基于电池供电的双路隔离反激开关电源设计

<[p] >摘要 针对便携式医疗康复设备领域中电池供电、高隔离度和高电压输出的要求，设计了一款新型低输入电压供电、双路高压输出隔离的开关电源。该设计采用锂电池供电，采用基于占空比<50%的电流型脉宽调制控制芯片UC3845的反激拓扑结构和光耦反馈网络电路，实现双路隔离正负高压电源输出。电源输入电压为10～14 V，输出电压为双通道+35/-35 V隔离，功率为14 W，效率是75%，电源模块面积为65 mm×40 mm。仿真与实际测试结果表明，该电源可实现正负高压电源隔离输出。<[p] >关键词 反激;开关电源;电流型脉宽调制;反馈电路<[p] >随着社会发展，人口老龄化问题及各种中老年疾病问题也愈发严重，脑卒中目前已经成为人类死亡率和致残率最高的中老年疾病之一，中风患者由于脑部运动中枢受损而导致肢体运动功能丧失。目前，医院主要使用高压电刺激脉冲输出的康复医疗设备对患者进行运动康复治疗。为方便患者出院后在家进行康复训练，需要一种电池供电、隔离度高和电压输出高的便携式医疗设备，便于患者随身携带。因此，研究并设计一款低输入电压供电、双路高压输出隔离、体积小的电源对于设计便携式康复医疗设备具有重要意义。<[p] >近年来随着功率器件不断更新和脉宽调制技术([p] ulse Width Modulation，[p] WM)的日趋完善，开关电源技术也得到了快速发展。开关电源是一种功率变换的装置，具有小体积、高效率、宽输入电压、隔离输出、低成本等优点，被誉为高效节能电源。而反激开关电源是其中成本最低的电源，其输出功率为10～100 W，可输出不同的电压，电压调整率较好。<[p] >本文介绍一种基于电流型[p] WM芯片UC3845的反激开关电源设计，设计输入电压为10～14 V DC，输出电压为双通道+35/-35 V DC隔离，功率为14 W，效率是75%，该电路采用可调式精密并联稳压器TL431配合光耦构成的反馈回路，相比于传统的离线式结构的开关电源，具有高隔离度，电路抗干扰能力强、纹波电压小，对于负载变化大和输出电压变化大的情况可较快响应，并具有较高的稳定性。<[p] >1 工作原理与设计指标<[p] >图1所示是本开关电源整体框图。主要包括MOS管、反激变压器及输出电路、光耦隔离反馈电路和UC3845芯片及外围电路组成。其中，输出电压通过光耦隔离反馈电路，进入UC3845芯片内置误差放大器(EA)，控制[p] WM的占空比，从而控制MOS管导通时间，实现正负双向电源的隔离和稳压输出。其工作过程为：当MOS开关Q1导通时，所有整流二极管D1、D2都反向截止，输出电容C1、CS给负载供电。此处反激变压器T1相当于一个纯电感，并不是真正的变压器。流过N[p] 的电流线性上升，达到峰值I[p] ;当MOS开关Q1关断时，所有绕组电压反向。此时反激电压使输出二极管D1、D2进入导通状态，同时N[p] 储存的能量传送到次级，提供给负载电流，同时给输出电容C1、CS充电。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >2 电路设计<[p] >利用电源设计指标，设计本电源的电路原理如图2所示。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >2.1 UC3845外围电路及MOS电路设计<[p] >该部分电路UC3845供电可直接使用12 V输入锂电池供电，开关工作频率fsw由连接芯片RT/CT引脚的电阻电容控制，并有<[p] >&nbs[p] ;<[p] >其中，fsw的单位为kHz，RT的单位为kΩ，CT的单位为μF。设计中RT为2.37 kΩ，CT为1.2 nF，所以根据式(1)可求得fsw为302 kHz。MOS管M1型号为IRFZ44ES[p] bF，电流模采样电阻Rs为0.33 Ω，其采样的电流经过RC滤波器(R2=1 kΩ，C2=470 [p] F)滤除高频杂波后输入给UC3845的ISENSE引脚。<[p] >2.2 反激变压器参数设计推导<[p] >2.2.1 确定变压器初/次级匝数比N[p] /Ns<[p] >本设计变压器磁芯选用型号为EE19-Z。确定开关管可承受的最大关断电压Vms，同时选定管子时尽量使Vms小，保证当有30%的输入直流电压最大值Vdc尖峰叠加在Vms时，开关管的最大耐压值(Vceo，Vcer，Vcev)仍可保留30%的裕量。功率MOS开关管选定型号为 IRFZ44ES[p] bF，其最大耐压为60 V，导通最大电流为48 A，导通电阻为23 mΩ。所以选定Vms=24 V，利用下式计算变压器初次级匝数比N[p] /Ns。