医疗开关源设计方案.doc

医疗开关电源设计方案 摘要：基于UC3842高性能电流模式PWM芯片，提出一种医疗开关电源设计方案。该设计AC-DC给医疗设备供电，采用单端反激式结构，实现90-264Vac供电，12V的直流输出，具有瞬态响应快、电磁兼容好、输出电压精度高等优点，能够很好地满足医疗设备供电需求。 关键字：医疗电源,PWM,开关电源,高频变压器 引言 医疗电源是对安规及EMI、EMC比较高的设备，作为绿色开关电源，将在21世纪给人类社会带来巨大的变化。性能优良的医疗设备系统离不开性能优良的控制模块，而控制模块的性能在很大程度上取决于供电电源的性能，所以高质量的供电电源系统在整个医疗系统中占有相当重要的位置。本文基于UC3842高性能电流模式PWM发生器控制的开关电源适合应用于此类系统。本设计通过小型高频变压器实现输出和输入的完全隔离，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。电源输出电压稳定，波纹小，不间断性能可靠同时又不会对其他设备产生辐射和传导干扰。 1 单端反激式变换电路的基本结构 单端反激式变换的典型结构如图一所示。 单端是指变压器的磁心仅工作在磁滞回线的一侧; 反激是指当开关管导通时，在初级线圈中储存能量，而次级线圈不通， 当开关管关闭的时候，初级线圈中的能量通过次级线圈释放给负载。这是一种成本低的调整器，可以做到输入输出部分的完全隔离，有较好的电压调整率。 图一 单端反激式变换器 2 UC3842 芯片的性能特点 UC3842芯片是Unit rode公司的产品，是一种高性能的单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片， 其原理框图如图二所示。由5V基准电压源、控制占空比调定的振荡器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等组成。 其主要特点是： ①外接元件少，外围电路简单，价格便宜; ②无需输入变压器，起动电流小(小于1mA); ③具有精密的电压基准源(±1%); ④大电流(1A)PWM输出级，可直接驱动功率MOS管; ⑤有欠电压封锁和过电流保护功能; ⑥工作频率可达500kHz。 图二 VC3842原理框图 UC3842芯片能同时满足较好的电气性能和较低的成本，因而被广泛地用于20～80W的小功率开关电源。图二中8脚是其内部基准电压(5V); 7脚是其电源端，芯片工作的开启电压为16V，欠压锁定电压为10V; 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。1和2脚为补偿端和内部电压比较器的反相输入端，从3脚引入的电流反馈信号与1 脚的电压误差信号比较，产生一个PWM(脉宽调制)波，从6脚(输出端)输出该信号，控制功率器件的通断。3脚为电流检测输入端。由于电流比较器输入端设置了1V的电流钳位，当电流过大而使电流检测电阻R9(如图三所示)上的电压超过1V(即3脚电平大于1V) 时，将关断PWM脉冲，从而达到过流保护的目的。 3 开关电源的电路设计 本文用UC3842为核心控制部件，设计了90—264Vac输入、 DC12 V输出的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。 变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。主要的功能模块包括：EMI/EMC电路、启动电路、反馈电路、保护电路、整流电路。以下对各个模块的原理和功能进行分析， 开关电源电路原理图如图三所示。 图三 开关电源原理图 3.1 EMI/EMC电路 图四 电磁滤波器电路图 如图四所示，共模电感L1的差值电感与电容CX1及CX2构成了一个π型滤波器。 这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。 除了共模电感以外，图四中的电容CY1及CY2也是用来滤除共模干扰的。 共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容CY1及CY2起作用。 MOV1是为了防止雷击，能够吸收5000Vac瞬间雷击。 3.2 启动电路 如图三所示，电源通过启动电阻R1给电容C4充电。 当C4电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6端输出推动开关管工作。随着UC3842的启动， R1的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压经过D7和Z3、R8、Z1来为UC3842供电。 3.3 过流、短路保护电路 如图三所示，当负载电流超过额定值时，场效应电流增加，R9上的电压反馈至CSEN(3脚)，通过内部电流检测比较器输出复位信号，最后导致开关管关闭。只有在下一个基准脉冲到来时，才可能重新开启开关管，而不可能出现开关管电流在恒流值左右振荡的情况。 当出现输出短路时， 输出电压会下降， 同时为UC3842供电的反馈绕组也会出现输出电压下降。 当输入电压低