基于PWM芯片UC3842的醫(yī)療開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

基于UC3842高性能電流模式PWM芯片，提出一種醫(yī)療開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)AC-DC給醫(yī)療設(shè)備供電，采用單端反激式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)90-264Vac供電，12V的直流輸出，具有瞬態(tài)響應(yīng)快、電磁兼容好、輸出電壓精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足醫(yī)療設(shè)備供電需求。

引言

醫(yī)療電源是對(duì)安規(guī)及EMI、EMC比較高的設(shè)備，作為綠色開關(guān)電源，將在21世紀(jì)給人類社會(huì)帶來巨大的變化。性能優(yōu)良的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)離不開性能優(yōu)良的控制模塊，而控制模塊的性能在很大程度上取決于供電電源的性能，所以高質(zhì)量的供電電源系統(tǒng)在整個(gè)醫(yī)療系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要的位置。本文基于UC3842高性能電流模式PWM發(fā)生器控制的開關(guān)電源適合應(yīng)用于此類系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)通過小型高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸出和輸入的完全隔離，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。電源輸出電壓穩(wěn)定，波紋小，不間斷性能可靠同時(shí)又不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生輻射和傳導(dǎo)干擾。

單端反激式變換電路的基本結(jié)構(gòu)

單端反激式變換的典型結(jié)構(gòu)如圖一所示。單端是指變壓器的磁心僅工作在磁滯回線的一側(cè);反激是指當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，在初級(jí)線圈中儲(chǔ)存能量，而次級(jí)線圈不通，當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉的時(shí)候，初級(jí)線圈中的能量通過次級(jí)線圈釋放給負(fù)載。這是一種成本低的調(diào)整器，可以做到輸入輸出部分的完全隔離，有較好的電壓調(diào)整率。

圖一單端反激式變換器UC3842芯片的性能特點(diǎn)

UC3842芯片是Unit rode公司的產(chǎn)品，是一種高性能的單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，其原理框圖如圖二所示。由5V基準(zhǔn)電壓源、控制占空比調(diào)定的振蕩器、電流測定比較器、PWM鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等組成。其主要特點(diǎn)是：

①外接元件少，外圍電路簡單，價(jià)格便宜;

②無需輸入變壓器，起動(dòng)電流小(小于1mA);

③具有精密的電壓基準(zhǔn)源(±1%);

④大電流(1A)PWM輸出級(jí)，可直接驅(qū)動(dòng)功率MOS管;

⑤有欠電壓封鎖和過電流保護(hù)功能;

⑥工作頻率可達(dá)500kHz.

圖二UC3842原理框圖

UC3842芯片能同時(shí)滿足較好的電氣性能和較低的成本，因而被廣泛地用于20～80W的小功率開關(guān)電源。圖二中8腳是其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(5V);7腳是其電源端，芯片工作的開啟電壓為16V，欠壓鎖定電壓為10V; 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。1和2腳為補(bǔ)償端和內(nèi)部電壓比較器的反相輸入端，從3腳引入的電流反饋信號(hào)與1腳的電壓誤差信號(hào)比較，產(chǎn)生一個(gè)PWM(脈寬調(diào)制)波，從6腳(輸出端)輸出該信號(hào)，控制功率器件的通斷。3腳為電流檢測輸入端。由于電流比較器輸入端設(shè)置了1V的電流鉗位，當(dāng)電流過大而使電流檢測電阻R9(如圖三所示)上的電壓超過1V(即3腳電平大于1V)時(shí)，將關(guān)斷PWM脈沖，從而達(dá)到過流保護(hù)的目的。

開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

本文用UC3842為核心控制部件，設(shè)計(jì)了90—264Vac輸入、DC12 V輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，因此增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。主要的功能模塊包括：EMI/EMC電路、啟動(dòng)電路、反饋電路、保護(hù)電路、整流電路。以下對(duì)各個(gè)模塊的原理和功能進(jìn)行分析，開關(guān)電源電路原理圖如圖三所示。

圖三開關(guān)電源原理圖

1、EMI/EMC電路

圖四電磁濾波器電路圖

如圖四所示，共模電感L1的差值電感與電容CX1及CX2構(gòu)成了一個(gè)π型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。除了共模電感以外，圖四中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及CY2起作用。MOV1是為了防止雷擊，能夠吸收5000Vac瞬間雷擊。[!--empirenews.page--]

2、啟動(dòng)電路

如圖三所示，電源通過啟動(dòng)電阻R1給電容C4充電。當(dāng)C4電壓達(dá)到UC3842的啟動(dòng)電壓門檻值時(shí)，UC3842開始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由6端輸出推動(dòng)開關(guān)管工作。隨著UC3842的啟動(dòng)，R1的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓經(jīng)過D7和Z3、R8、Z1來為UC3842供電。

