一种小功率低失真正弦功率源设计

摘要：正弦功率源输出波形的失真问题在实际应用中一直较难解决，而在某些特定应用场合中需要低失真的正弦功率源，比如医疗器械中的射频消融类设备需要450Khz左右的小功率低失真正弦功率源。本文试设计一种小功率低失真正弦功率源模型，它以DDS数字频率合成器为激励源，使用乘法器调幅，通过功放环节输出正弦信号。该功率源模型输出的正弦波失真度较低，并且幅值和频率均可调，其可应用于对输出功率要求不高但对输出失真度要求高的场所。

关键词：正弦功率源；低失真；小功率；幅频可调；射频消融

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医疗设备中经常使用几百Khz正弦功率源，比如射频消融相关手术仪器中通常需要一个（450±50）kHz的小功率正弦功率源¬[1]，因为射频消融手术的时间一般在10-12分钟，所以医疗设备中的正弦功率源的效率并不是考虑的主要因素，而波形的失真度对治疗效果有直接影响，因此波形的失真度在这类设备中为主要考虑因素。

传统的PWM纯正弦逆变器输出的正弦波频率的上限不高，它较为成熟且广泛的用于中低频正弦波逆变器而无法较好的工作在高频率段，通常在400Khz-500Khz这个频率段上的纯正弦功率源大多采用谐振式逆变输出，基本的谐振式逆变方式有LC串联谐振式逆变输出、LC并联谐振式逆变输出、LLC串并联谐振式逆变输出及LCC串并联谐振式逆变输出¬[2]。但谐振式逆变输出无论采用哪种方式，谐振网络中的电感和电容均需要进行一定匹配来寻找合适的谐振点，在实际电路中因工艺问题电容和电感通常是误差较大的元件，并且耦合变压器的漏感及寄生电容等也容易参与谐振，因此这种结构输出的正弦波失真度不易控制。

针对以上情况，本文设计一种小功率低失真的正弦功率源模型，其工作频率可达数百Khz，适合于不强调输出效率而强调输出效果的应用场所，主要应用背景为医疗器械中的射频消融类仪器，但通过一定的参数及结构调整也可应用于其他小功率设备中。

1 系统基本结构

系统使用DDS信号发生芯片作为正弦激励源，由于DDS芯片是通过查询表的方式输出正弦信号，所以其输出的正弦波幅值恒定且失真度极低，市面的DDS芯片大多带有串口调频功能（如AD9833、AD9851等），可直接通过串口来控制输出频率，较为方便容易；系统使用乘法器来调幅，调制好的正弦波通过功率放大电路输出，输出的信号经过电压变比和峰值保持后构成闭环反馈。整个系统的原理框图如图1所示。

在这个系统中，单片机为调幅和调频的控制单元，单片机与DDS芯片通过串口通信来调频，单片机通过调节DA值来调幅。由于DDS输出的正弦波处在整个电路的最初级，因此这里需要滤波，椭圆滤波是DDS芯片输出端最常用的滤波方式，椭圆滤波器也较为适合去噪 [3]。

DDS输出的正弦信号经过滤波后输入到乘法器的一端，这个信号为恒定幅值的正弦信号；乘法器的另一端输入的是直流信号，该直流信号取决于DA值与反馈值，它与正弦信号相乘后完成调幅功能。

乘法器输出的波形经过功率放大后作为最终的输出，功率放大器使用的是甲类功率放大器。显然甲类功放是最大的问题就是效率问题，但是通过折损效率来提高输出质量在某些特定的场合是值得的，甲类功率放大器的导通角为360°，不存在交越失真的问题[4]，但限制于器件散热问题，甲类功率放大器通常无法做到大功率输出，因此本模型适合小功率应用场所。

最终，输出的信号经过电压变比和峰值保持后与运算放大器构成闭环，以提高系统的稳定性。

2 系统模型分析

由系统的原理框图可知，该系统通过DDS芯片调频，由于单片机可与DDS芯片直接串口通信，因此该电路的调频是较为容易的。为了方便分析该系统的调幅过程，对整个系统的调幅过程建立模型如图2所示。

