（检测技术与自动化装置专业论文）等离子灭菌设备用电源的设计与仿真研究.pdf

摘要 摘要 等离子体低温灭菌技术是新一代的灭菌技术。与通常的低温化学灭菌法相 比较，它具有无药物残留、安全性高、灭菌时间短、无环境污染等显著特点， 因此有望成为未来主流灭菌技术。 由于等离子技术的高门槛性，等离子灭菌设备的构造极其复杂，价格也相 对昂贵，国内数十家大中型医院目前所使用的等离子灭菌设备都是强生等国外 公司的产品。迅速实现等离子技术和设备的国产化成为当务之急。本文作者参 与了同济大学电气工程系和杭州易路医疗器械有限公司合作研制的等离子灭菌 样机的研发。分析了等离子低温灭菌设各的整个结构和功能设计，对其关键部 分等离子电源进行理论研究和设计，并利用m a t l a b s i 删l i n k 软件作了重要 电路的仿真研究。 本文根据灭菌系统的要求分析了等离子灭菌的特点，选定了灭菌效果最佳 的气体放电形式。以开关电源技术为基础，提出了以下设计方案该电源由 两个独立封装的部分组成：1 5 0 v 直流电源和全桥变换器。1 5 0 v 直流稳压电源为 前后两级开关变换结构：前级使用有源功率因数校正电路对输入的2 2 0 v 交流电 压进行预稳压，将其升压为输出4 0 0 v 的直流电压；后级变换电路对4 0 0 v 的直 流电压采用半桥式脉宽调制( p 删) 技术，通过直流直流变换电路得到1 5 0 v 的 直流输出电压。全桥变换器采用全桥式脉宽调制技术，将直流信号转变为高频 方波信号。此信号加在灭菌容器的电极上产生高频磁场，使低压气体等离子化。 整个电路提供了完整的过压、过流保护。对部分重要电路进行了仿真研究，验 证了设计的可行性，最后和实测结果进行了对比分析。 关键词：等离子灭菌，开关电源，p f c ，脉宽调制p w m a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t e r i l i z a t i o nt e c h n i q u eu s i n gl o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ai st h el a t e s ta n dm o s t a d v a n c e do n e c o m p a r e dt oo t h e rc h e m i c a ls t e r i l i z a t i o n s ，i t sa d v a n t a g e sa r e ；n o m e d i c a m e n tl e f t o v e r ，h i g hs e c u r i t y , h i g hq u a l i t yo fs t e r i l i z a t i o n ，a n dn op o l l u t i o n t h u s ，i t sv e r yl i k e l yt ob et h el e a d i n gm e t h o di ns t e r i l i z a t i o n b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e dt e c h n i q u ea n de x p e n s i v ec o s t ，t h er e s e a r c ho fp l a s m a s t e r i l i z a t i o ni sl i m i t e di nc h i n a a tp r e s e n t ，t h ep l a s m as t e r i l i z a t i o ne q u i p m e n t su s e d i ns o m e b i gh o s p i t a l sa r et h ep r o d u c t so fc o m p a n i e sa b r o a ds u c ha sj o h n s o n ，w h i c h m a k e st h el o c a l i z a t i o nu r g e n t b a s e do nt h es a m p l ed e v i c eo f p l a s m as t e r i l i z a t i o n d e v e l o p e dd e p e n d e n t l yb yt h ec o o p e r a t i o no fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n , t o n g j iu n i v e r s i t ya n dy i l um e d i c a lt r e a t m e n tl t d ，h a n g z h o u ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ew h o l es t r u c t u r ea n df u n c t i o n a ld e s i g no ft h ee q u i p m e n t , a n d p u t sf o r w a r dt h e a c a d e m i cd e s i g no f p