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        醫用開關電源設計方案

        作者: 時間:2018-08-14 來源:網絡 收藏

        本文基于UC3842高性能電流模式脈沖寬度調制(PWM)發生器控制的開關電源,適合應用于此類醫療系統。實驗通過光耦實現輸出和輸入的隔離,不僅提高了電源的效率,簡化了外圍電路,也降低了電源的成本和體積,使電源具有輸出電壓穩定,紋波小等優點。

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/201808/386620.htm

        以UC3842芯片為核心,提出了一種醫用開關電源設計方案。首先闡述了UC3842的基本原理,在此基礎上提出了單端反激開關電源的原理和設計方法。UC3842是Unitorde公司推出的電流型脈寬調制器,該調制器單端輸出,可以直接驅動雙極型功率管或場效應管,適用于無工頻變壓器的 20~80W小功率開關電源的設計。文章介紹的設計方案采用單端反激式結構,實現寬電壓輸入,穩定的直流輸出,具有輸入紋波小,輸出穩定,體積小,質量輕,效高,電磁兼容好等優點,能夠很好地滿足醫療設備供電需求。

        引言

        近年來隨著電源技術的飛速發展,電源與同容量的線性穩壓電源相比,具有效率高,功率低,體積小,質量輕等優點。進入上世紀90年代以來,開關電源已廣泛應用在各種電子電器設備、通訊、電力檢測設備電源之中。同時在醫療儀器設備中也得到了越來越廣泛的應用,比如心電圖機,輸液泵,超聲診斷儀,監護儀,CT機等等。開關電源的質量好壞直接影響整個醫療電子設備的可靠性,因此,在醫療設備的設計中開關電源的設計也越來越得到重視。文章基于 UC3842高性能電流模式脈沖寬度調制(PWM)發生器控制的開關電源適合應用于此類醫療系統。實驗通過光耦實現輸出和輸入的隔離,不僅提高了電源的效率,簡化了外圍電路,也降低了電源的成本和體積,使電源具有輸出電壓穩定,紋波小等優點。

        1 UC3842芯片介紹

        UC3842是美國UNIRODE公司生產,此IC具有引腳少(8腳),外接元件少,接線簡單,可靠性高,成本低等優點。UC3842是電流控制型脈寬調節器。通常用于單端反激式變換器。其內部結構見圖1。

        圖1:UC3842的內部等效電路

        圖中1腳和2腳為補償端和內部電壓比較器的反相輸入端;3腳為電流檢測輸入端,外接過流檢測電阻,可構成過流保護電路,當3腳電壓等于或高于1 V時,電流控制檢測比較器輸出高電平,復位PWM鎖存器,從而關閉輸出脈沖;4腳接振蕩電路,產生所需頻率的鋸齒波RT接在4,8腳之間,CT接在4腳和地之間,5腳為地;6腳為輸出端,有拉、灌電流能力,能直接驅動雙極型功率管或MOS管。7腳是其電源端,芯片工作的開啟電壓為16 V,欠壓鎖定電壓為10 V;8腳是其內部基準電壓(5 V)。

        2 開關電源的結構及工作過程

        醫療設備中使用的開關電源基本電路由輸入電路、功率變換電路、輸出電路和控制電路等組成,見圖2。

        圖2:開關電源的原理框圖

        輸入電路包括整流電路、EMI濾波電路及暫態保護電路。整流電路是把輸入交流變為直流,通常開關電源中的整流電路是采用電容輸入型。EMI濾波電路由電容和線圈組成,其作用是濾除電網中的高頻雜波和同相干擾信號,以及避免電源中產生的電磁干擾泄露到外面。暫態保護電路具有雷擊保護,開機沖擊電流限制以及輸入過電流保護功能。功率變換電路是開關電源的核心部分,主要由開關電路和變壓器組成。開關晶體管要選用開關速度快,導通和工作時間短的。通常功率開關管的控制方式選擇脈寬調制。輸出電路是把高頻變壓器的次級方波電壓整流成單向脈動電流,并將其平滑成設計要求的低波紋直流電壓。同時,以直流電的輸出電壓為反饋信號,通過隔離的反饋電路,由前級的PWM控制電路進行電壓的調節,達到穩壓的目的。控制電路的主要作用是向驅動電路提供矩形脈沖序列,控制脈沖寬度和頻率,從而達到改變輸出電壓的目的。

        3 反激式開關電源設計

        文章用UC3842為核心器件設計了一個單端反激式電源。開關電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環控制系統。電源電路圖見圖3。

        圖3:開關穩壓電源電路圖

        115V的交流輸入電壓經整流濾波后為電路提供直流工作電壓。起動電路由電容C2和電阻R2構成,C2經電阻R2充電,當達到16 V時,UC3842有輸出;使MOS開關Q1導通,能量存貯在變壓器T1中,此時,由于二次側各路整流二極管反向偏置,故能量不能傳到T1的二次側,T1 側的一次側電流通過電阻R10檢測并與UC3842內部提供的1 V基準電壓進行比較,當達到這一電平時Q1關斷。所有變壓器的繞組極性反向,輸出整流二極管正向偏置,存貯在T1中的能量傳輸到輸出電容器中。啟動結束后,反饋線圈的電壓整流后經取樣電阻分壓回送到誤差放大器的反向端(2腳)和UC3842內部的2.5 V基準電壓作比較來調整驅動脈沖寬度。從而改變輸出電壓以實現對輸出的控制。這樣能量周而復始地存貯釋放,給各路輸出端提供電壓。

        穩壓反饋環境由R12,光耦合器,TL431等組成。其穩壓原理:若輸出電壓因負載變輕而升高時,流過光耦合器的發光二極管電流增大,其發光強度增加,反饋至光耦合三極管使CE間電阻變小,使加至1腳的電壓降低,從而使6腳的PWM信號寬度變窄,從而達到穩壓的目的。

        4 參數設計

        在開關電源的設計實現中,高頻變壓器的設計與計算是至關重要的,其工作量也是比較大的,它的設計方法與其他類型的變壓器不同。下面以電源設計功率為70W,效率為η=80%,工作頻率為30kHz為例,說明電路的設計方法。

        4.1 變壓器鐵芯設計

        采用面積相乘法設計變壓器,由面積相乘法公式

        其中Ag為有效鐵芯面積,Aw為窗口面積,Up為原邊電壓,當原邊電壓波動時,取最低輸入電壓。Ip為原邊輸入電流,Us為副邊輸出電壓,Is為副邊輸出電流,Kw為窗口利用系數,一般為0.40,fs為開關頻率(Hz),△B為磁通密度變化率(T),j為電流密度,一般取400A/cm2。

        鐵氧體磁芯磁感應強度取65%的飽和值:

        變壓器效率η為80%:則原邊輸入功率為

        。則

        Up =220×1.4×0.8=248V

        4.2 原副邊繞組匝數計算

        原邊繞組每匝伏數

        取整流二極管壓降為0.7 V。副邊繞組壓降為0.6 得:5 V副邊繞組匝數匝

        ,取7匝。

        新的反激每匝伏數

        ±15 V副邊繞組匝數匝

        ,取22匝。

        24 V副邊繞組匝數

        匝,取整為33匝。

        5 結束語

        該電源經使用證明,電源設計合理,工作可靠,性價比高,具有很強的實際應用價值和廣闊的前景。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器,單端輸出,可直接驅動晶體管和MOSFET,具有管腳數量少,外圍電路簡單,安裝與調試簡便,價格低廉等優點。設計結構簡單,性能穩定,實現了對醫療設備供電的功能,對醫療設備的整體性能提高大有益處。



        關鍵詞: 開關穩壓

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