基于PWM芯片UC3842的医疗开关电源设计方案
如图四所示,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,图四中的电容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。
2、启动电路
如图三所示,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、过流、短路保护电路
如图三所示,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。
4、精密反馈电路
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。如图三,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。
5、整流滤波电路
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.
6、导通时序
如图五所示,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。图五中,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。
图五负载不同时的波形
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,输出电压如图六所示。
图六输出电压波形
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。
结束语
UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器,单端输出,可直接驱动晶体管和MOSFET,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。本设计中充分使用了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,对提高医疗设备整体性能大有益处。
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