基于UC3842的醫(yī)療開關(guān)電源設(shè)計|壹芯微

醫(yī)療電源是對安規(guī)及EMI、EMC比較高的設(shè)備，作為綠色開關(guān)電源，將在21世紀(jì)給人類社會帶來巨大的變化。性能優(yōu)良的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)離不開性能優(yōu)良的控制模塊，而控制模塊的性能在很大程度上取決于供電電源的性能，所以高質(zhì)量的供電電源系統(tǒng)在整個醫(yī)療系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要的位置。鑒于此，本文提出了一種基于UC3842的醫(yī)療開關(guān)電源設(shè)計方案，該方案通過小型高頻變壓器實現(xiàn)輸出和輸入的完全隔離，不僅提高了電源的效率，簡化了外圍電路，也降低了電源的成本和體積。電源輸出電壓穩(wěn)定，波紋小，不間斷性能可靠同時又不會對其他設(shè)備產(chǎn)生輻射和傳導(dǎo)干擾。

1.單端反激式變換電路

單端反激式變換的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。單端是指變壓器的磁心僅工作在磁滯回線的一側(cè);反激是指當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，在初級線圈中儲存能量，而次級線圈不通，當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉的時候，初級線圈中的能量通過次級線圈釋放給負載。這是一種成本低的調(diào)整器，可以做到輸入輸出部分的完全隔離，有較好的電壓調(diào)整率。

圖1單端反激式變換器

2.UC3842特點

UC3842是目前流行的電流型PWM信號發(fā)生器，具有精度高、電壓穩(wěn)定、外圍電路簡單、價格低廉等優(yōu)點。其原理框圖如圖2所示。由5V基準(zhǔn)電壓源、控制占空比調(diào)定的振蕩器、電流測定比較器、PWM鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅(qū)動功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等組成。其主要特點是：

(1)外接元件少，外圍電路簡單，價格便宜;

(2)無需輸入變壓器，起動電流小(小于1mA);

(3)具有精密的電壓基準(zhǔn)源(±1%);

(4)大電流(1A)PWM輸出級，可直接驅(qū)動功率MOS管;

(5)有欠電壓封鎖和過電流保護功能;

(6)工作頻率可達500kHz。

圖2UC3842原理框圖

UC3842芯片能同時滿足較好的電氣性能和較低的成本，因而被廣泛地用于20~80W的小功率開關(guān)電源。圖2中8腳是其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(5V);7腳是其電源端，芯片工作的開啟電壓為16V,欠壓鎖定電壓為10V;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。1和2腳為補償端和內(nèi)部電壓比較器的反相輸入端，從3腳引入的電流反饋信號與1腳的電壓誤差信號比較，產(chǎn)生一個PWM(脈寬調(diào)制)波，從6腳(輸出端)輸出該信號，控制功率器件的通斷。3腳為電流檢測輸入端。由于電流比較器輸入端設(shè)置了1V的電流鉗位，當(dāng)電流過大而使電流檢測電阻R9(如圖3所示)上的電壓超過1V(即3腳電平大于1V)時，將關(guān)斷PWM脈沖，從而達到過流保護的目的。

3.開關(guān)電源的電路設(shè)計

本文用UC3842為核心控制部件，設(shè)計了90-264Vac輸入、DC12V輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。主要的功能模塊包括：EMI/EMC電路、啟動電路、反饋電路、保護電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進行分析，開關(guān)電源電路原理圖如圖3所示。

圖3開關(guān)電源原理圖

3.1EMI/EMC電路設(shè)計

圖4電磁濾波器電路圖

如圖4所示，共模電感L1的差值電感與電容CX1及CX2構(gòu)成了一個π型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。除了共模電感以外，圖4中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時主要由電感器起作用，而在高頻時大部分由電容CY1及CY2起作用。MOV1是為了防止雷擊，能夠吸收5000Vac瞬間雷擊。

3.2啟動電路設(shè)計

如圖3所示，電源通過啟動電阻R1給電容C4充電。當(dāng)C4電壓達到UC3842的啟動電壓門檻值時，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由6端輸出推動開關(guān)管工作。隨著UC3842的啟動，R1的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓經(jīng)過D7和Z3、R8、Z1來為UC3842供電。

