TOPSwitch—GX輔助電源的功能特點及應用設計

1 引言

輔助電源作為醫(yī)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．起著至關重要的作用，其性能指標直接對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。在設計過程中一般采用的方法有二種：一種是工頻變壓器加濾波穩(wěn)壓電路．在本系統(tǒng)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、重量方面都不能滿足要求；另一種是PWM調(diào)制器加功率MOSFET，這種方法還需要大約40～80個外圍分立元件，來提高其穩(wěn)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系列開關電路成為最佳選擇。

2 內(nèi)部結構及工作原理

圖1示出TOPSwitch—GX系列電路的內(nèi)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(diào)整器和門驅(qū)動級提供偏置電壓，控制電流，IC調(diào)節(jié)占空比；2）帶隙基準電壓源，所有臨界的TOPSwitch內(nèi)部電壓都由一個溫度補償?shù)膸秴⒖蓟鶞实贸?。該參考基準也產(chǎn)生一個溫度補償?shù)?a target="_blank">電流源，它被微調(diào)在精確設置的振蕩頻率和調(diào)節(jié)MOSFET柵極的驅(qū)動電流：3）振蕩器，用于產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波、時鐘信號及最大占空比信號：4）并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器，誤差放大器將反饋電壓與5．7V基準電壓進行比較，輸出誤差電流IFB，在RE上形成誤差電壓；5）脈寬調(diào)制器．脈沖寬度調(diào)制器提供電壓型控制環(huán)，以驅(qū)動輸出級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)生一個電壓誤差信號，經(jīng)RC濾波后．與內(nèi)部振蕩器鋸齒波相比較，產(chǎn)生一定占空比的波形；6）門驅(qū)動級和輸出級，門驅(qū)動級用于驅(qū)動功率開關管，使之按一定速率導通。MOSFET管的漏一源擊穿電壓大于700 V；7）過流保護電路，過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）具有滯后特性的過熱保護電路，當芯片結溫大于135℃時，過熱保護電路將關斷輸出級；當芯片結溫低于70℃時．電路恢復正常工作，即具有滯后特性；9）關斷／自動重啟動電路，一旦調(diào)節(jié)失控，將立即使電路在低占空比下工作，倘若故障被排除，則自動重新啟動電源，恢復正常工作；1 0）高壓電流源，在啟動或滯后調(diào)節(jié)模式下，高壓電流源經(jīng)過電子開關S給內(nèi)部電路提供偏置，電源正常工作時．電子開關S改接內(nèi)部電源．將高壓電流源關斷；11）軟啟動，軟啟動時間為10ms．以減輕啟動時元器件的負荷；1 2）輸入過壓、欠壓檢測及保護電路，通過外接電阻器設定過壓、欠壓的保護電壓．并且可以在電源關斷時防止自動重啟動脈沖的干擾；13）輕載時自動降低開關頻率，開關頻率及占空比能隨輸出端負載的降低而自動減小，保證其在輕載時仍具有很好的調(diào)節(jié)特性；14）停止邏輯和開啟電壓為1 V的電壓比較器，通過改變線路檢測端流入或流出電流的大小及方向來控制開關電源的通、斷狀態(tài)。線路檢測端內(nèi)部還增加了開啟電壓為l V的電壓比較器，此開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(yī)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(shù)校正后，通過串聯(lián)開關調(diào)整將電壓穩(wěn)定到直流160 V，一方面減少了市電波動對輸出電壓的影響，提高了輸出高壓的穩(wěn)定度；另一方面降低了后級開關管上的電壓應力．并且多加一級過流、過壓保護，提高了系統(tǒng)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射線管供電。其中用單片機實現(xiàn)良好的人機接口，并通過對SG1525的開啟關斷來精確控制底片的曝光時間，同時對燈絲進行恒流控制，實現(xiàn)不同的光劑量。

輔助電源作為系統(tǒng)的重要組成部分，共提供5路輸出，其中2路分別給2個SGl525及其外圍電路作為工作電源；l路送風扇；1路送單片機系統(tǒng)部分，1路給燈絲提供電源。由于該系統(tǒng)應用于醫(yī)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(wěn)定．發(fā)射X射線的劑量要適當，其次是要安全。輔助電源須滿足以下要求：

1）輸出功率要超過100 W，以滿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時不會導致系統(tǒng)失效：

3）輸出電壓穩(wěn)定度要高，比如燈絲．其電壓的波動直接影響到X光劑量的多少；再如單片機，電壓的波動導致其程序跑飛，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系列單片開關電源的工作原理．還必須了解有關半導體器件、模擬電路與數(shù)字電路、電磁特性、電磁兼容性、熱力學等方面的知識。傳統(tǒng)設計方法全部靠人工來完成，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．縮短了開發(fā)時間，并可實現(xiàn)多方面的優(yōu)化設計。圖3示出應用PI—Expert輔助設計時軟件輸出的電路形式。該軟件根據(jù)用戶給定的輸入參數(shù)、輸出參數(shù)、優(yōu)化方式、器件系列等相關信息，通過計算給出器件變量電源部分元件選擇、電源輸出參數(shù)、變壓器結構參數(shù)和次級參數(shù)等信息。本設計性能指標如下：

輸人參數(shù)：輸入電壓為85 VAC一265 VAC；電源頻率為50 Hz；整流二極管導通時間為2．45 ms；損耗分配因數(shù)為O．46；效率為0．73。

輸出參數(shù)：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．還要流過電流直流成分，因而是整個設計中的難點和關鍵。

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，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要求的制約。若B過大．激磁電流過大，會造成波形畸變嚴重，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．溫升將會超過規(guī)定值。因此，在確定磁感應強度和電流密度時，應把電性能要求和經(jīng)濟設計結合起來考慮。

3．3．2 相關參數(shù)計算

為了合理選擇變壓器的磁芯，確定初級、次級線圈的線徑、匝數(shù)及氣隙等參數(shù)，必須對磁場強度、傳輸功率、傳輸效率、初級和次級峰值電流等多項參數(shù)進行分析計算。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，計算相當簡單，僅需輸入相關設計參數(shù)，軟件就會輸出所需的變壓器設計參數(shù)：初級線圈電感量LP=171μH：初級匝數(shù)：NP=27.3（實際設計中取27）；初級線徑：AWG20（0．813 mm）雙股并繞；反饋繞組匝數(shù)：NB=3．0：磁芯選擇：E135，相關參數(shù)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（實際輸出7．97 V）．AWG22（0．643 mm）。

軟件給出的參數(shù)都是經(jīng)過一定優(yōu)化得到的，故實際設計中優(yōu)先選用這些推薦參數(shù)，實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)點就是能加強磁耦合，改善輕載時的穩(wěn)壓性能，骨架上的引腳較少，并且制造成本較低。繞制過程中，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(wěn)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，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程中，必須對磁芯與線圈的結構、繞制方法、散熱、效率等周密考慮。

4 結束語

TOPSwitch—GX系列單片開關電源集PWM／MOSFEI、于一體，具備了過壓、欠壓、過流、過熱保護、遠程控制等眾多優(yōu)點，并且有PI—Expert軟件輔助設計，可以在短時間內(nèi)設計出高性能、低價格、重量輕的開關電源。實驗證明在寬范圍輸入的情況下．其輸出波形穩(wěn)定，輸出紋波小，完全符合輔助電源的要求。它不僅適合在醫(yī)用牙科X光機電源、逆變焊機等各類特種大功率開關電源中作為輔助電源，而且必將在充電器、DC／DC變換模塊等各類小型高效節(jié)能型開關電源領域得到廣泛的應用。

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