l a s m ap o w e rs u p p l y , w h i c hi so n eo ft h em o s tv i t a lp a r to ft h e s t e r i l i z a t i o ns y s t e m f i n a l l y , m a t l a b s i m u l i n ki su t i l i z e dt os i m u l a t es o m e i m p o r t a n tc i r c u i t so f t h ep o w e rs u p p l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f p l a s m as t e r i l i z a t i o n , t h em o s ts u i t a b l ed i s c h a r g e f o r mi sc h o s e n b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ( s p s ) ，t h ed e s i g n p r o j e c ti sb r o u g h tf o r w a r d t h ep l a s m ap o w e rs u p p l yi sm a d eu po f t w op a r t si n r e s p e c t i v ee n c a p s u l a t i o n ：al5 0 v d c p o w e rs u p p l ya n d a h - b r i d g ec o n v e r t o r a t w o s e c t i o nc o n v e r s i o ns t r u c t u r e ，t h ef r o n ta n dt h eb a c k ，i sa d o p t e di nt h ed e s i g n i n g s c h e m eo ft h e15 0 vd c p o w e rs u p p l y i nt h ef r o n ts e c t i o n , t h ep r e - r e g u l a t o r , a c t i v e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i tb a s e do nt h ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g y o fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi su s e dt oo b t a i nt h e4 0 0 vd c o u t p u tf r o mt b e2 2 0 va c i n p u t ；w h i l ei nt h eb a c k ，am a i nc o n v e r s i o ni sm a d et og a i nt h eo u t p u tv o l t a g eo f15 0 v d cf r o mt h ei n p u tv o l t a g eo f4 0 0 vd c i nt h ed e s i g no fh b r i d g ec o n v e r t o r , 15 0 v d ci st u r n e dt ob eh i g h - f r e q u e n c ys q u a r ew a v e ，w h i c hc o n n e c t st h ee l e c t r o d e so f s t e r i l i z a t i o nr o o m ，s ot h ep l a s m aw i l lw o r ks u c c e s s f u l l y t h e r ea r er e l a t i v e l yp e r f e c t o v a - v o l t a g ea n do v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n si nt h eo u t p u t a tl a s t , s o m ei m p o r t a n t a b s t r a c t c i r c u i t sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e dt ob ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n d r e s u l t s ，w h i c hp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ew h o l ed e s i g n k e yw o r d s ：p l a s m as t e r i l i z a t i o n ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，p f c ，p w m i i i 同济大学学位论文原创- l | 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 毪扩誊九f - e l枷扩年弓月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位做作者繇多叶 加8 年弓月r 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月日年 月 日 第1 章引言 1 1 什么是等离子体 第1 章引言 等离子体是一种游离于固态、液态和气态以外的新的物态体系，通常被称 为第四态。