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摘 要 本文介绍了V24B36C200BL微型化DC-DC模块的功能；应用该模块设计了一大功率电池供电电源系统；利用该系统给便携式直流X射线源供电，产生了120 kV/1 mA的X射线输出，并测试分析了射线源工作过程中的各种波形与参数。
关键词 V24B36C200BL模块；便携式X射线源；大功率电池电源
中图分类号 TM 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)122-0105-02
电池供电便携式直流X射线源主要用于无损检测、安全检查领域，在医疗领域也有少量应用。在安全检查领域，该类X射线源配以合适的成像系统，由于其携带方便、操作简单、适应性强，被安全部门等广泛应用于各种现场下发现的可疑物品和包裹的EOD排爆处置；海关边防移动搜查武器弹药和违禁物品；在机场和海关等领域不能用常规扫描装置探测的特大型物件。它能够有效、快捷、安全的对突发恐怖事件威胁做出响应。
这种类型的X射线源功率一般在150 W左右，要求电池电源系统提供200 W以上的功率输出，与此同时，由于是用于便携式系统，电池组的尺寸和重量不能太大，一般重量控制在1 kg以下。
X射线源系统控制和功率驱动电路对电池电源系统的要求还有：电池组能耐受峰值20 A左右的中频（20 kHz以上）脉冲电流；高压发生器设计和控制驱动电路要求电池组能输出24 V或更高的36 V以上的直流电压。
满足以上诸多苛刻要求的高电压输出的电池组的设计与制造涉及相当高的技术难度，国外同类产品价格均在5000元左右。日前，我们在研制电池供电便携式X射线源时，试验研究了采用大功率DC-DC模块V24B36C200BL将24 V电池组电压升高到39 V，构建大功率电池电源供电系统给X射线源供电的方法，降低了对电池组的技术要求，取得了较好的结果。
1 V24B36C200BL介绍
V24B36C200BL微型化DC-DC模块是美国Vicor公司生产的一种高功率密度、高可靠性、低噪声、高变换效率电源模块，它采用了高频
1 MHz软开关零电流ZCS技术。输出功率200 W；输入电压：18 V-36 V，适应电池电压的大范围变化；耐输入浪涌电压：50 V/100 ms；输出电压36 V；转换效率：≥87%；功率密度：≥80 W/in3；最大短路电流：7.51 A；可并联N+M使用。
V24B36C200BL的管脚定义如图1所示。
+Vin、-Vin：直流电压输入正、负端。
PC：此端是集电极开路结构，可作为模块使能/关断控制端。当它被拉低到0.65 V（相对-Vin）以下时，模块关闭；此端浮空时，模块工作。此功能可通过外接放大器或继电器方便实现。同时，对于模块频繁开关的场合，此端接1μf左右的电容，可提供软启动功能。
PR：当多个模块并联以提高输出功率时，此端输出的脉冲信号可用于模块间的同步。通过模块的这一功能可实现电池组的并联使用。
+Vout、-Vout：直流电压输出正、负端。
+S、-S：正、负输出电压测量/遥感端。。
SC：此端使输出电压在额定值的10%-110%范围内可调。
2 系统组成及原理
本文所述便携式直流X射线源电池电源系统，为X射线源功率电路的灯丝驱动电路、高压驱动电路提供39 V电源，电源功率大于160 W，同时为高压及束流控制电路提供+15 V、-15 V电源。系统的关键部分—大功率39 V电源通过V24B36C200BL模块及其外围电路实现，+15、-15 V电源通过Cosel的ZUW102415模块及其外围电路实现。系统的电路原理图如图2所示。
电路的输入端接24 V大功率镍氢电池组或锂聚合物电池组，电池组应支持10 A以上大电流放电，输入电压变化范围在18 V-30 V，为降低X射线源开关瞬间所产生的电池电压与电流的尖峰，在+Vin与-Vin端间并联2 200 μf电容，在+Vout与-Vout端间并联1 000 μf电容；并联的0.1μf电容可有效滤除电路的高频干扰信号。
电阻R1、电位器R7采样电池电压与LM385输出的2.5 V基准电压比较，分别接入LM2903比较器的-、+引脚，当电池电压高于放电保护电压时，电池状态指示灯D2常亮，表示电池工作正常；当电池放电到电压低于设定放电保护电压时，D2灭，同时LM2903的7脚输出高电平，驱动Q2接通，将V24B36C200BL模块的PC引脚电平拉低到0.5V以下，进而使模块关断，输出为0。PC引脚的这一功能可以进一步开发用于不发射X射线时，关断灯丝驱动电路，以降低电池功耗。
