TOPSwitch-GX開(kāi)關(guān)電源在牙科X光機(jī)中的應(yīng)用

摘  要：TOPSwitch器件是美國(guó)H(PowerIntegrations)公司推出的一種PWM／MOSFET二合一的新型單片集成開(kāi)關(guān)電源，其第4代產(chǎn)品GX系列更是集前3代優(yōu)點(diǎn)于一身的高集成度、最佳性能、最簡(jiǎn)外圍電路的高性價(jià)比產(chǎn)品。介紹TOPSwitch—GX的工作原理。并在分析醫(yī)用牙科x光機(jī)高壓電源對(duì)輔助電源性能要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合PI—Expert軟件，給出該輔助電源的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。
關(guān)鍵詞：TOPSwitch—GX；輔助電源；醫(yī)用牙科X光機(jī)；PI—Expert軟件

1 引言
    輔助電源作為醫(yī)用x光機(jī)電源的一部分．雖然不是核心部件，但它就如同人的左右手一樣．起著至關(guān)重要的作用，其性能指標(biāo)直接對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般采用的方法有二種：一種是工頻變壓器加濾波穩(wěn)壓電路．在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于要給燈絲提供電源，其功率近百瓦。顯然，這種方法在效率、體積、重量方面都不能滿足要求；另一種是PWM調(diào)制器加功率MOSFET，這種方法還需要大約40～80個(gè)外圍分立元件，來(lái)提高其穩(wěn)定性和安全性，這不但增加了成本和體積，還使可靠性受到了影響。因此，選用TOPSwitch—GX系列開(kāi)關(guān)電路成為最佳選擇。

2  內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
    圖1示出TOPSwitch—GX系列電路的內(nèi)部原理框圖。由圖1可知．該電路主要由以下幾部分組成：1)控制電壓源，控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供偏置電壓，控制電流，IC調(diào)節(jié)占空比；2)帶隙基準(zhǔn)電壓源，所有臨界的TOPSwitch內(nèi)部電壓都由一個(gè)溫度補(bǔ)償?shù)膸秴⒖蓟鶞?zhǔn)得出。該參考基準(zhǔn)也產(chǎn)生一個(gè)溫度補(bǔ)償?shù)碾娏髟?，它被微調(diào)在精確設(shè)置的振蕩頻率和調(diào)節(jié)MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)電流：3)振蕩器，用于產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波、時(shí)鐘信號(hào)及最大占空比信號(hào)：4)并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器，誤差放大器將反饋電壓與5．7V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出誤差電流IFB，在RE上形成誤差電壓；5)脈寬調(diào)制器．脈沖寬度調(diào)制器提供電壓型控制環(huán)，以驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)MOSFET，其占空比與流入控制腳的電流成反比例。該腳在RE二端產(chǎn)生一個(gè)電壓誤差信號(hào)，經(jīng)RC濾波后．與內(nèi)部振蕩器鋸齒波相比較，產(chǎn)生一定占空比的波形；6)門驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)，門驅(qū)動(dòng)級(jí)用于驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，使之按一定速率導(dǎo)通。MOSFET管的漏一源擊穿電壓大于700 V；7)過(guò)流保護(hù)電路，過(guò)流比較器的反向輸入端接閾值電壓Ulimit,同相輸入端接MOSFET的漏極；8)具有滯后特性的過(guò)熱保護(hù)電路，當(dāng)芯片結(jié)溫大于135℃時(shí)，過(guò)熱保護(hù)電路將關(guān)斷輸出級(jí)；當(dāng)芯片結(jié)溫低于70℃時(shí)．電路恢復(fù)正常工作，即具有滯后特性；9)關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路，一旦調(diào)節(jié)失控，將立即使電路在低占空比下工作，倘若故障被排除，則自動(dòng)重新啟動(dòng)電源，恢復(fù)正常工作；1 0)高壓電流源，在啟動(dòng)或滯后調(diào)節(jié)模式下，高壓電流源經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)S給內(nèi)部電路提供偏置，電源正常工作時(shí)．電子開(kāi)關(guān)S改接內(nèi)部電源．將高壓電流源關(guān)斷；11)軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)時(shí)間為10ms．以減輕啟動(dòng)時(shí)元器件的負(fù)荷；1 2)輸入過(guò)壓、欠壓檢測(cè)及保護(hù)電路，通過(guò)外接電阻器設(shè)定過(guò)壓、欠壓的保護(hù)電壓．并且可以在電源關(guān)斷時(shí)防止自動(dòng)重啟動(dòng)脈沖的干擾；13)輕載時(shí)自動(dòng)降低開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率及占空比能隨輸出端負(fù)載的降低而自動(dòng)減小，保證其在輕載時(shí)仍具有很好的調(diào)節(jié)特性；14)停止邏輯和開(kāi)啟電壓為1 V的電壓比較器，通過(guò)改變線路檢測(cè)端流入或流出電流的大小及方向來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的通、斷狀態(tài)。線路檢測(cè)端內(nèi)部還增加了開(kāi)啟電壓為l V的電壓比較器，此開(kāi)啟電壓可用于遠(yuǎn)程通斷控制。