它是由带电的正粒子、负粒子( 其中包括正离子、负离子、电子、自 由基和各种活性基团等) 组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离 子体。 等离子体是在宏观上呈电中性的一种高度的电离气体云，它是由某些气体 或气态物质在强电磁场作用下，形成气体电晕放电，气体被电离而产生。温度 很低而且有辉光的等离子体含有带电粒子( 电子、离子) 和不带电粒子( 分子、 激发态原子、亚稳态原子、自由基) 以及紫外线、y 射线和8 射线等，这些都 对微生物具有很强的杀灭作用。 1 2 等离子灭菌技术简介 消毒灭菌是医院最重要的基础工作之一。随着医疗工作的需要和医疗器械 产品的发展，医学界对消毒灭菌工作提出了更高的要求和期望，因此，企业界 也在努力研究开发适于当今需要的新型灭菌设备。新型灭菌设备必需具备高效、 低温、低湿、无毒等特点，各国科技人员正致力于更完善的医用灭菌设备研究。 1 2 1 现有灭菌技术比较 由于相当多的医疗器械是非金属材料，并不耐高温，因此高温灭菌法受到 了很大程度的限制。而低温灭菌中的放射线法、过滤法和化学法存在着种种弊 端，诸如对环境有影响( 核辐射污染、化学污染) 、有药物残留、灭菌时间长等。 从医用灭菌设备的安全性、可靠性、有效性、成本效益、可维护性及便于使用 性各方面考虑，目前最先进的是等离子体低温灭菌技术西1 。 第1 章引言 表1 1 现有医用灭菌技术的比较分析 灭菌技术等离子体高温蒸汽e t o c f c消毒液紫外线 灭菌灭菌灭菌浸泡臭氧消毒 设备名称等离子蒸汽灭菌柜环氧乙烷消毒清洗机紫外臭氧 灭菌器灭菌柜消毒柜 配套设备2 2 0 v 电源蒸汽锅炉排风、防爆 2 2 0 v 电源 2 2 0 v 电源 设施 适用物品非液体类畏热物品非液体类不锈钢、塑料物品表面 无法用 消毒 耗能少高较少 少少 时问效率较短较 u i 。 ld 图3 2b o o s t 电路拓扑和电感电流 1 9 l 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 在k 导通的期间，电感l 中储存能量，二极管d 反偏，负载由滤波电容c 供电；当开关k 截止时，电感l 的电流不能突变，产生的感应电压阻止电流减 小，方向为左负右正，d 导通，电感l 中储存的能量经二极管d 流入电容，并供 给负载。设开关管导通时间为t o n ，关断时间为t 洲，控制周期为t 。 当开关导通时，电感上的电压为输入电压，且电流按下式线性上升 叫出= u i l ( 3 7 ) 在导通期间，l 中的电流增量为： ( + ) = ( u i l ) t o ( 3 8 ) 开关截止时，假定l 右端的电感反冲电压等于输出电压u o ，则l 上电压为 ( u 0 - - u i ) ，l 中的电流下降速率为： 酬f = ( u o u i ) l ( 3 9 ) 在截止期间，l 中的电流减量为： a t ( 一) = ( u o 一聊) z 矿三 ( 3 1 0 ) 稳态时，i ( + ) = i ( 一) ，故有： ( u i l ) t o = ( u o 一矾) 肛 ( 3 1 1 ) u o ：狮堡堡：研三：矾l( 3 1 2 ) 1 一d 其中，d = t o r ( 开关控制脉冲的占空比) 。 从上面可以看出，u o 总大于u i ，否则将导致l 饱和。 确定电感的两个重要参数是电感量l 和电感峰值电流i 鼬，电感电流包括直 流平均值及纹波分量。忽略电路内部损耗，则u ，i 。= u 。i 。，其中i 。是从输入u 。取 出的平均电流，也是流入电感的平均电流i 。由式3 1 2 可得： 肌l 琶= l 毒 慨 由于电流的纹波分量为三角波，选择i 值，使电感的峰值电流( i i + a i 2 ) 不大于最大平均电流的1 2 0 ，这样易防止电感饱和。在图3 2 ( b ) 中，电感电 流在纹波三角底部的值应大于或等于o ，以保证电感工作在连续电流模式畸1 。 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 选择i = ( u i l ) t o n = 1 4l i ，则电感l 的值为： l = 狮r d 1 4 矗 ( 3 1 4 ) 由虮1 l 可拙k 警r = 掣t u o ，而五= 等u ，因此u dl 三：u i t o ：u i 2 ( u o - u i ) ( 3 1 5 ) 1 4 i i 1 4 n 三1 0 由此可见，己知输出电压u o 、输出电流i o ，输入电压u i 和开关频率f 的条 件下，可求出电感值。