DDS芯片输出的正弦波幅度为VDDS，系统总体输出的正弦波幅度为VOUT，由单片机DA提供的直流电压为VDA；设定椭圆滤波器的传递函数为f1（ω），其衰减的程度主要取决于正弦激励信号的频率ω；功率放大器是分立器件构成，它受到温度及频率影响较大，设定功率放大环节的传递函数为K1*f2（t，ω），其中K1是功放固有的放大倍数，f2（t，ω）是温度及频率引起抖动函数，t与ω是温度和频率影响因子； K2是输出电压变比，由于变压变比可以由电阻串联分压来实现，因此其受到温度及频率影响较小，认为它的变比恒定；由于峰值保持电路输出的直流电压存在一定的纹波，该纹波值和输出正弦波的幅值及频率均有一定关系，设定其传递函数为f3（v，ω），v和ω是幅值和频率影响因子；运算放大器的开环放大倍数为A。

通过上述模型的建立，我们得到如下关系：

可知电路的幅值精度主要取决于函数f3（v，ω）的精度，既峰值保持电路对幅值精度影响关键。由于闭环的存在且电路的调幅和调频均放在了弱电信号电路处理，一定程度上克服了功率器件的温飘不准问题，但在实际应用中峰值保持电路会存在一定的纹波，因此实际应用中可能需要对峰值保持电路进行滤波处理或对反馈环节进行校正，防止纹波产生振荡等问题。

3电路硬件设计与仿真验证

3.1 电路硬件设计

设计电路硬件模型满足如下技术指标：

电路系统可输出中高频正弦波，工作频率可调，输出正弦波带宽范围是100Khz-500KHz，正弦波输出峰峰值VP-P可调范围为5V-38V，最大无失真输出功率18W，系统调幅响应速度较快且稳定，以上参数的正弦功率源可满足胶质瘤射频消融手术设备。

针对上述技术参数要求，设计电路仿真模型如图3所示。其中DDS芯片由XFG1模拟，输出幅值设置为650mVp；乘法器芯片由A1模拟，乘法器的基本增益为3，乘法器的输出函数式为Z（t）=3*X（t）*Y（t）；用电阻分压来模拟DA输出，DA的调节范围是0.55V-3.3V；甲类功放器由双12V供电，耦合方式为变压器耦合，变压器原边与副边的变比为1：2；将输出的正弦电压的进行1/6分压之后进行峰值保持来构成闭环。

在甲类功放电路部分中，因功率三极管的β值通常较小，所以设计中使用了运算放大器构成小闭环来抑制功放受β值的影响；甲类功法的种类与结构较多，本文选择使用了常见的发射极接入电流源的方法，该电流源也决定了甲类功放的最大输出功率值[5]。

在反馈电路部分中，峰值采样电路使用了双运算放大器缓冲隔离采样，这样的采样电路相比单纯的二极管整流采样可以达到更好的效果。

3.2 电路模型仿真验证

针对上述电路我们使用multisim12进行仿真实验，针对射频消融类仪器的特点，我们关注的主要测试内容为：1）电路输出波形的失真状态测试，因为这影响射频消融手术治疗效果；2）调幅过程中系统响应速度测试，因为射频消融的过程中正弦波输出幅值经常需要改变；3）峰值保持电路纹波电压测试，因为过大的纹波易引起震荡。而对功率源的效率等方面在这类应用场所中并不是考虑的主要因素。

3.2.1 电路输出波形的失真状态测试。

在DA控制值为3.3V、负载10Ω及DDS芯片输出频率 500Khz条件下的测得波形如图4所示，其中A曲线是通过电流探针测出的功率三极管发射级的电流曲线，B曲线为输出曲线，由于A曲线波谷接近0，可以知道此时系统已经达到最大无失真输出功率，输出正弦波的Vp-p为38.8V，输出功率为18W，输出波形非常纯净，失真度较低。经过多个DA点与多个频率点测试得知：系统在100Khz-500Khz这个频率段内均可输出纯净的低失真正弦波。

