TOPSwitch-GX開關(guān)電源在牙科X光機中的應用

摘  要：TOPSwitch 器件是美國H(PowerIntegrations)公司推出的一種PWM／MOSFET二合一的新型單片集成開關(guān)電源，其第4代產(chǎn)品GX系列更是集前3 代優(yōu)點于一身的高集成度、最佳性能、最簡外圍電路的高性價比產(chǎn)品。介紹TOPSwitch—GX的工作原理。并在分析醫(yī)用牙科x光機高壓電源 對輔助電源性能要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合PI—Expert軟件，給出該輔助電源的詳細設(shè)計過程。
關(guān)鍵詞：TOPSwitch—GX；輔助電源；醫(yī)用牙科X光機；PI—Expert軟件

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(guān)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(shè)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(shè)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(guān)電路成為最佳選擇。

2  內(nèi)部結(jié)構(gòu)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?出。該參考基準也產(chǎn)生一個溫度補償?shù)碾娏髟?，它被微調(diào)在精確設(shè)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(guān)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(jié)溫大 于135℃時，過熱保護電路將關(guān)斷輸出級；當芯片結(jié)溫低于70℃時．電路恢復正常工作，即具有滯后特性；9)關(guān)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(guān)S給內(nèi)部電路提供偏置，電源正常工作時．電子開關(guān)S改接內(nèi)部電源．將高壓電流源關(guān)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(shè)定過壓、欠壓的保護電壓．并且可以在電源關(guān)斷時防止自動重啟動脈沖的干擾；13)輕載時自動降低開關(guān) 頻率，開關(guān)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(guān)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(shè)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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)想：
    4)體積要小，這樣有利于減小設(shè)備體積．提高用戶操作的靈活性。

3．2 計算機輔助設(shè)計
    由于電源設(shè)計涉及的知識面較廣，不僅要掌握TOPSwtieh系列單片開關(guān)電源的工作原理．還必須了解有關(guān)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(shè)計方法全部靠人工來完成，步驟繁瑣、工作量大、效率低。本設(shè)計采用PI公司提供的輔助設(shè)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(shè)計。圖3示出應用PI—Expert輔助設(shè)計時軟件輸出的電 路形式。該軟件根據(jù)用戶給定的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、優(yōu)化方式、器件系列等相關(guān)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(jié)構(gòu)參數(shù) 和次級參數(shù)等信息。本設(shè)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(shè)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(shè)計中的難點和關(guān)鍵。

3．3．1 變壓器的設(shè)計原則
    當電路主拓撲結(jié)構(gòu)、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(shù)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(shè)計結(jié)合起來考慮。

3．3．2 相關(guān)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(jié)果相差不大。本設(shè)計采用了PI—Expert軟件，計算相當簡單，僅需輸入相關(guān)設(shè)計參數(shù)，軟件就會輸出所需的 變壓器設(shè)計參數(shù)：初級線圈電感量LP=171μH：初級匝數(shù)：NP=27.3(實際設(shè)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(guān)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(shè)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(shè)計和制作過程中，必須對磁芯 與線圈的結(jié)構(gòu)、繞制方法、散熱、效率等周密考慮。

4  結(jié)束語
    TOPSwitch—GX系列單片開關(guān)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(shè)計，可以在短時間內(nèi)設(shè)計出高性能、低價格、重量輕的開關(guān)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(guān)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(guān)電源領(lǐng)域得到廣泛的應用。