V24B36C200BL模块的输出引脚SC和+Vout间接入电阻R3，构成升压输出电路，本电路中是将输出电压从额定输出值36 V提高到39 V输出，接入电阻阻值大小可通过Vicor公司网站上提供的专门计算工具很方便地计算出来。
系统中，+Vin、-Vin与模块基板间接入R=1 Ω、C=4 700 pf的串联网络，+Vout、-Vout与模块基板间接入R=1 MΩ、C=4 700 pf的串联网络。
本系统同时采用了一片Cosel公司的ZUW102415模块，来产生+15 V、
-15 V电源。
3 系统在便携式直流X射线源中的应用
应用该电源系统给便携式直流X射线源供电，在120 kV/1 mA输出情况下，测试了X射线发射、关断过程中，电池电压、电池电流、高压驱动、高压取样波形；测试了X射线连续稳定输出时的供电电压、供电电流、高压驱动波形；同时试验了模块输入、输出端所接入电容对降低X射线开关瞬间电压与电流尖峰脉冲的影响。
试验表明，模块输入端、输出端并联的大容量电解电容能显著降低X射线源启动过程电池电流波形的尖峰，对于X射线源启动过程电压波形的尖峰也有抑制作用，并联电容的值在2 200 µf左右较为合适，片面增大电容量没有必要，削波作用的提高作用有限，同时输出端的过大容量电容有时会做成模块工作不稳定。
X射线源软启动过程大约在100 ms，X射线源进入稳定发射状态后，各波形幅值变化不大。电池的平均功耗在180 W左右。
4 结论
本文试验研究表明，基于V24B36C200BL模块构建的电池电源系统，可以灵活的设定输出电压的大小，为射线源高压发生电路的设计提供方便；可以将宽变化范围的电池电压转变成稳定的电压输出，有利于提高X射线源的稳定性；可以方便的控制电池的放电过程，设定合理的放电保护电压，提高电池的使用寿命；同时通过充分发掘模块的功能，对于降低工作过程中X射线源的功耗以及构建更大功率的电池供电系统具有一定的指导意义。
参考文献
[1]Vicor.24V Input Mini Family DC-DC Converter Module Data Sheet.
[2]介绍Vicor DC-DC模块的原理及应用经验.
[3]项名珠,魏善武.便携式x光检查设备的技术发展及其穿透利与分辨力影响因素分析.2007年公安部第一研究所论文集.
作者简介
项名珠（1968—），男，副研，副处长，毕业于北京理工大学光电技术专业，现从事安检用X射线源研发工作。
关键词 V24B36C200BL模块；便携式X射线源；大功率电池电源
中图分类号 TM 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)122-0105-02
电池供电便携式直流X射线源主要用于无损检测、安全检查领域，在医疗领域也有少量应用。在安全检查领域，该类X射线源配以合适的成像系统，由于其携带方便、操作简单、适应性强，被安全部门等广泛应用于各种现场下发现的可疑物品和包裹的EOD排爆处置；海关边防移动搜查武器弹药和违禁物品；在机场和海关等领域不能用常规扫描装置探测的特大型物件。它能够有效、快捷、安全的对突发恐怖事件威胁做出响应。
这种类型的X射线源功率一般在150 W左右，要求电池电源系统提供200 W以上的功率输出，与此同时，由于是用于便携式系统，电池组的尺寸和重量不能太大，一般重量控制在1 kg以下。
X射线源系统控制和功率驱动电路对电池电源系统的要求还有：电池组能耐受峰值20 A左右的中频（20 kHz以上）脉冲电流；高压发生器设计和控制驱动电路要求电池组能输出24 V或更高的36 V以上的直流电压。
满足以上诸多苛刻要求的高电压输出的电池组的设计与制造涉及相当高的技术难度，国外同类产品价格均在5000元左右。日前，我们在研制电池供电便携式X射线源时，试验研究了采用大功率DC-DC模块V24B36C200BL将24 V电池组电压升高到39 V，构建大功率电池电源供电系统给X射线源供电的方法，降低了对电池组的技术要求，取得了较好的结果。
1 V24B36C200BL介绍
V24B36C200BL微型化DC-DC模块是美国Vicor公司生产的一种高功率密度、高可靠性、低噪声、高变换效率电源模块，它采用了高频
1 MHz软开关零电流ZCS技术。输出功率200 W；输入电压：18 V-36 V，适应电池电压的大范围变化；耐输入浪涌电压：50 V/100 ms；输出电压36 V；转换效率：≥87%；功率密度：≥80 W/in3；最大短路电流：7.51 A；可并联N+M使用。
