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开关电源及其在医学仪器中的应用
时间:2015-03-26 浏览次数:684次 无忧论文网
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(Application of SMPS And in Medical Instrument 1 开关电源的发展过程 开关电源是利用现代电力电子技术,采用功率半导体器件作为开关,通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率(占空比),调整输出电压,维持输出稳定的一种电源。早在20世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机电源换代,进入90年代开关电源已广泛应用在各种电子、电器设备,程控交换机、通讯、电力检测设备电源和控制设备电源之中。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比,两者的成本都随着输出功率的增加而增长,但两者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使的开关电源技术也不断的创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,从而为开关电源提供了广阔的发展空间。 开关电源高频化使其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源更进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 2 开关电源技术的发展趋势 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(Mn-Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源的工作效率。对联高可靠性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势,可以用模块化电源组成分布式电源系统,可以设计成N+1冗余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化,其噪声也必将随着增大,而用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,使得多项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新,开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度就必须走技术创新之路,走出有中国特色的产学研联合发展之路,为我国国民经济的高速发展做出贡献。 3 开关电源的分类 随着电力电子器件和开关变频技术几乎同步开发的前提下,两者相互促进与推动,开关电源每年以超过两位数字的增长率,向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源科分为AC/DC和DC/DC两大类。DC/DC变换器现已实现模块化、成熟化和标准化。但AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 3.1 DC/DC变换 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波器的工作方式有:脉宽调制方式(Ts不变,改变ton)和频率调制方式(ton不变,改变Ts)两种。前者较为通用,后者容易产生干扰。其具体电路有Buck电路(降压斩波器,其输出平均小于输入电压,极性相同)、Boost电路(升压斩波器,其输出平均电压大于输入电压,极性相同)、Buck—Boost电路(降压或升压斩波器,电感传输方式。其输出平均电压大于或小于输出电压,极性相反)和Cuk电路(降压或升压斩波器,电容传输方式。其输出平均电压大于或小于输入电压,极性相反)四种。 当今世界软开关技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR公司设计制造得多种ECI软开关DC/DC变换器,最大输出功率有300W、600W、800W等,相应得功率密度为(6.2、10、17)W/cm3,效率为(80—90)%。日本NemicLambda公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列,其开关频率为200—300KHz,功率密度已达27W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。 3.2 AC/DC变换器 AC/DC变换器是将交流电压变换成直流电压,其功率流向可以是双向的功率六由电源流向负载的称为“整流”,功率六有负载返向电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准,(如UL、CCE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作效率达到一定的满意程度。 AC/DC变换按电路的接线方式右分为,半波电路、全波电路。按电源相数可分为,单相。按电路工袋子和象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。 4.开关式稳压电源的工作原理 4.1开关式稳压电源的基本工作原理 开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种。调宽式开关稳压电源在实际开发和应用的中使用得较多,因此,就以调宽式开关稳压电源为例说明其基本工作原理:调宽式开关稳压电源的基本原理可参见图1。对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压U当Um与T不变时,直流平均电压Uo与脉冲宽度T1成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,即可达到稳定电压的目的。 Um为矩形脉冲最大电压值;T为矩形脉冲周期;T1为矩形脉冲宽度。 4.2 开关式稳压电源的原理电路 开关式稳压电源的基本电路框图如图2所示。交流电压经整流、滤波电路整流滤波后,输出一个含有一定脉动成份的直流电压,再经高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再经整流滤波变为所需要的直流电压。 控制电路由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路组成(目前已集成化)。主要起控制高频开关元件的开关时间比,即脉冲宽度的占空比,以达到稳定输出电压的目的。开关电源的典型电路主要有单端反激式开关电源、单端正激式开关电源、自激式开关稳压电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源、反转式开关电源。 5 开关电源在医学仪器中的应用 近二十年来,开关电源已广泛应用在心电图机、超声诊断仪和CT等医疗仪器设备之中。本文以美国GE公司专门为CT机设计的CT MAX640型脉宽调制开关稳压电源为例加以介绍。该电源由软启动控制电路、220/110V自动识别电路、晶体管开关电路(辅助电源)、脉宽调制(PWM)、驱动电路等部分组成。 5.1软启动控制电路 由TR104、TRC101、THF101、R113、R114、R116等组成。开机瞬间TRC101截止,电流流过THF101、限流电阻R113、R114,辅助开关电源开始接入直流300V时,光电耦合器PC101导通。同时,振荡波形经T101耦合,D106整流、C128滤波,输出一直流电压,TR104饱和导通。当R116上的直流压降达到可控硅TEC101触发电压时而导通,此时THF101、R113、R114失去作用,从而实现了启动时减少整流桥和滤波电容冲击电流的作用,即软启动 5.2 自动识别电路 由IC101、TRC102、TR101、SS102、R101、R112等组成。当输入220V交流电时,TRC102截止,220V经硅桥SS101整流,滤波后输出A、B两组电压,TR103集电极输出300V直流电压;当输入110V交流电压时,IC1013脚的输出电压使可控硅TRC102导通,K点与硅桥的110V输入端相连接,再经倍压整流电路(SS101、C109-112、R120、R121)输出300V直流电压。为辅助开关电源及脉宽调制驱动电路供电。 5.3 晶体管开关电路又称辅助电源 由TR103、T101、TR102等组成。由T1015、6脚耦合过来的交变信号,经D108整流、C127滤波后输出C、X正压,为脉宽调制电路、风扇检测电路、+5V误差放大负反馈控制电路供电。 5.4 脉宽调制(PWM)及驱动放大电路 由IC201、T103、TR206、T201、PC202、TR203、TR204、TR211等组成。IC201的14脚是+5V基准电压,IC601的输出控制光电耦合管PC202,然后再控制IC201的2脚,通过改变脉冲宽度的占空比,从而获得稳定的+5V电压。R211、C205分别接在5、6脚,再与IC201内部振荡电路产生频率为200KHz、最大电流1.2A的三角波,经互补驱动电路(TR204-207)放大,驱动晶体管放大器(TR208-211),最后经变压器T201输出。D205、D206、C212和T201的P、Q端组成缓冲电路,起降低驱动管功耗的作用。+5V电压再经大型整流滤波电路(SS501-508、L501、L502、C501-525)整流、滤波后输出。风扇检测电路由D701、C701、TR702-704、PC701等组成。当风扇出现故障时,PC701的光传感器截止,PC202上的光传感器也截止,IC201的2脚无控制电压,此时整机无+5V电压输出。IC601、IC602、PC701、PC201、T101、D601、C601等组成+5V误差放大负反馈控制电路。)
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