3 TOPSwitch—GX輔助電源設(shè)計(jì)
3．1 對(duì)輔助電源的要求
    圖2示出醫(yī)用牙科X光機(jī)高壓電源原理框圖。交流市電經(jīng)。EMI濾波、整流、功率因數(shù)校正后，通過(guò)串聯(lián)開(kāi)關(guān)調(diào)整將電壓穩(wěn)定到直流160 V，一方面減少了市電波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響，提高了輸出高壓的穩(wěn)定度；另一方面降低了后級(jí)開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力．并且多加一級(jí)過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)，提高了系統(tǒng)的安全性。160 V的直流電源再經(jīng)全橋逆變、變壓器升壓和整流倍壓后輸出60 kV一70 kV的高壓給X射線管供電。其中用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)接口，并通過(guò)對(duì)SG1525的開(kāi)啟關(guān)斷來(lái)精確控制底片的曝光時(shí)間，同時(shí)對(duì)燈絲進(jìn)行恒流控制，實(shí)現(xiàn)不同的光劑量。

    輔助電源作為系統(tǒng)的重要組成部分，共提供5路輸出，其中2路分別給2個(gè)SGl525及其外圍電路作為工作電源；l路送風(fēng)扇；1路送單片機(jī)系統(tǒng)部分，1路給燈絲提供電源。由于該系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)院牙科，檢查病人牙齒的病變，故對(duì)電源性能提出了較高的要求：首先要求輸出高壓要穩(wěn)定．發(fā)射X射線的劑量要適當(dāng)，其次是要安全。輔助電源須滿足以下要求：

    1)輸出功率要超過(guò)100 W，以滿足各部分對(duì)輔助電源功率的要求：
    2)使用電壓范圍要寬，保證電壓大范圍波動(dòng)時(shí)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效：
    3)輸出電壓穩(wěn)定度要高，比如燈絲．其電壓的波動(dòng)直接影響到X光劑量的多少；再如單片機(jī)，電壓的波動(dòng)導(dǎo)致其程序跑飛，造成的后果將不堪設(shè)想：
    4)體積要小，這樣有利于減小設(shè)備體積．提高用戶操作的靈活性。

3．2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
    由于電源設(shè)計(jì)涉及的知識(shí)面較廣，不僅要掌握TOPSwtieh系列單片開(kāi)關(guān)電源的工作原理．還必須了解有關(guān)半導(dǎo)體器件、模擬電路與數(shù)字電路、電磁特性、電磁兼容性、熱力學(xué)等方面的知識(shí)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法全部靠人工來(lái)完成，步驟繁瑣、工作量大、效率低。本設(shè)計(jì)采用PI公司提供的輔助設(shè)計(jì)工具Pl—Expert軟件，極大地減少了工作量．縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，并可實(shí)現(xiàn)多方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖3示出應(yīng)用PI—Expert輔助設(shè)計(jì)時(shí)軟件輸出的電路形式。該軟件根據(jù)用戶給定的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、優(yōu)化方式、器件系列等相關(guān)信息，通過(guò)計(jì)算給出器件變量電源部分元件選擇、電源輸出參數(shù)、變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)和次級(jí)參數(shù)等信息。本設(shè)計(jì)性能指標(biāo)如下：

    輸人參數(shù)：輸入電壓為85 VAC一265 VAC；電源頻率為50 Hz；整流二極管導(dǎo)通時(shí)間為2．45 ms；損耗分配因數(shù)為O．46；效率為0．73。
    輸出參數(shù)：輸出電壓和電流為12 V／5 A、12V/1A，12 V／1 A，12 V／1 A和7．5 V／2 A：反饋繞組電壓和電流為12 V／0．006 A。
    工作方式：反激式。
    器件：TOPSwiteh—GX，Y系列，132 kHz。
    優(yōu)化方式：最低成本。

3．3 變壓器設(shè)計(jì)
    由于變壓器在電路中兼有儲(chǔ)能、限流和隔離作用．還要流過(guò)電流直流成分，因而是整個(gè)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

