基于電池供電的雙路隔離反激開(kāi)關(guān)電源設計

摘要 針對便攜式醫療康復設備領(lǐng)域中電池供電、高隔離度和高電壓輸出的要求，設計了一款新型低輸入電壓供電、雙路高壓輸出隔離的開(kāi)關(guān)電源。該設計采用鋰電池供電，采用基于占空比50%的電流型脈寬調制控制芯片UC3845的反激拓撲結構和光耦反饋網(wǎng)絡(luò )電路，實(shí)現雙路隔離正負高壓電源輸出。電源輸入電壓為10～14 V，輸出電壓為雙通道+35/-35 V隔離，功率為14 W，效率是75%，電源模塊面積為65 mm×40 mm。仿真與實(shí)際測試結果表明，該電源可實(shí)現正負高壓電源隔離輸出。

關(guān)鍵詞 反激;開(kāi)關(guān)電源;電流型脈寬調制;反饋電路

隨著(zhù)社會(huì )發(fā)展，人口老齡化問(wèn)題及各種中老年疾病問(wèn)題也愈發(fā)嚴重，腦卒中目前已經(jīng)成為人類(lèi)死亡率和致殘率最高的中老年疾病之一，中風(fēng)患者由于腦部運動(dòng)中樞受損而導致肢體運動(dòng)功能喪失。目前，醫院主要使用高壓電刺激脈沖輸出的康復醫療設備對患者進(jìn)行運動(dòng)康復治療。為方便患者出院后在家進(jìn)行康復訓練，需要一種電池供電、隔離度高和電壓輸出高的便攜式醫療設備，便于患者隨身攜帶。因此，研究并設計一款低輸入電壓供電、雙路高壓輸出隔離、體積小的電源對于設計便攜式康復醫療設備具有重要意義。

近年來(lái)隨著(zhù)功率器件不斷更新和脈寬調制技術(shù)(Pulse Width Modulation，PWM)的日趨完善，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也得到了快速發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源是一種功率變換的裝置，具有小體積、高效率、寬輸入電壓、隔離輸出、低成本等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為高效節能電源。而反激開(kāi)關(guān)電源是其中成本最低的電源，其輸出功率為10～100 W，可輸出不同的電壓，電壓調整率較好。

本文介紹一種基于電流型PWM芯片UC3845的反激開(kāi)關(guān)電源設計，設計輸入電壓為10～14 V DC，輸出電壓為雙通道+35/-35 V DC隔離，功率為14 W，效率是75%，該電路采用可調式精密并聯(lián)穩壓器TL431配合光耦構成的反饋回路，相比于傳統的離線(xiàn)式結構的開(kāi)關(guān)電源，具有高隔離度，電路抗干擾能力強、紋波電壓小，對于負載變化大和輸出電壓變化大的情況可較快響應，并具有較高的穩定性。

1 工作原理與設計指標

圖1所示是本開(kāi)關(guān)電源整體框圖。主要包括MOS管、反激變壓器及輸出電路、光耦隔離反饋電路和UC3845芯片及外圍電路組成。其中，輸出電壓通過(guò)光耦隔離反饋電路，進(jìn)入UC3845芯片內置誤差放大器(EA)，控制PWM的占空比，從而控制MOS管導通時(shí)間，實(shí)現正負雙向電源的隔離和穩壓輸出。其工作過(guò)程為：當MOS開(kāi)關(guān)Q1導通時(shí)，所有整流二極管D1、D2都反向截止，輸出電容C1、CS給負載供電。此處反激變壓器T1相當于一個(gè)純電感，并不是真正的變壓器。流過(guò)Np的電流線(xiàn)性上升，達到峰值Ip;當MOS開(kāi)關(guān)Q1關(guān)斷時(shí)，所有繞組電壓反向。此時(shí)反激電壓使輸出二極管D1、D2進(jìn)入導通狀態(tài)，同時(shí)Np 儲存的能量傳送到次級，提供給負載電流，同時(shí)給輸出電容C1、CS充電。

2 電路設計

利用電源設計指標，設計本電源的電路原理如圖2所示。

2.1 UC3845外圍電路及MOS電路設計

該部分電路UC3845供電可直接使用12 V輸入鋰電池供電，開(kāi)關(guān)工作頻率fsw由連接芯片RT/CT引腳的電阻電容控制，并有

其中，fsw的單位為kHz，RT的單位為kΩ，CT的單位為μF。設計中RT為2.37 kΩ，CT為1.2 nF，所以根據式(1)可求得fsw為302 kHz。MOS管M1型號為IRFZ44ESPbF，電流模采樣電阻Rs為0.33 Ω，其采樣的電流經(jīng)過(guò)RC濾波器(R2=1 kΩ，C2=470 pF)濾除高頻雜波后輸入給UC3845的ISENSE引腳。

