基于UC3842高性能电流模式PWM芯片的医疗开关电源设计方案

电源

　　摘要：UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，鉴于此，本文提出了一种基于UC3842的医疗开关电源设计方案。该方案中的开关电源设计采用单端反激式结构，实现90-264Vac供电，12V的直流输出，具有瞬态响应快、电磁兼容好、输出电压精度高等优点，经过实验测试结果表明该开关电源性能稳定，能够很好地满足医疗设备供电需求。
　　0 引言
　　医疗电源是对安规及EMI、EMC比较高的设备，作为绿色开关电源，将在21世纪给人类社会带来巨大的变化。性能优良的医疗设备系统离不开性能优良的控制模块，而控制模块的性能在很大程度上取决于供电电源的性能，所以高质量的供电电源系统在整个医疗系统中占有相当重要的位置。本文基于UC3842高性能电流模式PWM发生器控制的开关电源适合应用于此类系统。本设计通过小型高频变压器实现输出和输入的完全隔离，不仅提高了电源的效率，简化了外围电路，也降低了电源的成本和体积。电源输出电压稳定，波纹小，不间断性能可靠同时又不会对其他设备产生辐射和传导干扰。
　　1 单端反激式变换电路的基本结构
　　单端反激式变换的典型结构如图1所示。单端是指变压器的磁心仅工作在磁滞回线的一侧；反激是指当开关管导通时，在初级线圈中储存能量，而次级线圈不通，当开关管关闭的时候，初级线圈中的能量通过次级线圈释放给负载。这是一种成本低的调整器，可以做到输入输出部分的完全隔离，有较好的电压调整率。

　　图1:单端反激式变换器

　　2 UC3842 芯片的性能特点
　　UC3842芯片是Unit rode公司的产品，是一种高性能的单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，其原理框图如图2所示。由5V基准电压源、控制占空比调定的振荡器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET 的大电流推挽输出电路等组成。其主要特点是：
　　①外接元件少，外围电路简单，价格便宜；
　　②无需输入变压器，起动电流小（小于1mA）；
　　③具有精密的电压基准源（±1%）；
　　④大电流（1A）PWM输出级，可直接驱动功率MOS管；
　　⑤有欠电压封锁和过电流保护功能；
　　⑥工作频率可达500kHz.

　　图2:VC3842原理框图

　　UC3842芯片能同时满足较好的电气性能和较低的成本，因而被广泛地用于20~80W的小功率开关电源。图2中8脚是其内部基准电压（5V）； 7脚是其电源端，芯片工作的开启电压为16V,欠压锁定电压为10V; 4脚接振荡电路，产生所需频率的锯齿波RT接在4、8脚之间，CT接在4脚和地之间。1和2脚为补偿端和内部电压比较器的反相输入端，从3脚引入的电流反馈信号与1 脚的电压误差信号比较，产生一个PWM（脉宽调制）波，从6脚（输出端）输出该信号，控制功率器件的通断。3脚为电流检测输入端。由于电流比较器输入端设置了1V的电流钳位，当电流过大而使电流检测电阻R9（如图3所示）上的电压超过1V（即3脚电平大于1V）时，将关断PWM脉冲，从而达到过流保护的目的。
　　3 开关电源的电路设计
　　本文用UC3842为核心控制部件，设计了90-264Vac输入、 DC12V输出的单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。主要的功能模块包括：EMI/EMC电路、启动电路、反馈电路、保护电路、整流电路。以下对各个模块的原理和功能进行分析，开关电源电路原理图如图3所示。