在实际使用时，可选择i 删= 1 4 1 i ，这样有了l 和i 眦， 就可选择适当的磁芯，计算电感绕组的匝数，然后再适当地调整气隙，得到合 适的电感值n 。 b o o s t 拓扑作为p f c 的主回路时，输出电压也必须高于输入电压的最大值。 若输入电压范围为交流8 5 2 6 4 v 时，p f c 输出电压必须高于2 6 4x1 4 1 4 = 3 7 3 v 。 p f c 输出电压的典型值为直流3 8 0 4 0 0 v 侧。 3 基于b o o s t 的功率因数校正原理 图3 3 给出了一个b o o s t 有源功率因数校j 下电路的原理图。主电路由桥式 整流器和d c d cb 6 0 s t 变换器组成，交流输入经过全桥整流后输入b o o s t 变换 器，控制电路控制开关的状态，使输入电流呈正弦波形及输出电压恒定。在a c d c 中紧跟整流器的大输入电容被移到输出端，整流器后的电容只是一个小电容， 用于对噪声滤波。控制电路包括：电压误差放大器v a 及参考电压v r e f ，电流误 差放大器c a ，乘法器m ，脉宽调制器和驱动器等，负载可以是开关电源n 羽。 主电路的输出电压u o 和基准电压v r e f 比较后，输入给电压误差放大器v a ， 整流电压检测值u i n 和v a 的输出电压信号共同加到乘法器m 的输入端，乘法器 m 的输出作为电流反馈控制的基准信号，与开关检测值比较后，经过电流误差放 大器c a 加到p w m 及驱动器，以控制开关的通断，从而使输入电流( 即电感电流) 的波形与整流电压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端的功 率因数n 3 1 。 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 图3 3 有源功率因数校正电路原理 图3 4 给出了输入电压波形和经过校正的输入电流波形。由图可见，输入 电流被p w m 频率调制，使原来呈脉冲状的波形，调制成接近正弦( 含有高频纹波) 波形，对输入电流取每个开关周期的平均值，则可得到较光滑的近似修正的正 弦波。 p f c 变换器的输出中含有二次谐波的纹波电压，这与变换器的拓扑结构和控 制方式无关。图3 5 给出了输入电压、输入电流、输入功率和输出纹波。 粥z 沁。 ：怂? 吣。勺气妗 图3 4 输入电压与电流波形图3 5 输入电压、电流、功率及输出电压纹波 设输入电压为“( f ) = s i n c o t ，输入功率因数为1 ，则输入电流为 讹) = i ms i n 研，于是输入功率为：圪( f ) = “( f ) 讹) = u m l m ( 1 一c o s 2 a ) t ) ，输入 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 平均功率= i u 。, l 。，输出功率为： 耻)-c(+!掣+掣删规百dwom+鲁2#lt 代， 口f “， ( 3 1 7 ) 式中u 批为输出电压直流分量，u 。为输出电压纹波。所以输出平均功率为： e o = u r 令鼻= e o ，圪o ) = e o o ) 则有一 u m i m c o s c o t = c u o d c 警j ( ，) = 一2 u 国c o o r c ，s i n 2 研 ( 3 1 8 ) 口fz 国乙k ， 可见，输出纹波是与输出电容和负载大小有关的二次谐波，且谐波电压很 小。输出电压中谐波电压是固有的，如果电压环的带宽足够大，将调制输入电 流，使输出电压稳定，使输入电流严重失真。因此，电压环的带宽必须小于输 入的线频率，但考虑到输出电压的瞬态响应必须快，所以电压环带宽又要尽可 能大。这种特性将通过选择电压误差放大器的参数来反映陋】。 平方器和除法器的作用是保持电压环的增益稳定，所以带宽应尽可能接近 电压频率，以减小输出电压的瞬态响应，且使电压误差放大器的输出控制负载 的功率。这就限制了电路从输入得到的最大功率阳1 。 但校正电路不能使p f = i ，因为控制电路自身也会造成输入电流曲线谐波失 真和相移失真，其主要来源有： ( 1 ) 整流桥、乘法器电路、输出电压和前馈输入的纹波电压都将给输入电流 曲线引入谐波失真和相移失真。 功率因数校正电路中，输入整流桥、乘法器、除法器和平方电路会引入两 个调制过程，每个调制过程都会产生两个输入信号的交叉乘积项、谐波或两输 入之间的边带。由于两个调制过程的相互影响，使所有的输出纹波电压集中在 电网线频率的二次谐波处。这些二次谐波的纹波电压通过乘法器后控制输入电 流，对输入电流的影响有两部分，一个在三次谐波处，另一个为基波。 前馈电压来自交流电压的整流电压，有一个幅值为平均值的6 6 - 次谐波电 压。前馈电压分压器中的滤波电容大大削弱了二次谐波，几乎消除了全部的高 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 次谐波。此纹波电压经平方后，幅值加倍，并且无衰减的通过除法器，输入到 乘法器，最后引起i ；。的三次谐波失真和相移失真。 电压控制环的带宽由输出纹波电压所分配的输入失真大小决定，如果输出 电容较小且失真要求低，这样电压环的带宽也必须低，于是纹波电压被误差放 大器充分衰减。但瞬态响应是环的带宽的函数，带宽越低，瞬态响应越慢，过 冲越大，为满足快速输出瞬态响应和输入电流低失真，输出电容也要足够大。 