3.3過流、短路保護電路設(shè)計

如圖3所示，當(dāng)負載電流超過額定值時，場效應(yīng)電流增加，R9上的電壓反饋至CSEN(3腳)，通過內(nèi)部電流檢測比較器輸出復(fù)位信號，最后導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)閉。只有在下一個基準(zhǔn)脈沖到來時，才可能重新開啟開關(guān)管，而不可能出現(xiàn)開關(guān)管電流在恒流值左右振蕩的情況。當(dāng)出現(xiàn)輸出短路時，輸出電壓會下降，同時為UC3842供電的反饋繞組也會出現(xiàn)輸出電壓下降。當(dāng)輸入電壓低于87Vac時，UC3842停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場效應(yīng)管截止。短路現(xiàn)象消失后，電源重新啟動，自動恢復(fù)正常工作。這就是俗稱的電路“打嗝”現(xiàn)象。

3.4精密反饋電路設(shè)計

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，整流電壓加在變壓器初級繞組上的電能變成磁能儲存在變壓器中，開關(guān)管截止后，能量通過次級繞組釋放到負載上。由公式：U0=(Ton/(nToff))E可以得出，輸出電壓和開關(guān)管的導(dǎo)通時間及輸入電壓成正比，與初、次級繞組的匝數(shù)比及開關(guān)管的截止時間成反比。反饋電路采用精密穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC817.利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(diào)整。如圖3,輸出電壓經(jīng)Z2、R15分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進行比較。當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)正誤差，取樣電壓大于2.5V,TL431的穩(wěn)壓值降低，光耦PC1控制端電流增大，UC3842的反饋端(VFB)電壓值增大，輸出端的脈沖信號占空比降低，開關(guān)管的導(dǎo)通時間減少，輸出電壓降低;反之，如果輸出電壓出現(xiàn)負誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達到穩(wěn)壓目的。同時，整個電源系統(tǒng)的輸入、輸出被隔離，UC3842受到的干擾減少。在對電壓精度要求高的場合，會把電壓反饋信號從補償端(CMOP)輸入，不用UC3842的內(nèi)部放大器。因此反饋信號的傳輸縮短了一個放大器的傳輸時間，使電源的動態(tài)響應(yīng)更快。

3.5整流濾波電路設(shè)計

輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關(guān)電源輸出端對紋波幅值的影響主要有以下幾個方面：

①輸入電源的噪聲。解決的方案是在電源輸入端加電容C1x及電感L1,以濾除此噪聲干擾。

②高頻信號噪聲，開關(guān)電源中高頻噪聲主要是由高頻變壓器和功率管器件產(chǎn)生。對于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用C9、L2、C11構(gòu)成π型濾波的方式。濾波電感采用150μH的電感，可濾除高頻噪聲。

③采用肖特基二極管D8整流。基于它低壓、功耗低、大電流的特點，有利于提高電源的效率;其反向恢復(fù)時間短，有利于減少高頻噪聲。

④為了減少共模噪聲，在輸出地和輸入地之間接電容C13.

3.6導(dǎo)通時序

如圖5所示，在負載不同的時候，其時序電路是不一樣的。在滿載時絕大多數(shù)始終周期是導(dǎo)通的，也就是導(dǎo)通的頻率高，中等負載會跳過一部分始終周期，而輕載時要跳過大部分的始終電路，只有少數(shù)始終周期是導(dǎo)通的，這樣導(dǎo)通周期的頻率是很低的。圖5中，U0是輸出電壓，CLK是UC3842的基準(zhǔn)脈沖，D是UC3842的輸出脈沖，Id是流過開關(guān)管的電流，Ud是變壓器初級繞組下端(開關(guān)管MOSFET漏級)的電壓。

圖5負載不同時的波形

4.實驗結(jié)果

該開關(guān)電源的性能，按上述應(yīng)用電路進行了測試，動態(tài)負載響應(yīng)快，具有良好電磁兼容性能并能通過美國的FCCCASEA標(biāo)準(zhǔn)。不同輸入電壓和不同負載時，輸出電壓如圖6所示。

圖6輸出電壓波形

表一為空載輸入電壓在90~264Vac波動時，輸出電壓的波動情況。表二是負載電流在100mA~1.2A變化時，輸出電壓的波動情況。

結(jié)語

本文總結(jié)了UC3842在醫(yī)療開關(guān)電源的應(yīng)用設(shè)計，并充分使用了UC3842的控制功能，實現(xiàn)了對輸出電壓的負反饋調(diào)節(jié)以及各種保護機制。這種開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了對醫(yī)療設(shè)備供電，對提高醫(yī)療設(shè)備整體性能大有益處。

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