3、過流、短路保護(hù)電路

如圖三所示，當(dāng)負(fù)載電流超過額定值時(shí)，場效應(yīng)電流增加，R9上的電壓反饋至CSEN(3腳)，通過內(nèi)部電流檢測比較器輸出復(fù)位信號(hào)，最后導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)閉。只有在下一個(gè)基準(zhǔn)脈沖到來時(shí)，才可能重新開啟開關(guān)管，而不可能出現(xiàn)開關(guān)管電流在恒流值左右振蕩的情況。當(dāng)出現(xiàn)輸出短路時(shí)，輸出電壓會(huì)下降，同時(shí)為UC3842供電的反饋繞組也會(huì)出現(xiàn)輸出電壓下降。當(dāng)輸入電壓低于87Vac時(shí)，UC3842停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場效應(yīng)管截止。短路現(xiàn)象消失后，電源重新啟動(dòng)，自動(dòng)恢復(fù)正常工作。這就是俗稱的電路“打嗝”現(xiàn)象。

4、精密反饋電路

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，整流電壓加在變壓器初級(jí)繞組上的電能變成磁能儲(chǔ)存在變壓器中，開關(guān)管截止后，能量通過次級(jí)繞組釋放到負(fù)載上。由公式：U0=(Ton/(n Toff))E可以得出，輸出電壓和開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間及輸入電壓成正比，與初、次級(jí)繞組的匝數(shù)比及開關(guān)管的截止時(shí)間成反比。反饋電路采用精密穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC817.利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對(duì)輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。如圖三，輸出電壓經(jīng)Z2、R15分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)正誤差，取樣電壓大于2.5V，TL431的穩(wěn)壓值降低，光耦PC1控制端電流增大，UC3842的反饋端(VFB)電壓值增大，輸出端的脈沖信號(hào)占空比降低，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間減少，輸出電壓降低;反之，如果輸出電壓出現(xiàn)負(fù)誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達(dá)到穩(wěn)壓目的。同時(shí)，整個(gè)電源系統(tǒng)的輸入、輸出被隔離，UC3842受到的干擾減少。在對(duì)電壓精度要求高的場合，會(huì)把電壓反饋信號(hào)從補(bǔ)償端(CMOP)輸入，不用UC3842的內(nèi)部放大器。因此反饋信號(hào)的傳輸縮短了一個(gè)放大器的傳輸時(shí)間，使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。

5、整流濾波電路

輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關(guān)電源輸出端對(duì)紋波幅值的影響主要有以下幾個(gè)方面：

(1)輸入電源的噪聲。解決的方案是在電源輸入端加電容C1x及電感L1，以濾除此噪聲干擾。

(2)高頻信號(hào)噪聲，開關(guān)電源中高頻噪聲主要是由高頻變壓器和功率管器件產(chǎn)生。對(duì)于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用C9、L2、C11構(gòu)成π型濾波的方式。濾波電感采用150μH的電感，可濾除高頻噪聲。

(3)采用肖特基二極管D8整流?；谒蛪?、功耗低、大電流的特點(diǎn)，有利于提高電源的效率;其反向恢復(fù)時(shí)間短，有利于減少高頻噪聲。

(4)為了減少共模噪聲，在輸出地和輸入地之間接電容C13.

6、導(dǎo)通時(shí)序

如圖五所示，在負(fù)載不同的時(shí)候，其時(shí)序電路是不一樣的。在滿載時(shí)絕大多數(shù)始終周期是導(dǎo)通的，也就是導(dǎo)通的頻率高，中等負(fù)載會(huì)跳過一部分始終周期，而輕載時(shí)要跳過大部分的始終電路，只有少數(shù)始終周期是導(dǎo)通的，這樣導(dǎo)通周期的頻率是很低的。圖五中，U0是輸出電壓，CLK是UC3842的基準(zhǔn)脈沖，D是UC3842的輸出脈沖，Id是流過開關(guān)管的電流，Ud是變壓器初級(jí)繞組下端(開關(guān)管MOSFET漏級(jí))的電壓。

圖五負(fù)載不同時(shí)的波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該開關(guān)電源的性能，按上述應(yīng)用電路進(jìn)行了測試，動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)快，具有良好電磁兼容性能并能通過美國的FCC CASEA標(biāo)準(zhǔn)。不同輸入電壓和不同負(fù)載時(shí)，輸出電壓如圖六所示。

圖六輸出電壓波形

表一為空載輸入電壓在90～264Vac波動(dòng)時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)情況。表二是負(fù)載電流在100mA～1.2A變化時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)情況。

結(jié)束語

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(dòng)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、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中充分使用了UC3842的控制功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓的負(fù)反饋調(diào)節(jié)以及各種保護(hù)機(jī)制。這種開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)醫(yī)療設(shè)備供電，對(duì)提高醫(yī)療設(shè)備整體性能大有益處。