设计环的补偿特性需要先确定误差放大器对输出纹波电压的衰减量，然后 再计算单位增益频响。环的相位裕度与带宽成反比，因此选择相位裕度为4 5 。， 可满足环的稳定性和快速瞬态响应。 ( 2 ) 尖端失真 尖端失真发生在交流电压过零时。此时，控制信号所需电流幅度超过电感 的电流转换速率。当输入电压接近零且开关闭合时，电感上将通过很小的电压， 因此电流不能很快上升，所以电流转换速度降低，输入电流将比理想值滞后一 段时间。一旦输入电流和控制信号所需电流匹配，控制环将重新作用，输入电 流将与控制信号同步。输入电流不能跟随控制信号的时间长短与电感值有关。 电感值越小，跟踪性越好、失真越小，但是小的电感值将带来高的纹波电流阻1 。 上面的各种失真分析为选择电路参数提供了理论依据。 3 1 3 有源功率因数校正电路设计 1 有源功率因数校正电路性能指标 最大输出功率： 输入电压频率： 输入电压范围： 输出电压： 5 0 0 w 5 0 h z a c 2 2 0 v 士2 0 d c 4 0 0 v 士1 2 u c 3 8 5 4 a 芯片功能介绍 u c 3 8 5 4 是一种工作于平均电流的的升压型( b o o s t ) a p f c 电路，它的峰值开 关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的a p f c 电路。 u c 3 8 5 4 a 总体结构如图3 6 所示，管脚说明( 双列直插) 如表3 1 所示。 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 图3 6u c 3 8 5 4 a 总体结构框图 主要包括以下几个功能模块：电压误差放大器，电流误差放大器，乘、除法 器，锯齿波发生器，输出驱动，以及峰值限制比较器，欠电压、过电压保护， 软起动和一些数字逻辑。为了简化模型，建模中省去欠电压、过电压锁存比较 器，软起动等辅助环节。其输出可直接推动功率m o s f e t 管，自带7 5 v 的参考 电压源、线电流预测器、器件使能装载比较器，低电压检测和过电流保护，芯 片使用平均电流模式控制。其p w m 斩波频率可达2 0 0 k h z ，相电压范围可达 7 5 2 7 5 v ，线电压的频率可从5 0 h z 到4 0 0 h z 。 表3 1u c 3 8 5 4 a 芯片管脚功能 引脚 引脚符号引脚功能 ( 1 ) g n d 接地端，器件内部电压均以此端电压为基准 峰值限定端，其阈值电压为零伏与芯片外检测电阻负端相连， ( 2 ) p k i m t 可与芯片内接基准电压的电阻相连，使峰值电流比较器反向端电 位补偿至零 电流误差放人器输出端，对输入总线电流进行检测，并向脉 ( 3 ) c a o u t 冲宽度调制器发出电流校正信号的宽带运放输出 电流检测信号接至电流放大器反向输入端，( 4 ) 引脚电压应高 ( 4 ) i s e n s e 于- 0 5 v ( 应采用二极管对地保护) ( 5 ) m u l t o u t 乘法放大器的输出和电流误差放大器的同相输入端 乘法器的前馈交流输入端，与b 端相连，( 6 ) 引脚的设定电压为6 v ， ( 6 )i a c 通过外接电阻与整流桥输出总线相连，并朋电阻与芯片内基准电 压端相连 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 续表3 1u c 3 8 5 4 a 芯片管脚功能 引脚引脚符号引脚功能 ( 7 )螈。毗 误差电压放大器的输出电压，这个信号又与乘法器a 端相连， 但若低于l v 乘法器便无输出 ( 8 )v g m s前馈总线有效值电压端，与跟输入线电压有效值成正比的电 阻相连时，可对线电压的变化进行补偿 ( 9 )昧e f基准电压输出端，可对外围电路提供1 0 m a 的驱动电流 ( 1 0 ) e n a 允许比较器输入端，不用时与+ 5 v 电压相连 ( 1 1 ) v 检测电压误差放大器反相输入端，在芯片外与反馈网络相连，或 通过分压网络与功率冈数校正器输出端相连 ( 1 2 ) 黜e t 与地接入不同电阻，用来凋：霄振荡器的输出和乘法器的最人 输出 ( 1 3 ) s s 软启动端，与误差放火器同相端相连 ( 1 4 ) c t 接对地电容器c t ，作为振荡器的定时电容 ( 1 5 ) v e t正电源阈值为1 0 v 1 6 v ( 1 6 ) g t o x vp w m 图腾输出端，外接m o s f e t 管的栅极，该电压被钳位 在1 5 v 3 u c 3 8 5 4 a 电路参数设计 采用u c 3 8 5 4 a 芯片的功率因数校正电路图如图3 7 所示。 ( 1 ) 开关频率的确定： 电感的a p ( 面积乘积法) 为：舻= ( _ 鬲u 泛l x i l o j 4 瓦击 其中a p = a 。也，& 为磁芯的窗口面积，氏为磁芯的截面积。 p = u i ( w ) 是电感作为储能元件时可传递的功率，由此可见，电感的体积与 f ( 开关频率) 成反比。 对于硬开关技术，功率管的损耗很大程度上决定于开关损耗，因此开关频 率不能过高。根据芯片的工作频率范围，作为体积和效率的折中，选定开关频 率为l o o k h z 嘲。 