資深工程師分享的一款醫(yī)用開關(guān)電源設(shè)計方案

本文基于UC3842高性能電流模式脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)生器控制的開關(guān)電源，適合應(yīng)用于此類醫(yī)療系統(tǒng)。實驗通過光耦實現(xiàn)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(wěn)定，紋波小等優(yōu)點。
以UC3842芯片為核心，提出了一種醫(yī)用開關(guān)電源設(shè)計方案。首先闡述了UC3842的基本原理，在此基礎(chǔ)上提出了單端反激開關(guān)電源的原理和設(shè)計方法。UC3842是Unitorde公司推出的電流型脈寬調(diào)制器，該調(diào)制器單端輸出，可以直接驅(qū)動雙極型功率管或場效應(yīng)管，適用于無工頻變壓器的 20~80W小功率開關(guān)電源的設(shè)計。文章介紹的設(shè)計方案采用單端反激式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)寬電壓輸入，穩(wěn)定的直流輸出，具有輸入紋波小，輸出穩(wěn)定，體積小，質(zhì)量輕，效高，電磁兼容好等優(yōu)點，能夠很好地滿足醫(yī)療設(shè)備供電需求。
引言
近年來隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源與同容量的線性穩(wěn)壓電源相比，具有效率高，功率低，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點。進(jìn)入上世紀(jì)90年代以來，開關(guān)電源已廣泛應(yīng)用在各種電子電器設(shè)備、通訊、電力檢測設(shè)備電源之中。同時在醫(yī)療儀器設(shè)備中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用，比如心電圖機(jī)，輸液泵，超聲診斷儀，監(jiān)護(hù)儀，CT機(jī)等等。開關(guān)電源的質(zhì)量好壞直接影響整個醫(yī)療電子設(shè)備的可靠性，因此，在醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計中開關(guān)電源的設(shè)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(diào)制（PWM）發(fā)生器控制的開關(guān)電源適合應(yīng)用于此類醫(yī)療系統(tǒng)。實驗通過光耦實現(xiàn)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(wěn)定，紋波小等優(yōu)點。
1 UC3842芯片介紹
UC3842是美國UNIRODE公司生產(chǎn)，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(yōu)點。UC3842是電流控制型脈寬調(diào)節(jié)器。通常用于單端反激式變換器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1：UC3842的內(nèi)部等效電路

圖中1腳和2腳為補償端和內(nèi)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(gòu)成過流保護(hù)電路，當(dāng)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(fù)位PWM鎖存器，從而關(guān)閉輸出脈沖；4腳接振蕩電路，產(chǎn)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(qū)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(nèi)部基準(zhǔn)電壓（5 V）。
2 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)及工作過程
醫(yī)療設(shè)備中使用的開關(guān)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(guān)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(tài)保護(hù)電路。整流電路是把輸入交流變?yōu)橹绷?，通常開關(guān)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(wǎng)中的高頻雜波和同相干擾信號，以及避免電源中產(chǎn)生的電磁干擾泄露到外面。暫態(tài)保護(hù)電路具有雷擊保護(hù)，開機(jī)沖擊電流限制以及輸入過電流保護(hù)功能。功率變換電路是開關(guān)電源的核心部分，主要由開關(guān)電路和變壓器組成。開關(guān)晶體管要選用開關(guān)速度快，導(dǎo)通和工作時間短的。通常功率開關(guān)管的控制方式選擇脈寬調(diào)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(shè)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(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)壓的目的?？刂齐娐返闹饕饔檬窍?a target="_blank">驅(qū)動電路提供矩形脈沖序列，控制脈沖寬度和頻率，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的。
3 反激式開關(guān)電源設(shè)計
文章用UC3842為核心器件設(shè)計了一個單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。開關(guān)穩(wěn)壓電源電路圖見圖3。

圖3：開關(guān)穩(wěn)壓電源電路圖

115V的交流輸入電壓經(jīng)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(gòu)成，C2經(jīng)電阻R2充電，當(dāng)達(dá)到16 V時，UC3842有輸出；使MOS開關(guān)Q1導(dǎo)通，能量存貯在變壓器T1中，此時，由于二次側(cè)各路整流二極管反向偏置，故能量不能傳到T1的二次側(cè)，T1 側(cè)的一次側(cè)電流通過電阻R10檢測并與UC3842內(nèi)部提供的1 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到這一電平時Q1關(guān)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?shù)捷敵?a target="_blank">電容器中。啟動結(jié)束后，反饋線圈的電壓整流后經(jīng)取樣電阻分壓回送到誤差放大器的反向端（2腳）和UC3842內(nèi)部的2.5 V基準(zhǔn)電壓作比較來調(diào)整驅(qū)動脈沖寬度。從而改變輸出電壓以實現(xiàn)對輸出的控制。這樣能量周而復(fù)始地存貯釋放，給各路輸出端提供電壓。
穩(wěn)壓反饋環(huán)境由R12，光耦合器，TL431等組成。其穩(wěn)壓原理：若輸出電壓因負(fù)載變輕而升高時，流過光耦合器的發(fā)光二極管電流增大，其發(fā)光強(qiáng)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(dá)到穩(wěn)壓的目的。
4 參數(shù)設(shè)計
在開關(guān)電源的設(shè)計實現(xiàn)中，高頻變壓器的設(shè)計與計算是至關(guān)重要的，其工作量也是比較大的，它的設(shè)計方法與其他類型的變壓器不同。下面以電源設(shè)計功率為70W，效率為η=80%，工作頻率為30kHz為例，說明電路的設(shè)計方法。
4.1 變壓器鐵芯設(shè)計
采用面積相乘法設(shè)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(dāng)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(shù)，一般為0.40，fs為開關(guān)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(yīng)強(qiáng)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(shù)計算

原邊繞組每匝伏數(shù)
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(shù)匝
，取7匝。
新的反激每匝伏數(shù)
±15 V副邊繞組匝數(shù)匝
，取22匝。
24 V副邊繞組匝數(shù)
匝，取整為33匝。

5 結(jié)束語
該電源經(jīng)使用證明，電源設(shè)計合理，工作可靠，性價比高，具有很強(qiáng)的實際應(yīng)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(qū)動晶體管和MOSFET，具有管腳數(shù)量少，外圍電路簡單，安裝與調(diào)試簡便，價格低廉等優(yōu)點。設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了對醫(yī)療設(shè)備供電的功能，對醫(yī)療設(shè)備的整體性能提高大有益處。