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >其中，Vo为输出电压。本设计中，Vdc=14 V，Vo=35 V，所以可计算次级匝数比N[p] /Ns为10：36，近似为9/40。<[p] >2.2.2 确定最大导通时间Ton(max)<[p] >保证磁芯不饱和且电路始终工作在DCM模式。最大导通时间Ton(max)计算公式为<[p] >&nbs[p] ;<[p] >本设计开关频率fsw=300 kHz，周期T为3.335μs，根据式(5)可得到Ton(max)=2.852μs，所以得到最大占空比Dmax=Ton(max)/T=0.427 9。<[p] >2.2.3 确定初级线圈绕组参数<[p] >利用下列公式计算初级绕组电感L[p] <[p] >&nbs[p] ;<[p] >根据式(6)可求得L[p] 为5.2μH，同时利用根据式(5)可求得I[p] (max)为6.4 A，初级线圈绕组流经电流有效值可根据式(7)计算。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >得到I[p] (max)为2.4 A，初级总圆密耳为500×2.4=1 200圆密耳。<[p] >2.2.4 确定次级线圈绕组参数<[p] >次级绕组线圈电感值的计算公式为<[p] >&nbs[p] ;<[p] >经过计算得到Is(rms)=0.49 A，次级圆密耳为500×0.49=247圆密耳。<[p] >2.3 反激变压器及输出电路设计<[p] >变压器参数根据上文推导计算，表2所示为依据设计指标计算好的变压器参数。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >2.4 光耦隔离反馈电路设计<[p] >如图2所示，光耦[p] C817反馈电路负责解决输入输出隔离问题，[p] C817三极管侧电路使用输入电源地GROUND，而其二极管侧电路全部使用输出电源地 COM，完成输入地与输出地的隔离，同时形成闭环反馈控制环。[p] C817发光二极管阴极接TL431的阴极，三端可调分流基准源TL431，相当于一个内部基准为2.5 V的电压误差放大器。[p] C817集电极接UC3845内置EA输出补偿引脚COM[p] ，内置EA的反相输入端VFB接地。图2中电阻R7和R9串联接入到+35 V输出电压通道中，TL431的ref引脚接到该两个电阻中间，并利用下式设定两个电阻的阻值，使电阻R9上电压等于TL431的内置基准电压2.5 V。本电路中这两个电阻选定分别是105 kΩ和8.06 kΩ。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >该隔离反馈电路工作原理是：当输出电压升高时(即高于35 V时)，会使光耦二极管的电流增大，进而使三极管侧电流增大，由于三极管集电极与UC3845的EA输出端相连，且EA配置成同相放大器，光耦集电极电流增大使其超出EA的电流输出能力，所以UC3845的EA输出引脚COM[p] 电压下降，使[p] WM占空比D减小，根据式(10)可知，输出电压会下降;反之，当输出电压降低时，反馈电路作用后会最终使输出电压升高。<[p] >3 仿真与实验结果分析<[p] >采用电源软件Saber进行功能仿真，进行25 ms的瞬态仿真，并将结果列于表3中。图3所示为本设计电源实物图。电路模块尺寸为65 mm×40 mm。图4和图5为实际测试输出波形图。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >根据实际测试与仿真测试，得到表3所示的仿真和实测结果对比。对于两通道的电压输出，实测与仿真误差分别为1.372 V和0.261 V;对于瞬态直流特性，如图4所示，本设计电源从上电到稳定所需时间实际测试约为1 s，表3中通道1上升时间(T1rise)和下降时间(T2fall)实测与仿真差别较大，主要是由于仿真使用的是理想条件，与实际电路测试有一定的差别;电源的交流特性对比中，实际测试纹波要大于仿真数据。另外，通过图5可得到，电源的开关工作周期约为3.3μs，即开关工作频率为302 kHz，与设计指标相同。<[p] >4 结束语<[p] >本文使用ST公司的电流模芯片UC3845设计一款12 V锂电池输入、双路+35 V/-35 V高电压隔离输出的开关电源，经过仿真和实物焊接测试表明，该电源可实现正负35 V输出，虽然实际电源电压纹波大于设计指标，但由于是高压输出故不影响系统的使用性能。电源模块面积为65 mm×40 mm，可用于医疗设备等需要高隔离度、需要电池供电和高电压的仪器设计中。