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摘要  随着人民生活水平的不断提高，随着科学技术的发展，越来越多的传统的按摩治疗被射频理疗仪替代，射频理疗仪在治病、防病、康复、保健中发挥着越来越重要的作用。本文介绍了一种安全、可靠的射频理疗仪能量发生器，该发生器的主要模块，人机界面交互模块，CPP架构的控制模块，波形发生模块，带隔离的功率放大模块，幅值可调高压开关电源模块，阻抗采集检测模块，高频漏电流采集检测模块等。

关键词  射频能量发生器  阻抗检测  波形发生  可调高压开关电源

1  系统工作原理

该系统包括：人机界面交互模块，CPP架构的控制模块，波形发生模块，带隔离的功率放大模块，幅值可调高压开关电源模块，阻抗采集检测模块，高频漏电流采集检测模块。其中220 V 50 Hz 的市电经开关电源变成直流可调电压，给功率放大器供电，控制器输出互补方波经过功率放大器变换为300 kHz～1MHz的射频电流并作用在人体组织上，同时阻抗采集检测模块将实时检测人体组织上的电压电流，并将其作为反馈量提供给CPP架构的控制模块，最后由控制模块计算出阻抗，根据不同的阻抗输出对应的射频功率，从而激发促进人体组织的修复和再生。

射频理疗仪能量发生器能够实时判断生物组织阻抗，同时采用了响应速度快、输出纹波小的幅值可调的高压开关电源代替线性电源，采用了全桥式的功率放大器，以此来进一步控制输出功率大小和输出能量效率，本发生器的硬件设设计主要实现了以下三个方面：

1.开关电源可以由控制模块调节其输出电压，根据不同的功率调节其对应的输出电压，为自适应功率打下坚实基础。

2.全桥式的功率放大器输出射频能量具有很高的效率

3.阻抗采集检测模块与控制模块配合工作能够完成对生物阻抗的实时判定和输出功率控制。

2  射频能量发生器系统描述

射频理疗仪能量发生器系统框图如图1所示。其包括：幅值可调高压开关电源、射频功率放大器、阻抗采集检测模块和CPP架构控制器。其工作过程为：220 V 50 Hz的市电经过幅值可调的高压开关电源处理后，得到一个幅值受控制器调节的直流电压，该直流电压给射频功率放大器供电，通过变压器隔离后，并经过电感电容谐振的方式产生300 kHz～1MHz的射频电流，然后作用到生物组织上;阻抗采集检测模块将实时检测作用在生物组织上的电压电流参数信息并将其作为反馈量提供给CPP架构控制器，最后控制器通过控制开关电源的幅值实现不同功率输出;设计中，控制器还将输出两路带死区互补的射频方波用以驱动射频功率放大器的开关MOS管。

3  射频能量发生器硬件设计

系统的硬件设计主要包含3个部分：幅值可调高压开关电源、射频功率放大器和阻抗采集检测模块。具体设计如下。

3.1  幅值可调高压开关电源

幅值可调高压开关电源设计为：主控芯片采用TL494，拓扑结构采用半桥电路，输出功率0～300W，输出电压0～100V;开关频率为46KHz，最大工作占空比为0.45;开关电源高压部分原理图如图2所示，主要包括以下几个部分：半桥电路、隔离变压器、全波整流电路、LC滤波输出电路。

根据开关电源的设计要求，计算确定变压器的原边电感量为600uH，变压器选取为飞磁公司的ETD49铁氧体磁芯，采用ETD49骨架结构，气隙1 mm，变比为8∶10。经过计算开关MOS管承受的最大电流为10A，开关MOS管承受的最大电压为400V：根据MOS管承受的最大电压和最大电流，选择开关管型号为STW45NM60。输出电感L的设计原则为，电感值的选取能使直流输出电流不出现断续，计算得到L=330uH;电容类型选择电解电容，要求满足输出电压纹波率最大5%，计算得到C=220uF。

3.2  射频功率放大器

射频功率放大器是射频理疗仪能量发生器的核心模块，其最大输出功率为100W，输出频率为300 kHz～1MHz。本能量发生器采用了一种全桥式功率放大器，功率放大器的开关MOS管工作于软开关模式，理想情况下其交流开关损耗为零。全桥两对开关管交替开关，在谐振电路LC两端会产生一个近似的正弦电压，该电压经过变压器隔离后，变为一个300 kHz～1MHz的正弦射频电压输出。

工作时，控制器产生两路反相的300 kHz～1MHz方波分别驱动Q1、Q3和Q2、Q4。Q1、 Q2、Q3、Q4型号选择APT20M36BFLL，其最大可承受65 A的导通电流和200 V的关断电压，具有快速开关的特性。

3.3  阻抗采集检测模块与控制模块

实验研究表明，生物阻抗与生物组织状态之间有着紧密的联系，所以可选取作用在生物组织上的电压、电流参数作为反馈量，控制器据此来实时监测生物组织状态以及决定能量输出大小，本文根据上述思路，设计了一套阻抗检测模块。其中，电压互感器、电流互感器起着电气隔离的作用，并将射频电压和电流分别经过60倍和10倍衰减;缓冲放大电路将电压、电流检测信号做电压跟随以减小负载效应;低通滤波电路将滤除信号上的高次谐波，其截止频率为1 MHz;差分放大电路将两路差分检测信号转换为单端信号;最后，由有效值转换电路将其转换为直流有效值，送给控制器来检测计算出阻抗值。该电流电压有效值是在射频能量输出时检测的，所以如何保证检测电路不被这种大功率能量破坏以及精确检测射频信号是设计的关键。单片机选用STM32F407VET6，电流电压采集模块选用KM-4。射频能量输出工作过程：控制器输出DA值控制开关电源输出对应电压，给功率放大器供电，同时，控制模块控制波形发生器，产生两路300 kHz～1MHz互补方波去驱动射频功率放大器，通过变压器隔离和电感电容谐振，这样就可以输出射频能量作用到生物组织上。

4 结论

通过以上分析表明，射频理疗仪能量发生器，220 V 50 Hz 的市电经开关电源变成直流可调电压，给功率放大器供电，控制器输出互补方波经过功率放大器变换为300 kHz～1MHz的射频能量，其中功率放大器工作于软开关模式，使得功放开关损耗降低;阻抗采集检测模块能够安全有效地检测射频功率输出电压电流参数;在控制器控制开关电源输出可调电压来实现不同功率输出;射频理疗仪能量发生器产生的热效应完成对生物组织修复和再生。因此，射频理疗仪能量发生器的研制是成功的，在后续的研究中，能量发生器可以参考理想生物组织闭合模型，实现自适应功率输出。射频理疗仪在医疗行业中的应用前景十分可观，目前虽然主要是体现在组织修复和再生这些方面，但是一些新的应用已经开始了尝试。

参考文献

[1] 胡长阳. D类和E类开关模式功率放大器[M]. 北京： 高等教育出版社， 1985：4-6.

[2] Pressman AI. 开关电源设计（第2版）[M]. 北京：电子工业出版社， 2005.

[3]赵卫全， 高频电刀的基本原理及使用， 医疗设备信息， 2001， Vol.16.No.01