TOPSwitch-GX開(kāi)關(guān)電源在牙科X光機中的應用

摘  要：TOPSwitch 器件是美國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?xún)r(jià)比產(chǎn)品。介紹TOPSwitch—GX的工作原理。并在分析醫用牙科x光機高壓電源 對輔助電源性能要求的基礎上，結合PI—Expert軟件，給出該輔助電源的詳細設計過(guò)程。
關(guān)鍵詞：TOPSwitch—GX；輔助電源；醫用牙科X光機；PI—Expert軟件

1 引言
    輔助電源作為醫用x光機電源的一部分．雖然不是核心部件，但它就如同人的左右手一樣．起著(zhù)至關(guān)重要的作用，其性能指標直接對整個(gè)系統的性能產(chǎn)生重要影響。 在設計過(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壓電路．在本系統設計中，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(mǎn)足要求；另一種是PWM調制器加功率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  內部結構及工作原理
    圖1示出TOPSwitch—GX系列電路的內部原理框圖。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 整器和門(mén)驅動(dòng)級提供偏置電壓，控制電流，IC調節占空比；2)帶隙基準電壓源，所有臨界的TOPSwitch內部電壓都由一個(gè)溫度補償的帶隙參考基準得 出。該參考基準也產(chǎn)生一個(gè)溫度補償的電流源，它被微調在精確設置的振蕩頻率和調節M(mǎn)OSFET柵極的驅動(dòng)電流：3)振蕩器，用于產(chǎn)生脈寬調制器所需要的鋸 齒波、時(shí)鐘信號及最大占空比信號：4)并聯(lián)調整器／誤差放大器，誤差放大器將反饋電壓與5．7V基準電壓進(jìn)行比較，輸出誤差電流IFB，在RE上形成誤差 電壓；5)脈寬調制器．脈沖寬度調制器提供電壓型控制環(huán)，以驅動(dòng)輸出級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，經(jīng)RC濾波后．與內部振蕩器鋸齒波相比較，產(chǎn)生一定占空比的波形；6)門(mén)驅動(dòng)級和輸出級，門(mén)驅動(dòng)級用于驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，使之按一定速率導通。 MOSFET管的漏一源擊穿電壓大于700 V；7)過(guò)流保護電路，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)熱保護電路，當芯片結溫大 于135℃時(shí)，過(guò)熱保護電路將關(guān)斷輸出級；當芯片結溫低于70℃時(shí)．電路恢復正常工作，即具有滯后特性；9)關(guān)斷／自動(dòng)重啟動(dòng)電路，一旦調節失控，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，恢復正常工作；1 0)高壓電流源，在啟動(dòng)或滯后調節模式下，高壓電流源經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)S給內部電路提供偏置，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)元器件的負荷；1 2)輸入過(guò)壓、欠壓檢測及保護電路，通過(guò)外接電阻器設定過(guò)壓、欠壓的保護電壓．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)仍具有很好的調節特性；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(xiàn)路檢測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(xiàn)路檢測端內部還增加了開(kāi)啟電壓為l V的電壓比較器，此開(kāi)啟電壓可用于遠程通斷控制。

3 TOPSwitch—GX輔助電源設計
3．1 對輔助電源的要求
    圖2示出醫用牙科X光機高壓電源原理框圖。交流市電經(jīng)。EMI濾波、整流、功率因數校正后，通過(guò)串聯(lián)開(kāi)關(guān)調整將電壓穩定到直流160 V，一方面減少了市電波動(dòng)對輸出電壓的影響，提高了輸出高壓的穩定度；另一方面降低了后級開(kāi)關(guān)管上的電壓應力．并且多加一級過(guò)流、過(guò)壓保護，提高了系統的 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(xiàn)管供電。其中用單片機實(shí)現良好的人機接口，并通過(guò)對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)對燈絲進(jìn)行恒流控制，實(shí)現不 同的光劑量。

    輔助電源作為系統的重要組成部分，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路送單片機系統部分，1路給 燈絲提供電源。由于該系統應用于醫院牙科，檢查病人牙齒的病變，故對電源性能提出了較高的要求：首先要求輸出高壓要穩定．發(fā)射X射線(xiàn)的劑量要適當，其次是 要安全。輔助電源須滿(mǎn)足以下要求：