c t = 1 2 5 p f ，r t _ 1 0 kq ，肛着_ 1 0 0 舰 ( 2 ) 电感的确定： 根据式3 1 3 ，设整个校正器的效率r l = 9 0 , 则( 肚) = 万怒 2 6 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 可得当v i n ( m i n ) = 1 7 6 v a c ，p o = 5 0 0 w 时，胁( p k ) = 4 4 6 a 。= 半= 1 4 0 0 - 矿1 7 6 x 压- - 0 3 7 8 小筠，蚴- 0 2 i l i n e ( p k ) o 8 9 2 a 4 0 0 厂 。 则l = o 7 4 5 m h ，取0 7 5i i l h 。根据l 和i m 。( p k ) 可绕制电感。 ( 3 ) 开关管和输出二极管的选择： 开关管的额定电流应大于流过电感的峰值电流，额定电压应大于输出电压。 开关管选用2 s k 2 6 11 ，主要参数为：耐压9 0 0 v ，最大电流1 0 a ，最大功耗1 5 0 w 。 输出整流功率二极管选择原则： 正向导通压降v d f 小，以减小损耗，提高效率； 正向恢复电压v f r m 要小，从关断到导通的过渡过程，二极管的电流由0 上升到i ，电压阶跃上升到v f r m ，然后又衰减到稳态正向电压，此过程功耗 较大。 反向恢复电流峰值i r m 要小，与之相关的反向恢复时间t 。要小； 反向漏电流i r 要小，它决定二极管的关断损耗，功率二极管的反向额定电 压，又称反压峰值，由漏电流的大小决定n 副。 根据此原则，选择二极管f m l - 3 6 s ，主要参数为：最大电流3 0 a ，反向耐压 6 0 0 v ，t 。 3 5 n s 。 ( 4 ) 选择电流传感检测电阻： k ( m a x ) = i l i 。( p k ) + 叫2 = 4 9 。6 彳，g i - - 巧1 鬲o = 。2 q ( 5 ) 设置峰值电流限制： 甩、r 。是分压器中电阻，选择峰值电流过载值i 咄h ) = 6 ( a ) ，风= 1 0 kq ， 则r 4 = 6 xo 1 1 0 7 5 = 0 8 施，取为8 0 0q 。 ( 6 ) 谐波失真的分配 电源指标中输入电流的三次谐波定为3 ，则在设计和参数计算中这样分配： v ，输入占1 5 ，由输出的纹波电压的影响占0 7 5 ，剩下的0 7 5 由各种非 线性因素产生。 ( 7 ) 前馈电压分压器中分压电阻和滤波电容选择( 由两级分压组成) 分压电阻选择： 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 v 盯( 前馈电压) 是平方器的输入，将输入的整流电压从有效值转为平均值。 当v 。= v 。( m i n ) ，v ，f _ 1 4 1 4 v ，v o = 7 5 v ( 另一个分压节点) ，此时平均电压为： v ；。( a v ) = 0 9 v ；。( m i n ) v f r = 1 4 1 4 - 百v 1 丽( a v ) x r , o 以5 = 等等掣 若取凡+ r 9 + r l o = i mq ，v i 。( m i n ) = 1 7 6 v a c ， 可得r 。0 - 8 9kq ，r 9 + r ，。= 4 7 5kq 。可取凡= 9 1 0 kq ，r 9 = 9 1kq ，r l o = 2 0 kq 。 滤波电容的选择： 由前馈部分输入到乘法器中二次谐波纹波电压将产生三次谐波的线电流， 前馈输入分压电路中的电容( c 。，c ，) ，就是对经过整流的线电压中纹波电压衰 减。二次谐波电压值为6 6 2 的交流线电压。滤波器的衰减由变换器指标中分 配于此的三次谐波失真除以6 6 2 ，分配在此的三次谐波失真为1 5 ，则衰 减量：g 矿= 1 5 6 6 2 = ( 0 2 2 7 。 为了对线电压的r m s 值的变化快速反应，使用二级滤波器，每级滤波器的 极点频率相同，总的增益为两级滤波器增益的乘积，每级的截止频率为： 以= g 矿，= 1 8 h z ( l = 1 2 0 h z 为二次谐波纹波) 利用此截止频率就可计算滤波电容值( 其中r 9 = 9 1kf ， r , o = 2 0kq ) ： c 6 = 2 zx 丘玛 g = 丽1 = 2 z x 1 8 品x 丽= 0 1 胪 = 一= i j _ f 正， 9 l 1 0 j = 2 z x 1 8 l x 2 0 丽x0 = o 4 4 胪 =一=，上r l j 所以，可取c 6 = o 1uf 5 0 v ，c 7 = 0 4 71 tf 5 0 v 。 ( 8 ) 输出电容c o 的选择： 根据每瓦1 2uf 的原则选择输出电容为1 0 0 0 “2 0 0 0uf ，实际中选择两 个4 7 01 tf 4 5 0 v 的电容并联。为配合后级的半桥变换器，可由四个电容组成。 ( 9 ) 电压误差放大器的补偿参数的计算： 计算输出电容上存在的纹波电压，二次谐波电压的峰值为： = 2 z x f , xc ox 圪2 z x l 2 0 x 4 0 0 x 9 4 0 x 1 0 。 