2.2 反激變壓器參數設計推導

2.2.1 確定變壓器初/次級匝數比Np/Ns

本設計變壓器磁芯選用型號為EE19-Z。確定開(kāi)關(guān)管可承受的最大關(guān)斷電壓Vms，同時(shí)選定管子時(shí)盡量使Vms小，保證當有30%的輸入直流電壓最大值Vdc尖峰疊加在Vms時(shí)，開(kāi)關(guān)管的最大耐壓值(Vceo，Vcer，Vcev)仍可保留30%的裕量。功率MOS開(kāi)關(guān)管選定型號為 IRFZ44ESPbF，其最大耐壓為60 V，導通最大電流為48 A，導通電阻為23 mΩ。所以選定Vms=24 V，利用下式計算變壓器初次級匝數比Np/Ns。

其中，Vo為輸出電壓。本設計中，Vdc=14 V，Vo=35 V，所以可計算次級匝數比Np/Ns為10：36，近似為9/40。

2.2.2 確定最大導通時(shí)間Ton(max)

保證磁芯不飽和且電路始終工作在DCM模式。最大導通時(shí)間Ton(max)計算公式為

本設計開(kāi)關(guān)頻率fsw=300 kHz，周期T為3.335μs，根據式(5)可得到Ton(max)=2.852μs，所以得到最大占空比Dmax=Ton(max)/T=0.427 9。

2.2.3 確定初級線(xiàn)圈繞組參數

利用下列公式計算初級繞組電感Lp

根據式(6)可求得Lp為5.2μH，同時(shí)利用根據式(5)可求得Ip(max)為6.4 A，初級線(xiàn)圈繞組流經(jīng)電流有效值可根據式(7)計算。

得到Ip(max)為2.4 A，初級總圓密耳為500×2.4=1 200圓密耳。

2.2.4 確定次級線(xiàn)圈繞組參數

次級繞組線(xiàn)圈電感值的計算公式為

經(jīng)過(guò)計算得到Is(rms)=0.49 A，次級圓密耳為500×0.49=247圓密耳。

2.3 反激變壓器及輸出電路設計

變壓器參數根據上文推導計算，表2所示為依據設計指標計算好的變壓器參數。

2.4 光耦隔離反饋電路設計

如圖2所示，光耦PC817反饋電路負責解決輸入輸出隔離問(wèn)題，PC817三極管側電路使用輸入電源地GROUND，而其二極管側電路全部使用輸出電源地 COM，完成輸入地與輸出地的隔離，同時(shí)形成閉環(huán)反饋控制環(huán)。PC817發(fā)光二極管陰極接TL431的陰極，三端可調分流基準源TL431，相當于一個(gè)內部基準為2.5 V的電壓誤差放大器。PC817集電極接UC3845內置EA輸出補償引腳COMP，內置EA的反相輸入端VFB接地。圖2中電阻R7和R9串聯(lián)接入到+35 V輸出電壓通道中，TL431的ref引腳接到該兩個(gè)電阻中間，并利用下式設定兩個(gè)電阻的阻值，使電阻R9上電壓等于TL431的內置基準電壓2.5 V。本電路中這兩個(gè)電阻選定分別是105 kΩ和8.06 kΩ。

該隔離反饋電路工作原理是：當輸出電壓升高時(shí)(即高于35 V時(shí))，會(huì )使光耦二極管的電流增大，進(jìn)而使三極管側電流增大，由于三極管集電極與UC3845的EA輸出端相連，且EA配置成同相放大器，光耦集電極電流增大使其超出EA的電流輸出能力，所以UC3845的EA輸出引腳COMP電壓下降，使PWM占空比D減小，根據式(10)可知，輸出電壓會(huì )下降;反之，當輸出電壓降低時(shí)，反饋電路作用后會(huì )最終使輸出電壓升高。

3 仿真與實(shí)驗結果分析

采用電源軟件Saber進(jìn)行功能仿真，進(jìn)行25 ms的瞬態(tài)仿真，并將結果列于表3中。圖3所示為本設計電源實(shí)物圖。電路模塊尺寸為65 mm×40 mm。圖4和圖5為實(shí)際測試輸出波形圖。

根據實(shí)際測試與仿真測試，得到表3所示的仿真和實(shí)測結果對比。對于兩通道的電壓輸出，實(shí)測與仿真誤差分別為1.372 V和0.261 V;對于瞬態(tài)直流特性，如圖4所示，本設計電源從上電到穩定所需時(shí)間實(shí)際測試約為1 s，表3中通道1上升時(shí)間(T1rise)和下降時(shí)間(T2fall)實(shí)測與仿真差別較大，主要是由于仿真使用的是理想條件，與實(shí)際電路測試有一定的差別;電源的交流特性對比中，實(shí)際測試紋波要大于仿真數據。另外，通過(guò)圖5可得到，電源的開(kāi)關(guān)工作周期約為3.3μs，即開(kāi)關(guān)工作頻率為302 kHz，與設計指標相同。

4 結束語(yǔ)

本文使用ST公司的電流模芯片UC3845設計一款12 V鋰電池輸入、雙路+35 V/-35 V高電壓隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)物焊接測試表明，該電源可實(shí)現正負35 V輸出，雖然實(shí)際電源電壓紋波大于設計指標，但由于是高壓輸出故不影響系統的使用性能。電源模塊面積為65 mm×40 mm，可用于醫療設備等需要高隔離度、需要電池供電和高電壓的儀器設計中。