    1)輸出功率要超過(guò)100 W，以滿(mǎn)足各部分對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 )導致系統失效：
    3)輸出電壓穩定度要高，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，電壓的波動(dòng)導致其程序跑飛，造成的后果將不堪設想：
    4)體積要小，這樣有利于減小設備體積．提高用戶(hù)操作的靈活性。

3．2 計算機輔助設計
    由于電源設計涉及的知識面較廣，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)半導體器件、模擬電路與數字電路、電磁特性、電 磁兼容性、熱力學(xué)等方面的知識。傳統設計方法全部靠人工來(lái)完成，步驟繁瑣、工作量大、效率低。本設計采用PI公司提供的輔助設計工具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)現多方面的優(yōu)化設計。圖3示出應用PI—Expert輔助設計時(shí)軟件輸出的電 路形式。該軟件根據用戶(hù)給定的輸入參數、輸出參數、優(yōu)化方式、器件系列等相關(guān)信息，通過(guò)計算給出器件變量電源部分元件選擇、電源輸出參數、變壓器結構參數 和次級參數等信息。本設計性能指標如下：

    輸人參數：輸入電壓為85 VAC一265 VAC；電源頻率為50 Hz；整流二極管導通時(shí)間為2．45 ms；損耗分配因數為O．46；效率為0．73。
    輸出參數：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 變壓器設計
    由于變壓器在電路中兼有儲能、限流和隔離作用．還要流過(guò)電流直流成分，因而是整個(gè)設計中的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

3．3．1 變壓器的設計原則
    當電路主拓撲結構、工作頻率和磁芯尺寸確定后．變壓器的功率P與磁感應強度B和電流密度成正比．即PocBJ當變壓器尺寸一定時(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 形畸變嚴重，影響電路安全工作并導致輸出紋波增加。若J增大，則銅損增大．溫升將會(huì )超過(guò)規定值。因此，在確定磁感應強度和電流密度時(shí)，應把電性能要求和經(jīng) 濟設計結合起來(lái)考慮。

3．3．2 相關(guān)參數計算
    為了合理選擇變壓器的磁芯，確定初級、次級線(xiàn)圈的線(xiàn)徑、匝數及氣隙等參數，必須對磁場(chǎng)強度、傳輸功率、傳輸效率、初級和次級峰值電流等多項參數進(jìn)行分析計 算。計算方法多種多樣，但計算結果相差不大。本設計采用了PI—Expert軟件，計算相當簡(jiǎn)單，僅需輸入相關(guān)設計參數，軟件就會(huì )輸出所需的 變壓器設計參數：初級線(xiàn)圈電感量LP=171μH：初級匝數：NP=27.3(實(shí)際設計中取27)；初級線(xiàn)徑：AWG20(0．813 mm)雙股并繞；反饋繞組匝數：NB=3．0：磁芯選擇：E135，相關(guān)參數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；初級漏感：LL=3μH； 次級12 V／5 A組：3匝．AWG22(0．643 mm)3股并繞；次級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)。

    軟件給出的參數都是經(jīng)過(guò)一定優(yōu)化得到的，故實(shí)際設計中優(yōu)先選用這些推薦參數，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)就是能加強磁耦合，改善輕載時(shí)的穩壓性能，骨架上的引腳較少，并且制造成本較低。繞制過(guò)程中，初級繞組在最里層．有利 于減少初級繞組的分布電容，降低初級繞組對相鄰元件的干擾；12 V／5 A繞組緊挨初級繞組，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，反饋繞組與次級繞組耦合最強，對電壓的變化敏感．有利于提高穩壓效果。各繞組之間的絕緣選用厚度為0． 03／mm的聚脂薄膜，初次級之間用5層，次級與次級之間用2層，保證了較好的絕緣強度。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”，縫隙處用導熱膠灌注?？傊?，在變壓器的設計和制作過(guò)程中，必須對磁芯 與線(xiàn)圈的結構、繞制方法、散熱、效率等周密考慮。

4  結束語(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、遠程控制等眾多優(yōu)點(diǎn)，并且有 PI—Expert軟件輔助設計，可以在短時(shí)間內設計出高性能、低價(jià)格、重量輕的開(kāi)關(guān)電源。實(shí)驗證明在寬范圍輸入的情況下．其輸出波形穩定， 輸出紋波小，完全符合輔助電源的要求。它不僅適合在醫用牙科X光機電源、逆變焊機等各類(lèi)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(lèi)小型高效節能型開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域得到廣泛的應用。