放大器输出纹波电压和增益： = 1 7 6 矿 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 v o p k 必须被衰减到电压误差放大器输出所允许的纹波电压，设置放大器在二 次谐波频率处的增益值，如： 吒= a g , 1 ox _ r i p p l e 电压误差放大器的有效输出范围是1 0 5 0 v ，所以 g “：( 5 - 1 ) x 0 7 5 ：0 0 1 7 “2 1 矿刮 r ，。的选择方法： 阻值不能太大，否则放大器的偏置电流对输出有影响，太小则功耗大。 选择r , 9 = 5 1 1kq ，功耗为3 0 0 n 研，实际中选择为5 1 1kq o 5 w 的电阻。 补偿电容c 82 另夏夏了1 巧两2 荔五了订暑丽i 丽- - 0 0 1 5 胪， 实际选择0 0 1 | lf 。 n r 2 。2 管r 1 9 ，当v o = 4 0 0 v d c 时，r 加2 9 6 k q ，实际可选用9 1k q 电阻。 放大器频响的极点频率露2 面乏i 可x 瓦j 笼_ 丽， 厶= 3 4 h z ( 1 0 ) 电流误差放大器的补偿参数计算西1 ： 反馈电阻：可取r ：2 4kq 喊环穿透粹厶2 搬_ 1 6 舰 零点补偿电容：c 1 5 = 弓一= 3 2 6 p f ，取4 7 0 p f 。 ”2 z 厶xr 6 一 极点补偿电容：c 1 32 瓦1 x r 6 2 5 6 ，取6 2 p f 。 ( 1 1 ) 芯片供电： 辅助电源经整流得到的直流电压，其值要大于1 9 v ，通过稳压输出1 8 v 直流 电压，为u c 3 8 5 4 a 供电。此1 8 v 电压在通过7 8 1 5 输出1 5 v 电压，为其它芯片供 电。 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 u “ 几 ； i 匿 j 啊 l 一厂 ： n ! 瓢“ik 讯 i 坼k 一1 y l 雌 t i ，i1 f l k i 幽广1 1 1 b y j 土一j ；二 ， 一m j 习 e1 2 艿墨i哪 脚 。il 书z n 姬i 。g 艘鬯 寻一 】j “下邛牛 r “i i。 i l 一一i “。rf 冀耳f l h m l o 上 雌 占 3 2 半桥变换器 图3 7 功率因数校正应用电路图 经过功率因数校正电路输出的直流电压相对稳定，对此直流电压进行d c d c 变换，可得到需要的直流输出电压，选定的变换器结构为半桥式。 3 2 1d c - d c 变换器电路原理 1 半桥式变换器的工作原理 如图3 8 所示，s 。与s ：交替导通，使变压器一次侧形成幅值为u ；2 的交流 电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压u 。的平均值，也就改变 了输出电压u 。 3 0 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 + _ c i = 心1 j i n l ： i + 鬻 厂s 2 、 i w 9 d l + 图3 8 半桥式变换电路原理 s - 导通时，二极管d 。处于通态；s 。导通时，二极管d 。处于通态。s 。或s 。导 通时电感l 的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感l 电流逐渐下降。s 。和 s ：断开时承受的峰值电压均为u 。理想工作波形如图3 9 所示。 图3 9 半桥式变换电路理想波形 鼠 毗 皱 吼 鞔 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 如在电容器的中点和变压器一次侧增加隔直电容，半桥电路对两个开关管 导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此 不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和心副。 输出电压：当滤波电感l 的电流连续时，丝u = 等等 (319)l 如果输出电感电流不连续，输出电压u 。将高于式3 1 9 的计算值，并随负载 减小而升高。在负载为零的极限情况下，虬= 鲁等 ( 3 2 0 ) 2 输出整流方式 由变压器初级感应到次级的交流电压，必须经过整流才能成为直流，三种 整流电路的原理如图3 1 0 所示。 ( 1 ) 全波整流电路： 优点电感l 的电流只流过一个二极管卜回路中只有一个二极管压降， 损耗小，而且整流电路中只需要2 个二极管，元件数较少。 缺点二极管截止时承受的反压是二倍的交流电压幅值，对器件的耐压要 求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用于输出电压较 低的情况下。 ( 2 ) 全桥整流电路的特点： 优点二极管在截止时承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组结构 较为简单。 缺点电感l 的电流流过两个二极管，回路中存在两个二极管压降，损耗 较大，而且电路中需要4 个二极管，元件数较多。适用于需要高压输出的情况 下。 ( 3 ) 输出同步整流电路： 当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压m o s f e t 具有非常小的导通电阻的特性，降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。 