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医用开关电源设计方案

文章出处:中电网 发布时间: 2016/03/17 | 956 次阅读

    本文基于UC3842高性能电流模式脉冲宽度调制(PWM)发生器控制的开关电源,适合应用于此类医疗系统。实验通过光耦实现输出和输入的隔离,不仅提高了电源的效率,简化了外围电路,也降低了电源的成本和体积,使电源具有输出电压稳定,纹波小等优点。
    以UC3842芯片为核心,提出了一种医用开关电源设计方案。首先阐述了UC3842的基本原理,在此基础上提出了单端反激开关电源的原理和设计方法。UC3842是Unitorde公司推出的电流型脉宽调制器,该调制器单端输出,可以直接驱动双极型功率管或场效应管,适用于无工频变压器的 20~80W小功率开关电源的设计。文章介绍的设计方案采用单端反激式结构,实现宽电压输入,稳定的直流输出,具有输入纹波小,输出稳定,体积小,质量轻,效高,电磁兼容好等优点,能够很好地满足医疗设备供电需求。
    引言
    近年来随着电源技术的飞速发展,开关稳压电源与同容量的线性稳压电源相比,具有效率高,功率低,体积小,质量轻等优点。进入上世纪90年代以来,开关电源已广泛应用在各种电子电器设备、通讯、电力检测设备电源之中。同时在医疗仪器设备中也得到了越来越广泛的应用,比如心电图机,输液泵,超声诊断仪,监护仪,CT机等等。开关电源的质量好坏直接影响整个医疗电子设备的可靠性,因此,在医疗设备的设计中开关电源的设计也越来越得到重视。文章基于 UC3842高性能电流模式脉冲宽度调制(PWM)发生器控制的开关电源适合应用于此类医疗系统。实验通过光耦实现输出和输入的隔离,不仅提高了电源的效率,简化了外围电路,也降低了电源的成本和体积,使电源具有输出电压稳定,纹波小等优点。
    1 UC3842芯片介绍
    UC3842是美国UNIRODE公司生产,此IC具有引脚少(8脚),外接元件少,接线简单,可靠性高,成本低等优点。UC3842是电流控制型脉宽调节器。通常用于单端反激式变换器。其内部结构见图1。

图1:UC3842的内部等效电路

     图中1脚和2脚为补偿端和内部电压比较器的反相输入端;3脚为电流检测输入端,外接过流检测电阻,可构成过流保护电路,当3脚电压等于或高于1 V时,电流控制检测比较器输出高电平,复位PWM锁存器,从而关闭输出脉冲;4脚接振荡电路,产生所需频率的锯齿波RT接在4,8脚之间,CT接在4脚和地之间,5脚为地;6脚为输出端,有拉、灌电流能力,能直接驱动双极型功率管或MOS管。7脚是其电源端,芯片工作的开启电压为16 V,欠压锁定电压为10 V;8脚是其内部基准电压(5 V)。
    2 开关电源的结构及工作过程
    医疗设备中使用的开关电源基本电路由输入电路、功率变换电路、输出电路和控制电路等组成,见图2。

图2:开关电源的原理框图

     输入电路包括整流电路、EMI滤波电路及暂态保护电路。整流电路是把输入交流变为直流,通常开关电源中的整流电路是采用电容输入型。EMI滤波电路由电容和线圈组成,其作用是滤除电网中的高频杂波和同相干扰信号,以及避免电源中产生的电磁干扰泄露到外面。暂态保护电路具有雷击保护,开机冲击电流限制以及输入过电流保护功能。功率变换电路是开关电源的核心部分,主要由开关电路和变压器组成。开关晶体管要选用开关速度快,导通和工作时间短的。通常功率开关管的控制方式选择脉宽调制。输出电路是把高频变压器的次级方波电压整流成单向脉动电流,并将其平滑成设计要求的低波纹直流电压。同时,以直流电的输出电压为反馈信号,通过隔离的反馈电路,由前级的PWM控制电路进行电压的调节,达到稳压的目的。控制电路的主要作用是向驱动电路提供矩形脉冲序列,控制脉冲宽度和频率,从而达到改变输出电压的目的。
    3 反激式开关电源设计
    文章用UC3842为核心器件设计了一个单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。开关稳压电源电路图见图3。

图3:开关稳压电源电路图

     115V的交流输入电压经整流滤波后为电路提供直流工作电压。起动电路由电容C2和电阻R2构成,C2经电阻R2充电,当达到16 V时,UC3842有输出;使MOS开关Q1导通,能量存贮在变压器T1中,此时,由于二次侧各路整流二极管反向偏置,故能量不能传到T1的二次侧,T1 侧的一次侧电流通过电阻R10检测并与UC3842内部提供的1 V基准电压进行比较,当达到这一电平时Q1关断。所有变压器的绕组极性反向,输出整流二极管正向偏置,存贮在T1中的能量传输到输出电容器中。启动结束后,反馈线圈的电压整流后经取样电阻分压回送到误差放大器的反向端(2脚)和UC3842内部的2.5 V基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度。从而改变输出电压以实现对输出的控制。这样能量周而复始地存贮释放,给各路输出端提供电压。
    稳压反馈环境由R12,光耦合器,TL431等组成。其稳压原理:若输出电压因负载变轻而升高时,流过光耦合器的发光二极管电流增大,其发光强度增加,反馈至光耦合三极管使CE间电阻变小,使加至1脚的电压降低,从而使6脚的PWM信号宽度变窄,从而达到稳压的目的。
    4 参数设计
    在开关电源的设计实现中,高频变压器的设计与计算是至关重要的,其工作量也是比较大的,它的设计方法与其他类型的变压器不同。下面以电源设计功率为70W,效率为η=80%,工作频率为30kHz为例,说明电路的设计方法。
    4.1 变压器铁芯设计
    采用面积相乘法设计变压器,由面积相乘法公式
   


    其中Ag为有效铁芯面积,Aw为窗口面积,Up为原边电压,当原边电压波动时,取最低输入电压。Ip为原边输入电流,Us为副边输出电压,Is为副边输出电流,Kw为窗口利用系数,一般为0.40,fs为开关频率(Hz),△B为磁通密度变化率(T),j为电流密度,一般取400A/cm2。
    铁氧体磁芯磁感应强度取65%的饱和值:
   

    变压器效率η为80%:则原边输入功率为


    。则
   


    Up =220×1.4×0.8=248V
    4.2 原副边绕组匝数计算
   

    原边绕组每匝伏数
    取整流二极管压降为0.7 V。副边绕组压降为0.6 得:5 V副边绕组匝数匝
 ,取7匝。
    新的反激每匝伏数
    ±15 V副边绕组匝数匝
    ,取22匝。
    24 V副边绕组匝数
   匝,取整为33匝。
    5 结束语
    该电源经使用证明,电源设计合理,工作可靠,性价比高,具有很强的实际应用价值和广阔的前景。UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器,单端输出,可直接驱动晶体管和MOSFET,具有管脚数量少,外围电路简单,安装与调试简便,价格低廉等优点。设计结构简单,性能稳定,实现了对医疗设备供电的功能,对医疗设备的整体性能提高大有益处。

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