基于UC3842芯片的醫(yī)用開關(guān)電源設(shè)計方案

一、引言

在現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備中，開關(guān)電源作為供電系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響整個醫(yī)療設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。因此，設(shè)計一款高性能、穩(wěn)定可靠的醫(yī)用開關(guān)電源顯得尤為重要。本文將詳細介紹一種基于UC3842芯片的醫(yī)用開關(guān)電源設(shè)計方案，從主控芯片的選型、作用到具體的設(shè)計步驟，進行全面的闡述。

二、主控芯片UC3842介紹

2.1 芯片型號及特點

UC3842是美國UNIRODE公司生產(chǎn)的一種高性能電流控制型脈寬調(diào)制芯片，該芯片具有引腳少（8腳）、外接元件少、接線簡單、可靠性高、成本低等優(yōu)點。UC3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，能直接驅(qū)動雙極型功率管或場效應(yīng)管，適用于無工頻變壓器的20~80W小功率開關(guān)電源的設(shè)計。

UC3842的主要特點包括：

• 引腳少，外圍電路簡單：UC3842僅有8個引腳，外接元件少，簡化了電路設(shè)計。

• 高性能電流模式PWM控制器：具有精密的電壓基準(zhǔn)源（±1%），大電流（1A）PWM輸出級，可直接驅(qū)動功率MOS管。

• 工作頻率高：工作頻率可達500kHz，提高了電源的動態(tài)響應(yīng)速度。

• 保護功能完善：具有過流保護、欠壓鎖定等功能，提高了電源的可靠性。

UC3842的引腳功能如下：

• 1腳：誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性。

• 2腳：反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V基準(zhǔn)電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度。

• 3腳：電流檢測輸入端，當(dāng)檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)。

• 4腳：定時端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定。

• 5腳：公共地端。

• 6腳：推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns，驅(qū)動能力為±1A。

• 7腳：直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW。

• 8腳：5V基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA的負(fù)載能力。

2.2 代換型號

UC3842的代換型號主要有德州儀器（Texas Instruments）生產(chǎn)的UC3842NG4、UC3842ANG4和UC3842J等。這些代換型號在功能上與原型號兼容，可以替換使用。

三、醫(yī)用開關(guān)電源設(shè)計方案

3.1 設(shè)計目標(biāo)

本設(shè)計旨在實現(xiàn)一款適用于醫(yī)療設(shè)備的開關(guān)電源，具體要求如下：

• 輸入電壓范圍：90~264Vac。

• 輸出電壓：12V直流。

• 輸出功率：20~80W。

• 具有瞬態(tài)響應(yīng)快、電磁兼容好、輸出電壓精度高等優(yōu)點。

3.2 設(shè)計原理

本設(shè)計采用單端反激式結(jié)構(gòu)，利用UC3842作為主控芯片，實現(xiàn)寬電壓輸入、穩(wěn)定的直流輸出。單端反激式變換器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單端反激式變換器典型結(jié)構(gòu)

單端是指變壓器的磁心僅工作在磁滯回線的一側(cè)；反激是指當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，在初級線圈中儲存能量，而次級線圈不通；當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時，初級線圈中的能量通過次級線圈釋放給負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)具有成本低、輸入輸出部分完全隔離、電壓調(diào)整率好等優(yōu)點。

3.3 具體設(shè)計步驟

3.3.1 輸入電路設(shè)計

輸入電路包括整流電路、EMI濾波電路及暫態(tài)保護電路。整流電路將輸入交流電變?yōu)橹绷麟?，通常采用電容輸入型整流電路。EMI濾波電路用于濾除輸入電源中的電磁干擾，保護后續(xù)電路不受干擾。暫態(tài)保護電路用于防止輸入電壓突變對電路造成損壞。

3.3.2 功率變換電路設(shè)計

功率變換電路是開關(guān)電源的核心部分，負(fù)責(zé)將輸入直流電轉(zhuǎn)換為所需輸出電壓的直流電。本設(shè)計采用單端反激式結(jié)構(gòu)，利用UC3842控制開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)電壓的變換。

3.3.3 輸出電路設(shè)計

輸出電路包括輸出整流濾波電路和輸出保護電路。輸出整流濾波電路用于將變換后的交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，并濾除高頻噪聲。輸出保護電路用于防止輸出電流過大或短路對電路造成損壞。

3.3.4 控制電路設(shè)計

控制電路是開關(guān)電源的大腦，負(fù)責(zé)監(jiān)測輸入電壓、輸出電壓和電流等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)調(diào)整開關(guān)管的通斷，以實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓。本設(shè)計利用UC3842的PWM功能，通過反饋電路實現(xiàn)電壓和電流的閉環(huán)控制。

反饋電路采用精密穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC817。利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(diào)整。輸出電壓經(jīng)分壓后得到的取樣電壓與TL431中的2.5V基準(zhǔn)電壓進行比較，通過光耦控制UC3842的反饋端電壓，從而調(diào)整輸出脈沖信號的占空比，實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓。

3.3.5 變壓器設(shè)計

變壓器是開關(guān)電源中的關(guān)鍵元件，負(fù)責(zé)實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離和電壓變換。本設(shè)計采用面積相乘法設(shè)計變壓器，根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、功率等參數(shù)計算變壓器的鐵芯面積、窗口面積和繞組匝數(shù)等參數(shù)。

變壓器鐵芯設(shè)計采用鐵氧體磁芯，磁感應(yīng)強度取65%的飽和值，變壓器效率取80%。根據(jù)面積相乘法公式，計算得到有效鐵芯面積Ag和窗口面積Aw。然后，根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和電流密度等參數(shù)，計算原邊和副邊繞組的匝數(shù)。

3.3.6 保護電路設(shè)計

保護電路包括過流保護、過壓保護、欠壓保護和短路保護等。過流保護通過檢測電流檢測電阻上的電壓實現(xiàn)，當(dāng)電流過大時，關(guān)斷PWM脈沖，保護電路不受損壞。過壓保護和欠壓保護通過監(jiān)測輸入電壓實現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓過高或過低時，停止開關(guān)管的工作，保護電路不受損壞。短路保護通過監(jiān)測輸出電壓實現(xiàn)，當(dāng)輸出電壓下降時，關(guān)閉開關(guān)管，防止短路電流對電路造成損壞。

四、實驗與測試

在實驗階段，通過搭建實際電路，對開關(guān)電源的各項性能指標(biāo)進行測試。測試內(nèi)容包括輸入電壓范圍、輸出電壓穩(wěn)定性、輸出電流范圍、效率、電磁兼容性等。測試結(jié)果表明，該開關(guān)電源設(shè)計合理，工作可靠，輸出電壓穩(wěn)定，紋波小，具有較高的性價比和實際應(yīng)用價值。

五、結(jié)論

本文基于UC3842高性能電流模式PWM發(fā)生器控制的開關(guān)電源，提出了一種適用于醫(yī)療設(shè)備的開關(guān)電源設(shè)計方案。該方案采用單端反激式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了寬電壓輸入、穩(wěn)定的直流輸出，具有輸入紋波小、輸出穩(wěn)定、體積小、質(zhì)量輕、效率高、電磁兼容好等優(yōu)點。通過實際測試和驗證，該開關(guān)電源設(shè)計合理，工作可靠，具有較高的性價比和廣闊的應(yīng)用前景。