根据三种输出整流电路的特点，本设计的整流应采用全桥整流电路。 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 = l t r l 、l _ j 虹；萤 图3 1 0 全波整流、全桥整流及输出同步整流 3 2 2 脉宽调制控制电路设计 半桥式变换器的控制电路芯片选用的t l 4 9 4 ，是一种固定频率、适用于各种 调宽型开关电源的脉宽调制型控制器。t l 4 9 4 主要性能如下： 具有完整的脉宽调制控制电路； 有两个误差放大器和一个5 v 基准电压； 死区控制时间可以调节，具有欠压封锁功能； 输出级额定电流可达5 0 0 m a ，可用于推挽、半桥、全桥或单端电路口力。 1 t l 4 9 4 芯片内部结构和功能介绍 芯片结构图如图3 1 l 所示，各管脚功能如表3 2 所示。 8 9 i l l o 1 2 图3 1 1t l 4 9 4 结构方框图 r t 一般取值为5 - - - 1 0 0kq ， c r 一般为0 0 0 1 - - - - 0 1 u f ，输出脉冲的宽度调制 是由电容两端正向锯齿波，和另外控制信号进行比较后完成的。输出晶体管由 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 两只或非门输出来驱动。只有当锯齿波电压大于3 ，4 两端输入的控制信号时， 触发器输入的时钟脉冲才处于低电平。因此，随着控制信号幅度的增加，输出 的脉冲宽度将减小，时序波形图如图3 1 2 所示。 外加的控制信号有：脚3 ，4 和脚1 ，2 ，1 5 ，1 6 。死区时间控制比较器的输 入端有1 2 0 m v 偏置电压，限制了输出最小死区时间，约占锯齿波一个周期的4 。 单端输出时，最大占空比为9 6 ，推挽应用时，最大占空比为4 8 ，可在此输 入端加电压调整死区时间。 当反馈输入端所加电压从0 3 v 变到3 5 v 时，脉宽调制比较器的输出就能 使输出脉宽的占空比由死区时间控制输入端所确定的最大百分比数下降到0 。 表3 2t l 4 9 4 管脚功能 引脚号符号功能 1i n l +误差比较放大器1 的同相输入端 2i n l - 误差比较放人器1 的反相输入端 3f e e d b a c kp w m 控制比较放人器和误差比较放大器的公共输出端，输出时表现 c o m p a r a t o r为或输出控制特性，也就是在两个放大器中，输出幅度大者起 i n p u t作用。当3 脚的电平变高时，t l 4 9 4 送出的驱动脉冲宽度变窄， 当3 脚电平低时，驱动脉冲宽度变宽 4d e a d li n e 夕e 区电平控制端，从4 脚加入死区控制电压0 4 v ，控制t l 4 9 4 c o n t r o l 输山脉冲的| i 空比，在此基础上，占空比还受反馈信号控制。 4 脚还刚作软启动控制端，使输出脉冲宽度由0 逐渐达到设定 值 5ct 外接定时电容ct ，产生锯齿波电压送比较器和死区时间比较 器，振荡颊率为：f = l r tc t 6rt 用于外接振荡电阻r t 7g n d接地端 8 、9c l 、e l 8 ，9 脚分别为t l 4 9 4 末级输出二极管1 的集电极和发射极 1 0 、1 1c 2 、e 28 ，9 脚分别为t l 4 9 4 末级输出三极管2 的集电极和发射极 1 2v c c 电源供电端。电压范围7 - - 一4 0 v 1 3 o u t p u t功能控制端。低电平时，用于驱动单端；高电平时，用于 c o n t r o l 推挽应用。 1 4v r e f内部矾基准电压输出端 1 5 i n p u t 2 。控制比较放大器2 的反相输入端 1 6 i n p u t 2 +控制比较放人器2 的同相输入端 第3 章1 5 0 v 开关电源设计 误差放大器l 和2 的开环电压增益约为9 5 d b ，允许的共模输入电压范围宽， 可用来检测稳压电源的输出电压和电流。两个误差放大器的高电平输出以或的 关系同时加到脉宽调制比较器的同相输入端。 每当电容器c ，放电时，死区时间比较器输出一正脉冲，作为触发器的时钟 脉冲，上升沿使触发器输出状态转换，正脉冲同时加到两个或非门的输入端， 使输出晶体管q 。、q 。截止。当输出控制端( 脚1 3 ) 接到基准电压上时，触发器的 输出就与时钟脉冲一起加到或t e f - j 上，使两只输出晶体管轮流导通和截止，实 现推挽输出，这时输出方波频率为锯齿波振荡器频率的一半，输出的驱动方波 从输出晶体管q 。、q 2 上取得。 控制器内部有一个5 v 的基准电源，可输出1 0 m a 的电流，作为外接偏置电 路的负载电流，精度为士5 1 。 图3 1 2t l 4 9 4 时序波形图 2 t l 4 9 4 控制电路主要参数设计 t l 4 9 4 应用电路如图3 1 3 所示，控制电路参数设计说明如下： ( 1 ) 用推挽输出的方波控制半桥电路，输出控制端：脚1 3 ) 和v 麟( 基准电压脚1 4 ) 直接相连。 ( 2 ) 开关频率的确定： 在相同输出功率的情况下，频率越高，磁芯越小，但提高频率一倍，磁芯损 耗增j j n n 原来的