醫用開關電源設計方案

本文基於UC3842高性能電流模式脈衝寬度調製(PWM)發生器控制的開關電源，適合應用於此類醫療系統。實驗通過光耦實現輸出和輸入的隔離，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，使電源具有輸出電壓穩定，紋波小等優點。

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以UC3842晶片為核心，提出了一種醫用開關電源設計方案。首先闡述了UC3842的基本原理，在此基礎上提出了單端反激開關電源的原理和設計方法。UC3842是Unitorde公司推出的電流型脈寬調製器，該調製器單端輸出，可以直接驅動雙極型功率管或場效應管，適用於無工頻變壓器的 20~80W小功率開關電源的設計。文章介紹的設計方案採用單端反激式結構，實現寬電壓輸入，穩定的直流輸出，具有輸入紋波小，輸出穩定，體積小，質量輕，效高，電磁兼容好等優點，能夠很好地滿足醫療設備供電需求。

引言

近年來隨著電源技術的飛速發展，開關穩壓電源與同容量的線性穩壓電源相比，具有效率高，功率低，體積小，質量輕等優點。進入上世紀90年代以來，開關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。同時在醫療儀器設備中也得到了越來越廣泛的應用，比如心電圖機，輸液泵，超聲診斷儀，監護儀，CT機等等。開關電源的質量好壞直接影響整個醫療電子設備的可靠性，因此，在醫療設備的設計中開關電源的設計也越來越得到重視。文章基於 UC3842高性能電流模式脈衝寬度調製(PWM)發生器控制的開關電源適合應用於此類醫療系統。實驗通過光耦實現輸出和輸入的隔離，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，使電源具有輸出電壓穩定，紋波小等優點。

1 UC3842晶片介紹

UC3842是美國UNIRODE公司生產，此IC具有引腳少(8腳)，外接元件少，接線簡單，可靠性高，成本低等優點。UC3842是電流控制型脈寬調節器。通常用於單端反激式變換器。其內部結構見圖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，外接過流檢測電阻，可構成過流保護電路，當3腳電壓等於或高於1 V時，電流控制檢測比較器輸出高電平，復位PWM鎖存器，從而關閉輸出脈衝;4腳接振蕩電路，產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，能直接驅動雙極型功率管或MOS管。7腳是其電源端，晶片工作的開啟電壓為16 V，欠壓鎖定電壓為10 V;8腳是其內部基準電壓(5 V)。

2 開關電源的結構及工作過程

醫療設備中使用的開關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，見圖2。

圖2：開關電源的原理框圖

輸入電路包括整流電路、EMI濾波電路及暫態保護電路。整流電路是把輸入交流變為直流，通常開關電源中的整流電路是採用電容輸入型。EMI濾波電路由電容和線圈組成，其作用是濾除電網中的高頻雜波和同相干擾信號，以及避免電源中產生的電磁幹擾洩露到外面。暫態保護電路具有雷擊保護，開機衝擊電流限制以及輸入過電流保護功能。功率變換電路是開關電源的核心部分，主要由開關電路和變壓器組成。開關電晶體要選用開關速度快，導通和工作時間短的。通常功率開關管的控制方式選擇脈寬調製。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電流，並將其平滑成設計要求的低波紋直流電壓。同時，以直流電的輸出電壓為反饋信號，通過隔離的反饋電路，由前級的PWM控制電路進行電壓的調節，達到穩壓的目的。控制電路的主要作用是向驅動電路提供矩形脈衝序列，控制脈衝寬度和頻率，從而達到改變輸出電壓的目的。

3 反激式開關電源設計

文章用UC3842為核心器件設計了一個單端反激式開關穩壓電源。開關電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環控制系統。開關穩壓電源電路圖見圖3。

圖3：開關穩壓電源電路圖

115V的交流輸入電壓經整流濾波後為電路提供直流工作電壓。起動電路由電容C2和電阻R2構成，C2經電阻R2充電，當達到16 V時，UC3842有輸出;使MOS開關Q1導通，能量存貯在變壓器T1中，此時，由於二次側各路整流二極體反向偏置，故能量不能傳到T1的二次側，T1 側的一次側電流通過電阻R10檢測並與UC3842內部提供的1 V基準電壓進行比較，當達到這一電平時Q1關斷。所有變壓器的繞組極性反向，輸出整流二極體正向偏置，存貯在T1中的能量傳輸到輸出電容器中。啟動結束後，反饋線圈的電壓整流後經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基準電壓作比較來調整驅動脈衝寬度。從而改變輸出電壓以實現對輸出的控制。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，流過光耦合器的發光二極體電流增大，其發光強度增加，反饋至光耦合三極體使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

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

4.1 變壓器鐵芯設計

採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，當原邊電壓波動時，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為窗口利用係數，一般為0.40，fs為開關頻率(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

取整流二極體壓降為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

該電源經使用證明，電源設計合理，工作可靠，性價比高，具有很強的實際應用價值和廣闊的前景。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅動電晶體和MOSFET，具有管腳數量少，外圍電路簡單，安裝與調試簡便，價格低廉等優點。設計結構簡單，性能穩定，實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。