　　图3:开关电源原理图

　　3.1EMI/EMC电路设计

　　图4:电磁滤波器电路图

　　如图4所示，共模电感L1的差值电感与电容CX1及CX2构成了一个π型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。除了共模电感以外，图4中的电容CY1及CY2也是用来滤除共模干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容CY1及CY2起作用。 MOV1是为了防止雷击，能够吸收5000Vac瞬间雷击。
　　3.2启动电路设计
　　如图3所示，电源通过启动电阻R1给电容C4充电。当C4电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6端输出推动开关管工作。随着UC3842的启动， R1的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压经过D7和Z3、R8、Z1来为UC3842供电。
　　3.3过流、短路保护电路设计
　　如图3所示，当负载电流超过额定值时，场效应电流增加，R9上的电压反馈至CSEN（3脚），通过内部电流检测比较器输出复位信号，最后导致开关管关闭。只有在下一个基准脉冲到来时，才可能重新开启开关管，而不可能出现开关管电流在恒流值左右振荡的情况。当出现输出短路时，输出电压会下降，同时为UC3842供电的反馈绕组也会出现输出电压下降。当输入电压低于87Vac时，UC3842停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止。短路现象消失后，电源重新启动，自动恢复正常工作。这就是俗称的电路“打嗝”现象。
　　3.4精密反馈电路设计
　　当开关管导通时，整流电压加在变压器初级绕组上的电能变成磁能储存在变压器中，开关管截止后，能量通过次级绕组释放到负载上。由公式： U0=（Ton/（n Toff））E可以得出，输出电压和开关管的导通时间及输入电压成正比，与初、次级绕组的匝数比及开关管的截止时间成反比。反馈电路采用精密稳压器TL431和线性光耦PC817. 利用TL431可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图3,输出电压经Z2、R15分压后得到的取样电压，与 TL431中的2.5V基准电压进行比较。当输出电压出现正误差，取样电压大于2.5V,TL431的稳压值降低，光耦PC1控制端电流增大，UC3842的反馈端（VFB）电压值增大，输出端的脉冲信号占空比降低，开关管的导通时间减少，输出电压降低；反之，如果输出电压出现负误差，UC3842的输出脉冲占空比增大，输出电压增高，达到稳压目的。同时，整个电源系统的输入、输出被隔离，UC3842受到的干扰减少。在对电压精度要求高的场合，会把电压反馈信号从补偿端（CMOP）输入，不用UC3842 的内部放大器。因此反馈信号的传输缩短了一个放大器的传输时间，使电源的动态响应更快。
　　3.5整流滤波电路设计
　　输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能。开关电源输出端对纹波幅值的影响主要有以下几个方面：
　　（1）输入电源的噪声。解决的方案是在电源输入端加电容C1x及电感L1,以滤除此噪声干扰。
　　（2）高频信号噪声，开关电源中高频噪声主要是由高频变压器和功率管器件产生。对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用C9、L2、C11构成π型滤波的方式。滤波电感采用150μH的电感，可滤除高频噪声。
　　（3）采用肖特基二极管D8整流。基于它低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率；其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。
　　（4）为了减少共模噪声，在输出地和输入地之间接电容C13.
　　3.6导通时序
　　如图5所示，在负载不同的时候，其时序电路是不一样的。在满载时绝大多数始终周期是导通的，也就是导通的频率高，中等负载会跳过一部分始终周期，而轻载时要跳过大部分的始终电路，只有少数始终周期是导通的，这样导通周期的频率是很低的。图5中，U0是输出电压，CLK是UC3842的基准脉冲，D是 UC3842的输出脉冲，Id是流过开关管的电流，Ud是变压器初级绕组下端（开关管MOSFET 漏级）的电压。

　　图5:负载不同时的波形

　　4 实验结果
　　该开关电源的性能，按上述应用电路进行了测试，动态负载响应快，具有良好电磁兼容性能并能通过美国的FCC CASEA标准。不同输入电压和不同负载时，输出电压如图6所示。

　　图6:输出电压波形

　　表一为空载输入电压在90~264Vac波动时，输出电压的波动情况。表二是负载电流在100mA~1.2A变化时，输出电压的波动情况。

　　5 结语
　　本文基于UC3842高性能电流模式PWM芯片具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，提出的基于UC3842的医疗开关电源设计方案。该方案设计中充分使用了UC3842的控制功能，实现了对输出电压的负反馈调节以及各种保护机制。这种开关电源结构简单，性能稳定，实现了对医疗设备供电。

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