V24B36C200BL的管脚定义如图1所示。
+Vin、-Vin：直流电压输入正、负端。
PC：此端是集电极开路结构，可作为模块使能/关断控制端。当它被拉低到0.65 V（相对-Vin）以下时，模块关闭；此端浮空时，模块工作。此功能可通过外接放大器或继电器方便实现。同时，对于模块频繁开关的场合，此端接1μf左右的电容，可提供软启动功能。
PR：当多个模块并联以提高输出功率时，此端输出的脉冲信号可用于模块间的同步。通过模块的这一功能可实现电池组的并联使用。
+Vout、-Vout：直流电压输出正、负端。
+S、-S：正、负输出电压测量/遥感端。。
SC：此端使输出电压在额定值的10%-110%范围内可调。
2 系统组成及原理
本文所述便携式直流X射线源电池电源系统，为X射线源功率电路的灯丝驱动电路、高压驱动电路提供39 V电源，电源功率大于160 W，同时为高压及束流控制电路提供+15 V、-15 V电源。系统的关键部分—大功率39 V电源通过V24B36C200BL模块及其外围电路实现，+15、-15 V电源通过Cosel的ZUW102415模块及其外围电路实现。系统的电路原理图如图2所示。
电路的输入端接24 V大功率镍氢电池组或锂聚合物电池组，电池组应支持10 A以上大电流放电，输入电压变化范围在18 V-30 V，为降低X射线源开关瞬间所产生的电池电压与电流的尖峰，在+Vin与-Vin端间并联2 200 μf电容，在+Vout与-Vout端间并联1 000 μf电容；并联的0.1μf电容可有效滤除电路的高频干扰信号。
电阻R1、电位器R7采样电池电压与LM385输出的2.5 V基准电压比较，分别接入LM2903比较器的-、+引脚，当电池电压高于放电保护电压时，电池状态指示灯D2常亮，表示电池工作正常；当电池放电到电压低于设定放电保护电压时，D2灭，同时LM2903的7脚输出高电平，驱动Q2接通，将V24B36C200BL模块的PC引脚电平拉低到0.5V以下，进而使模块关断，输出为0。PC引脚的这一功能可以进一步开发用于不发射X射线时，关断灯丝驱动电路，以降低电池功耗。
V24B36C200BL模块的输出引脚SC和+Vout间接入电阻R3，构成升压输出电路，本电路中是将输出电压从额定输出值36 V提高到39 V输出，接入电阻阻值大小可通过Vicor公司网站上提供的专门计算工具很方便地计算出来。
系统中，+Vin、-Vin与模块基板间接入R=1 Ω、C=4 700 pf的串联网络，+Vout、-Vout与模块基板间接入R=1 MΩ、C=4 700 pf的串联网络。
本系统同时采用了一片Cosel公司的ZUW102415模块，来产生+15 V、
-15 V电源。
3 系统在便携式直流X射线源中的应用
应用该电源系统给便携式直流X射线源供电，在120 kV/1 mA输出情况下，测试了X射线发射、关断过程中，电池电压、电池电流、高压驱动、高压取样波形；测试了X射线连续稳定输出时的供电电压、供电电流、高压驱动波形；同时试验了模块输入、输出端所接入电容对降低X射线开关瞬间电压与电流尖峰脉冲的影响。
试验表明，模块输入端、输出端并联的大容量电解电容能显著降低X射线源启动过程电池电流波形的尖峰，对于X射线源启动过程电压波形的尖峰也有抑制作用，并联电容的值在2 200 µf左右较为合适，片面增大电容量没有必要，削波作用的提高作用有限，同时输出端的过大容量电容有时会做成模块工作不稳定。
X射线源软启动过程大约在100 ms，X射线源进入稳定发射状态后，各波形幅值变化不大。电池的平均功耗在180 W左右。
4 结论
本文试验研究表明，基于V24B36C200BL模块构建的电池电源系统，可以灵活的设定输出电压的大小，为射线源高压发生电路的设计提供方便；可以将宽变化范围的电池电压转变成稳定的电压输出，有利于提高X射线源的稳定性；可以方便的控制电池的放电过程，设定合理的放电保护电压，提高电池的使用寿命；同时通过充分发掘模块的功能，对于降低工作过程中X射线源的功耗以及构建更大功率的电池供电系统具有一定的指导意义。
参考文献
[1]Vicor.24V Input Mini Family DC-DC Converter Module Data Sheet.
[2]介绍Vicor DC-DC模块的原理及应用经验.
[3]项名珠,魏善武.便携式x光检查设备的技术发展及其穿透利与分辨力影响因素分析.2007年公安部第一研究所论文集.
作者简介
项名珠（1968—），男，副研，副处长，毕业于北京理工大学光电技术专业，现从事安检用X射线源研发工作。