3.2.2 幅值调节过程中系统响应速度测试。

因为射频消融过程中正弦功率源要经常改变输出幅值，因此对调幅的响应速度进行测试很必要。取5个频率点对系统进行测试，测试条件为DA由0.55V跳变到3.3V，输出电压上升到目标值的95%认为完成响应，测试的结果是100Khz、200Khz、300Khz、400Khz及500Khz频率点的调幅响应时间均不超过3ms，可知系统调幅响应速度在100Khz-500Khz这个频率段上是比较快的，完全可以满足射频消融相关设备要求。调幅过程的实质是改变乘法器X输入端的直流信号，在100Khz频率点，调幅过程中乘法器X输入端的电压变化如图5所示，由图可以得知X输出端电压上升过程是非常稳定的。

3.2.3 峰值保持电路纹波电压测试

反馈电路的峰值保持电路会存在一定的纹波值，该纹波会经过运算放大器最终作用到乘法器的X输入端，会影响系统的输出。测试系统的在500Khz，Vp-p在38V时峰值保持电路的纹波如图6所示（示波器XSC1的A端输入设置为交流耦合）。

峰值保持电路的采样间隔要适当取值，采样速度过快会导致纹波增大，也增大了系统的误差，采样速度过慢会降低系统的响应速度。由于系统工作在100Khz与500Khz之间，是一个较宽的频率带，所以无法保证所有频率点峰值保持电路的纹波良好，针对5个频率点测试，在输出正弦波的Vp-p为38V时峰值保持电路的纹波如表2所列。

由表2可以看出系统是在400Khz-500Khz频率段上纹波是较低的，该频率段也是射频消融手术仪器通用的频率段。在实际应用中除了需要选取合适的采样间隔之外，也需要对峰值保持电路输出端进行一定的滤波处理来降低纹波值，以进一步增加系统的稳定性和准确性。

4 结论

该模型可以实现稳定的低失真正弦信号输出，其频率与幅值均可调，但限制于甲类功放发热及效率问题，实际环境中该模型无法完成大功率输出，因此它适合在不强调效率而重视输出效果的场所中使用，比如医疗电子设备中的射频消融类仪器，可知本模型在小功率低失真正场所中具有较好的应用价值。

本文创新点：使用DDS芯片作为正弦信号激励源头，其调频较为方便容易；该系统的调频与调幅均在弱信号电路部分，其输出的波形失真度低且较为纯净；该系统克服了谐振式逆变正弦功率源输出失真度不易掌控的问题。

参考文献

[1] 陈敏山， 李锦清， 张耀军. 射频消融在小肝癌治疗中的地位[J]. 癌症， 2007， 26（5）： 449- 452.

[2] 朱立泓. LLC谐振变换器的设计[D] 杭州：浙江大学2006：2-10

[3] 李法强， 姜良华. 椭圆滤波器在语音去噪中的应用[J]. 微计算机信息， 2011，27（8） ： 209-210.

[4] 程浪. 线性功率放大电路的工作原理[J]. 电源技术应用， 2014， （4）： 37-39.

[5] Paul Horowitz ，Winfield Hill， The art of electronic[M].北京：电子工业出版社 2005： 86-87.

作者简介：

姚鑫，男，1986年生，硕士研究生，主要研究方向：医疗电子技术。

朱名日，男，1954年生，教授，主要研究方向：无线传感器网络，嵌入式系统。

潘凯，男，1990年生，硕士研究生，主要研究方向：无线传感器网络。

刘文彬，男，1989年生，硕士研究生，主要研究方向：雷达信号处理。

郑丹平，女，1988年生，硕士研究生，主要研究方向：计算机应用技术。