3．3．1 變壓器的設(shè)計(jì)原則
    當(dāng)電路主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作頻率和磁芯尺寸確定后．變壓器的功率P與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流密度成正比．即PocBJ當(dāng)變壓器尺寸一定時(shí)，B和J選得高一些，則某一給定的磁芯可以輸出更大的功率．這樣可以使變壓器體積減小，重量減輕。但是B和J的提高受各項(xiàng)電性能技術(shù)要求的制約。若B過(guò)大．激磁電流過(guò)大，會(huì)造成波形畸變嚴(yán)重，影響電路安全工作并導(dǎo)致輸出紋波增加。若J增大，則銅損增大．溫升將會(huì)超過(guò)規(guī)定值。因此，在確定磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度時(shí)，應(yīng)把電性能要求和經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)考慮。

3．3．2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算
    為了合理選擇變壓器的磁芯，確定初級(jí)、次級(jí)線圈的線徑、匝數(shù)及氣隙等參數(shù)，必須對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、傳輸功率、傳輸效率、初級(jí)和次級(jí)峰值電流等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算方法多種多樣，但計(jì)算結(jié)果相差不大。本設(shè)計(jì)采用了PI—Expert軟件，計(jì)算相當(dāng)簡(jiǎn)單，僅需輸入相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，軟件就會(huì)輸出所需的變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)：初級(jí)線圈電感量LP=171μH：初級(jí)匝數(shù)：NP=27.3(實(shí)際設(shè)計(jì)中取27)；初級(jí)線徑：AWG20(0．813 mm)雙股并繞；反饋繞組匝數(shù)：NB=3．0：磁芯選擇：E135，相關(guān)參數(shù)Bw=15．70 mm，M=0 mm．L=1．60 mm，AE=101．40 mm2，ALG=210nH／T2,BM=2423G，BP=2976G，BAc=606G；氣隙：LG=0．52mm；初級(jí)漏感：LL=3μH；次級(jí)12 V／5 A組：3匝．AWG22(0．643 mm)3股并繞；次級(jí)12 V／1 A組：3匝．AWG24(0．51 mm)；7．5 V／2 A組：2T(實(shí)際輸出7．97 V)．AWG22(0．643 mm)。

    軟件給出的參數(shù)都是經(jīng)過(guò)一定優(yōu)化得到的，故實(shí)際設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用這些推薦參數(shù)，實(shí)踐證明這樣做是合理且高效的。

3．3．3 變壓器的繞制
    變壓器的繞制采用堆疊式繞法，其優(yōu)點(diǎn)就是能加強(qiáng)磁耦合，改善輕載時(shí)的穩(wěn)壓性能，骨架上的引腳較少，并且制造成本較低。繞制過(guò)程中，初級(jí)繞組在最里層．有利于減少初級(jí)繞組的分布電容，降低初級(jí)繞組對(duì)相鄰元件的干擾；12 V／5 A繞組緊挨初級(jí)繞組，其次由里向外分別為反饋繞組、7．5V／2 A、12 V／1 A．以減少漏感；反饋繞組在主電源的外邊，反饋繞組與次級(jí)繞組耦合最強(qiáng)，對(duì)電壓的變化敏感．有利于提高穩(wěn)壓效果。各繞組之間的絕緣選用厚度為0．03／mm的聚脂薄膜，初次級(jí)之間用5層，次級(jí)與次級(jí)之間用2層，保證了較好的絕緣強(qiáng)度。同時(shí)，為了降低磁輻射、減小溫升及便于安裝，特制了一種“鋁合金外套”將變壓器“包住”，縫隙處用導(dǎo)熱膠灌注?？傊?，在變壓器的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，必須對(duì)磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)、繞制方法、散熱、效率等周密考慮。

4  結(jié)束語(yǔ)
    TOPSwitch—GX系列單片開(kāi)關(guān)電源集PWM／MOSFEI、于一體，具備了過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)、遠(yuǎn)程控制等眾多優(yōu)點(diǎn)，并且有PI—Expert軟件輔助設(shè)計(jì)，可以在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出高性能、低價(jià)格、重量輕的開(kāi)關(guān)電源。實(shí)驗(yàn)證明在寬范圍輸入的情況下．其輸出波形穩(wěn)定，輸出紋波小，完全符合輔助電源的要求。它不僅適合在醫(yī)用牙科X光機(jī)電源、逆變焊機(jī)等各類特種大功率開(kāi)關(guān)電源中作為輔助電源，而且必將在充電器、DC／DC變換模塊等各類小型高效節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。