醫用開(kāi)關(guān)電源設計方案

本文基于UC3842高性能電流模式脈沖寬度調制(PWM)發(fā)生器控制的開(kāi)關(guān)電源，適合應用于此類(lèi)醫療系統。實(shí)驗通過(guò)光耦實(shí)現輸出和輸入的隔離，不僅提高了電源的效率，簡(jiǎn)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定，紋波小等優(yōu)點(diǎn)。

以UC3842芯片為核心，提出了一種醫用開(kāi)關(guān)電源設計方案。首先闡述了UC3842的基本原理，在此基礎上提出了單端反激開(kāi)關(guān)電源的原理和設計方法。UC3842是Unitorde公司推出的電流型脈寬調制器，該調制器單端輸出，可以直接驅動(dòng)雙極型功率管或場(chǎng)效應管，適用于無(wú)工頻變壓器的 20~80W小功率開(kāi)關(guān)電源的設計。文章介紹的設計方案采用單端反激式結構，實(shí)現寬電壓輸入，穩定的直流輸出，具有輸入紋波小，輸出穩定，體積小，質(zhì)量輕，效高，電磁兼容好等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿(mǎn)足醫療設備供電需求。

引言

近年來(lái)隨著(zhù)電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)穩壓電源與同容量的線(xiàn)性穩壓電源相比，具有效率高，功率低，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入上世紀90年代以來(lái)，開(kāi)關(guān)電源已廣泛應用在各種電子電器設備、通訊、電力檢測設備電源之中。同時(shí)在醫療儀器設備中也得到了越來(lái)越廣泛的應用，比如心電圖機，輸液泵，超聲診斷儀，監護儀，CT機等等。開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量好壞直接影響整個(gè)醫療電子設備的可靠性，因此，在醫療設備的設計中開(kāi)關(guān)電源的設計也越來(lái)越得到重視。文章基于 UC3842高性能電流模式脈沖寬度調制(PWM)發(fā)生器控制的開(kāi)關(guān)電源適合應用于此類(lèi)醫療系統。實(shí)驗通過(guò)光耦實(shí)現輸出和輸入的隔離，不僅提高了電源的效率，簡(jiǎn)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定，紋波小等優(yōu)點(diǎn)。

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(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。UC3842是電流控制型脈寬調節器。通常用于單端反激式變換器。其內部結構見(jiàn)圖1。

圖1：UC3842的內部等效電路

圖中1腳和2腳為補償端和內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(guò)流檢測電阻，可構成過(guò)流保護電路，當3腳電壓等于或高于1 V時(shí)，電流控制檢測比較器輸出高電平，復位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，能直接驅動(dòng)雙極型功率管或MOS管。7腳是其電源端，芯片工作的開(kāi)啟電壓為16 V，欠壓鎖定電壓為10 V;8腳是其內部基準電壓(5 V)。

2 開(kāi)關(guān)電源的結構及工作過(guò)程

醫療設備中使用的開(kāi)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(jiàn)圖2。

圖2：開(kāi)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)保護電路。整流電路是把輸入交流變?yōu)橹绷?，通常開(kāi)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(xiàn)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)保護電路具有雷擊保護，開(kāi)機沖擊電流限制以及輸入過(guò)電流保護功能。功率變換電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，主要由開(kāi)關(guān)電路和變壓器組成。開(kāi)關(guān)晶體管要選用開(kāi)關(guān)速度快，導通和工作時(shí)間短的。通常功率開(kāi)關(guān)管的控制方式選擇脈寬調制。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(dòng)電流，并將其平滑成設計要求的低波紋直流電壓。同時(shí)，以直流電的輸出電壓為反饋信號，通過(guò)隔離的反饋電路，由前級的PWM控制電路進(jìn)行電壓的調節，達到穩壓的目的?？刂齐娐返闹饕饔檬窍蝌寗?dòng)電路提供矩形脈沖序列，控制脈沖寬度和頻率，從而達到改變輸出電壓的目的。

3 反激式開(kāi)關(guān)電源設計

文章用UC3842為核心器件設計了一個(gè)單端反激式開(kāi)關(guān)穩壓電源。開(kāi)關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統。開(kāi)關(guān)穩壓電源電路圖見(jiàn)圖3。

圖3：開(kāi)關(guān)穩壓電源電路圖

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(dòng)電路由電容C2和電阻R2構成，C2經(jīng)電阻R2充電，當達到16 V時(shí)，UC3842有輸出;使MOS開(kāi)關(guān)Q1導通，能量存貯在變壓器T1中，此時(shí)，由于二次側各路整流二極管反向偏置，故能量不能傳到T1的二次側，T1 側的一次側電流通過(guò)電阻R10檢測并與UC3842內部提供的1 V基準電壓進(jìn)行比較，當達到這一電平時(shí)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中的能量傳輸到輸出電容器中。啟動(dòng)結束后，反饋線(xiàn)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內部的2.5 V基準電壓作比較來(lái)調整驅動(dòng)脈沖寬度。從而改變輸出電壓以實(shí)現對輸出的控制。這樣能量周而復始地存貯釋放，給各路輸出端提供電壓。

穩壓反饋環(huán)境由R12，光耦合器，TL431等組成。其穩壓原理：若輸出電壓因負載變輕而升高時(shí)，流過(guò)光耦合器的發(fā)光二極管電流增大，其發(fā)光強度增加，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，從而達到穩壓的目的。

4 參數設計

在開(kāi)關(guān)電源的設計實(shí)現中，高頻變壓器的設計與計算是至關(guān)重要的，其工作量也是比較大的，它的設計方法與其他類(lèi)型的變壓器不同。下面以電源設計功率為70W，效率為η=80%，工作頻率為30kHz為例，說(shuō)明電路的設計方法。

4.1 變壓器鐵芯設計

采用面積相乘法設計變壓器，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，當原邊電壓波動(dòng)時(shí)，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，一般為0.40，fs為開(kāi)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。

鐵氧體磁芯磁感應強度取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 原副邊繞組匝數計算

原邊繞組每匝伏數

取整流二極管壓降為0.7 V。副邊繞組壓降為0.6 得：5 V副邊繞組匝數匝

，取7匝。

新的反激每匝伏數

±15 V副邊繞組匝數匝

，取22匝。

24 V副邊繞組匝數

匝，取整為33匝。

5 結束語(yǔ)

該電源經(jīng)使用證明，電源設計合理，工作可靠，性?xún)r(jià)比高，具有很強的實(shí)際應用價(jià)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，可直接驅動(dòng)晶體管和MOSFET，具有管腳數量少，外圍電路簡(jiǎn)單，安裝與調試簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。設計結構簡(jiǎn)單，性能穩定，實(shí)現了對醫療設備供電的功能，對醫療設備的整體性能提高大有益處。