V[3]。

图1 TL594功能逻辑图
图2 TL594管脚分布图
HF50R管电压调节是通过IPM模块导通时间控制的。

导通时间长，则高压变压器初级电压高，实际管电压上升；导通时间短，则高压变压器初级电压低，实际管电压下降。

而IPM模块导通时间是由TL594输出脉冲占空比控制的，具体电路连接如图3所示。

图3 TL594调节电路
开机后，CPU首先送来5 V高电平给16脚，大于15脚的2.5 V，使差动放大器2输出高电平，继而锁定了脉冲输出。

当按下手闸二挡以后，CPU给16脚送来低电平使能信号，TL594开始工作。

此时脉宽由2脚设定值和1脚采样值比较而决定。

当采样值低于设定值时，脉冲以4脚死区电压所限制的最大脉宽输出，4脚死区电压由电阻器RV2决定，出厂时已设置好了。

当采样值高于设定值时，差动放大器1将输出二者差值，差值越大，控制信号电平越高，该信号与振荡器输出的锯齿波电压比较，当锯齿波电压高于控制信号时，9脚和10脚按锯齿波频率的
1/2输出，脉宽由每周期锯齿波电压高于控制信号时间决定。

控制信号电平越高，输出脉宽越窄。

由以上分析可知，TL594完成这样一种功能:当采样值低于设定值时，输出脉宽增加，提升管电压；当采样值高于设定值时，输出脉宽变窄，下调管电压。

这样，设定值与采样值通过闭环反馈，使管电压与设定值保持一致。

2 电压调整电路故障分析
同一故障现象可能由多方面原因造成，在排除CPU、高压油箱以及逆变设备等其他外围故障的可能后，本文只针对由电压调整电路产生的相关故障进行探讨。

2.1 无管电压故障
2.1.1 故障现象
在曝光条件下，TL594的损坏将会使HF50R高频机得不到管电压DR1、管电压
DR2信号，并最终表现为无管电压信号。

2.1.2 故障分析与排除
首先，确定高压油箱是否真的无管电压，检测方法是:测量管电压调整板上的TP2
测试点电压，此按10 V相当于33.3 kV比例采样于高压油箱的实值，因此可以通过对TP2点的测量确定管电压存在与否。

其次，测量TP1点管电压设定信号是否存在，该点给定信号是按1 V相当于33.3 kV比例控制管电压的高低。

在设定信号存在的情况下，若TP2点电压高于4.8 V，则实际电压高于160 kV，
此时高电平过载保护信号已将封锁TL59416脚继而表现为无管电压现象。

此时应
先排除管电压过载故障。

若TP2点无电平，且16脚电平为低电平，则应检测TL594工作状态。

在HF50R 机型中，为避免IPM短路和提高抗干扰能力，管电压驱动脉冲信号并非直接控制IPM逆变模块的IGBT晶体管，而是通过TL594驱动光耦E1～E4再控制IGBT
Q1～Q4按次序导通[4]。

光耦导通的必要条件是两触发脉冲必须反相，因此，13
脚出现断路或TL594参考电压缺失，9、10脚同相输出方脉冲，使光耦不能工作，继而无法触发IGBT，从而表现为无管电压故障。

此时应检测13脚是否为高电平
和检测TL594供电是否正常。

2.2 管电压过低故障
2.2.1 故障现象
管电压的A/D反馈值超过设定值20%，设备报警停止工作，故障代码为E15。

2.2.2 故障分析与排除
当排除变压器等其他硬件故障后，我们应考虑由TL594相关问题产生的可能性。

首先，可能因死区电压调节过高而产生。

当4脚电压过高后，导致触发脉冲宽度
过窄，致使管电压无法按设定值升高，此时会出现管电压过低报警。

此时应将电阻器RV2调小，降低4脚电压。

另外，需要检测TL594-1脚采样反馈端是否发生断路使电压闭环调节失效，需将
发生短路的控制线修复。

2.3 管电压过载故障
2.3.1 故障现象
管电压的A/D反馈值超过设定值20%，设备报警停止工作，故障代码为E14。

2.3.2 故障分析与排除
此故障多是由电压调整电路振荡频率不准而产生的。

当TL594振荡频率过高时，
根据电磁感应定律我们得知，变压器次级输出电压U=4.44fBSW×10-4（其中，f 为频率，B为磁场强度，S为铁芯截面积，W为线圈匝数），频率升高后总的输出电压将升高。

同时，频率的升高也会导致变压器的铜损增加，集肤效应加剧，变压器和导线将会发热，降低负载能力，发生电压过载或变压器发热等故障。

另外，由于振荡频率的不准，有可能使变压器发生谐振，出现过电压、过电流故障。

因此，出现此类故障时，应考虑TL594振荡频率的准确度，通过检测TP3测试点，微调电阻器RV1使振荡频率至29 kHz。

同时也应考虑是否因TL594-1脚采样反
馈端发生断路使电压闭环调节失效而造成的管电压过载故障[5]。

3 结语
在设备的实际维修中，对高频机电压调整电路工作原理的掌握一方面可以提高医疗设备教学中对高频机各个管脚信号的理解，从而对高频X线机有一个整体上的把握；另一方面，不管是国内还是国外，目前数字高频X线机管电压实现方法基本
相同，因此通过对此机型高频实现和控制电路的分析，可以很大程度拓宽我们的维修思路，为整机操作和维修工作打下一个良好的基础。

[参考文献]
【相关文献】
[1]韩丰谈，朱险峰.医学影像设备学[M].北京:人民卫生出版社，2004.
[2]杨彪，童默颖，雷伟杰.高频X光机中X线球管的电压与电流控制[J].电子技术，2003（10）:69-71.
[3]洪国慧，李伟.基于TL594的PWM电路在高频机中的应用及故障分析[J].电子元器件应用，2000，11（6）:27-29.
[4]齐现英，韩丰谈，韩进，等.单片机在HF-50R型X线机中的应用分析[J].医疗装备，2000，26（6）:39-40.
[5]洪国慧.浅谈北京高频机kV工作原理及其相关故障分析[J].现代医学仪器与应用，2008，20（3）:78-79.。