资深工程师分享的一款医用开关电源设计方案

本文基于UC3842高性能电流模式脉冲宽度调制（PWM）发生器控制的开关电源，适合应用于此类医疗系统。实验通过光耦实现输出和输入的隔离，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，使电源具有输出电压稳定，纹波小等优点。
以UC3842芯片为核心，提出了一种医用开关电源设计方案。首先阐述了UC3842的基本原理，在此基础上提出了单端反激开关电源的原理和设计方法。UC3842是Unitorde公司推出的电流型脉宽调制器，该调制器单端输出，可以直接驱动双极型功率管或场效应管，适用于无工频变压器的 20~80W小功率开关电源的设计。文章介绍的设计方案采用单端反激式结构，实现宽电压输入，稳定的直流输出，具有输入纹波小，输出稳定，体积小，质量轻，效高，电磁兼容好等优点，能够很好地满足医疗设备供电需求。
引言
近年来随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源与同容量的线性稳压电源相比，具有效率高，功率低，体积小，质量轻等优点。进入上世纪90年代以来，开关电源已广泛应用在各种电子电器设备、通讯、电力检测设备电源之中。同时在医疗仪器设备中也得到了越来越广泛的应用，比如心电图机，输液泵，超声诊断仪，监护仪，CT机等等。开关电源的质量好坏直接影响整个医疗电子设备的可靠性，因此，在医疗设备的设计中开关电源的设计也越来越得到重视。文章基于 UC3842高性能电流模式脉冲宽度调制（PWM）发生器控制的开关电源适合应用于此类医疗系统。实验通过光耦实现输出和输入的隔离，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，使电源具有输出电压稳定，纹波小等优点。
1 UC3842芯片介绍
UC3842是美国UNIRODE公司生产，此IC具有引脚少（8脚），外接元件少，接线简单，可靠性高，成本低等优点。UC3842是电流控制型脉宽调节器。通常用于单端反激式变换器。其内部结构见图1。

图1：UC3842的内部等效电路

图中1脚和2脚为补偿端和内部电压比较器的反相输入端；3脚为电流检测输入端，外接过流检测电阻，可构成过流保护电路，当3脚电压等于或高于1 V时，电流控制检测比较器输出高电平，复位PWM锁存器，从而关闭输出脉冲；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，5脚为地；6脚为输出端，有拉、灌电流能力，能直接驱动双极型功率管或MOS管。7脚是其电源端，芯片工作的开启电压为16 V，欠压锁定电压为10 V；8脚是其内部基准电压（5 V）。
2 开关电源的结构及工作过程
医疗设备中使用的开关电源基本电路由输入电路、功率变换电路、输出电路和控制电路等组成，见图2。

图2：开关电源的原理框图

输入电路包括整流电路、EMI滤波电路及暂态保护电路。整流电路是把输入交流变为直流，通常开关电源中的整流电路是采用电容输入型。EMI滤波电路由电容和线圈组成，其作用是滤除电网中的高频杂波和同相干扰信号，以及避免电源中产生的电磁干扰泄露到外面。暂态保护电路具有雷击保护，开机冲击电流限制以及输入过电流保护功能。功率变换电路是开关电源的核心部分，主要由开关电路和变压器组成。开关晶体管要选用开关速度快，导通和工作时间短的。通常功率开关管的控制方式选择脉宽调制。输出电路是把高频变压器的次级方波电压整流成单向脉动电流，并将其平滑成设计要求的低波纹直流电压。同时，以直流电的输出电压为反馈信号，通过隔离的反馈电路，由前级的PWM控制电路进行电压的调节，达到稳压的目的。控制电路的主要作用是向驱动电路提供矩形脉冲序列，控制脉冲宽度和频率，从而达到改变输出电压的目的。
3 反激式开关电源设计
文章用UC3842为核心器件设计了一个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。开关稳压电源电路图见图3。

图3：开关稳压电源电路图

115V的交流输入电压经整流滤波后为电路提供直流工作电压。起动电路由电容C2和电阻R2构成，C2经电阻R2充电，当达到16 V时，UC3842有输出；使MOS开关Q1导通，能量存贮在变压器T1中，此时，由于二次侧各路整流二极管反向偏置，故能量不能传到T1的二次侧，T1 侧的一次侧电流通过电阻R10检测并与UC3842内部提供的1 V基准电压进行比较，当达到这一电平时Q1关断。所有变压器的绕组极性反向，输出整流二极管正向偏置，存贮在T1中的能量传输到输出电容器中。启动结束后，反馈线圈的电压整流后经取样电阻分压回送到误差放大器的反向端（2脚）和UC3842内部的2.5 V基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度。从而改变输出电压以实现对输出的控制。这样能量周而复始地存贮释放，给各路输出端提供电压。
稳压反馈环境由R12，光耦合器，TL431等组成。其稳压原理：若输出电压因负载变轻而升高时，流过光耦合器的发光二极管电流增大，其发光强度增加，反馈至光耦合三极管使CE间电阻变小，使加至1脚的电压降低，从而使6脚的PWM信号宽度变窄，从而达到稳压的目的。
4 参数设计
在开关电源的设计实现中，高频变压器的设计与计算是至关重要的，其工作量也是比较大的，它的设计方法与其他类型的变压器不同。下面以电源设计功率为70W，效率为η=80%，工作频率为30kHz为例，说明电路的设计方法。
4.1 变压器铁芯设计
采用面积相乘法设计变压器，由面积相乘法公式

，
其中Ag为有效铁芯面积，Aw为窗口面积，Up为原边电压，当原边电压波动时，取最低输入电压。Ip为原边输入电流，Us为副边输出电压，Is为副边输出电流，Kw为窗口利用系数，一般为0.40，fs为开关频率（Hz），△B为磁通密度变化率（T），j为电流密度，一般取400A/cm2。
铁氧体磁芯磁感应强度取65%的饱和值：

变压器效率η为80%：则原边输入功率为

。则

Up =220×1.4×0.8=248V
4.2 原副边绕组匝数计算

原边绕组每匝伏数
取整流二极管压降为0.7 V。副边绕组压降为0.6 得：5 V副边绕组匝数匝
，取7匝。
新的反激每匝伏数
±15 V副边绕组匝数匝
，取22匝。
24 V副边绕组匝数
匝，取整为33匝。

5 结束语
该电源经使用证明，电源设计合理，工作可靠，性价比高，具有很强的实际应用价值和广阔的前景。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，价格低廉等优点。设计结构简单，性能稳定，实现了对医疗设备供电的功能，对医疗设备的整体性能提高大有益处。