等离子电手术刀电路设计.doc

沈阳理工大学学士学位论文摘 要等离子体是物质存在（固、液、气体）的第四种状态，是由大量带电粒子组成的非束缚状态的宏观体系。日常生活中也随处可见，闪电、霓虹、日光、等离子体电视等都是人们日常能感受得到的等离子体技术。“等离子体”这门近代物理学始创于二十世纪五十年代，作为迅速发展的新兴学科其低温等离子体、冷等离子体、热等离子体技术已广泛应用于医学、电子、工业、军事及日常生活等众多领域。低温等离子体作为一种高新技术，因其对环保及医学方面的突出贡献，已越来越受到国内外专家学者的关注。等离子电手术刀也应运而生。低温等离子消融技术也因此备受关注，与传统的手术相比，低温等离子消融技术有着微创、精确、方便、安全等特点。现在鼻炎、扁桃体、腺样体、咽喉等疾病得到了广泛的应用。本设计旨在通过制作基于MOSFET半桥逆变的高频高压电源以特100kHz超低频率电能激发介质（Nacl）产生等离子体。在4070蛋白质可逆变性的温度范围内，靠“等离子体”产生的声波打断分子键，将蛋白质等生物大分子直接裂解成O2，CO2，N2等气体，从而以“微创”的代价完成对组织切割、打孔、消融、皱缩和止血等多种功能。关键字：低温等离子；UC3842；UC3825；MOSFET半桥逆变AbstractPlasma is existing material (solid, liquid, gas) of the fourth state, is made of a number of charged particles of the bound the macroscopic system of the state. There are everywhere in daily life, lightning, neon, the sun, and plasma TV. This is people daily can feel of plasma technology.“Plasma” the door of the modern physics, as a rapid development of emerging discipline in the 1950s, the low temperature plasma, cold plasma, hot plasma technology has been widely used in medicine, electronics, industrial, military and daily life and many other fields. Low temperature plasma as a kind of new and high technology, because of the environmental protection and the contribution of the medicine, already more and more get the attention of experts and scholars at home and abroad. Plasma electricity a scalpel also arises at the historic moment. Low temperature plasma ablation technology also got more attention. Compared with traditional surgery, low temperature plasma ablation technology has the characteristic of accurate and convenient with minimally invasive, security and so on. Now the wide range of applications in rhinitis, tonsil, adenoid, throat and other diseases.The design aims to make based on MOSFET half-bridge converter of the high frequency, high voltage power supply in certain low frequency power 100 KHz stimulate medium (Nacl) produce plasma. In 40 70 protein reversible degeneration of the temperature range, By plasma generated the sound waves to break molecular bonds, proteins and other biological macromolecules to direct cleavage into O2, CO2, N2 and other gases Thus with minimally invasive price to complete the organizational cutting, drilling, ablation, shrinkage and bleeding and other features.Keywords: low temperature plasma; ablation technique; MOSFET half-bridge inverter目 录1 绪论11.1 低温等离子介绍11.1.1 简介11.1.2 解释11.1.3 实验11.1.4 应用21.1.5 市场31.1.6 技术31.2 在现代医学上的应用低温等离子消融技术41.2.1 等温等离子消融技术介绍41.2.2 工作原理41.2.3 低温等离子消融术四大优点51.2.4 展望与前景62 等离子电源的制作82.1 等离子电源82.2 等离子电源的设计方案83 等离子电源300V直流电压部分113.1 220V整流部分原理图113.2 防电磁干扰及过流保护113.2.1 低通滤波电路123.2.2 压敏电阻器133.2.3 共模扼流圈144 BUCK DC-DC变换164.1 UC3842电流型控制器164.1.1 UC3842简介164.1.2 UC3842内部结构174.1.3 UC3842外围电路194.1.4 DC-DC开关管的控制电路204.1.5 电流负反馈的积分电路和电流保护214.1.6 稳压电路及过流保护224.1.7 UC3842调试224.2 BUCK开关型调整器234.2.1 BUCK调整器的基本工作方式234.2.2 BUCK调整器连续工作模式的电感设计245 半桥逆变电路255.1 半桥逆变电路的工作原理255.2 半桥逆变触发电路275.2.1 PWM函数发生电路275.2.2 UC3825特点和引脚说明275.2.3 UC3825调试315.2.4 驱动电路325.3 吸收回路356 高频变压器的设计386.1 面积乘积法（AP法）386.2 高频高压变压器制作的特殊要求40总 结41致 谢42参考文献43附录A 英文文献44附录B 中文文献49附录C 电路图52521 绪论1.1 低温等离子介绍1.1.1 简介低温等离子体技术是一门已相对成熟和蓬勃发展的应用学科，它已在传统和高技术领域得到了广泛的应用。其中等离子体表面改性技术以其特有的优点，解决了合成高分子材料无法完全满足作为生物医用材料所需要的生物相容性和高度的生物功能要求这一难题。通过等离子体处理后，能够在高分子材料表面固定生物活性分子，达到作为生物医用材料的目的。 低温等离子是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。1.1.2 解释冰升温至0会变成水，如继续使温度升至100，那么水就会沸腾成为水蒸气。随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态液态气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。那么对于气态物质，温度升至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物（蜡烛的火焰就处于这种状态）。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子体（plasma）。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。反过来，我们可以把等离子体定义为：正离子和电子的密度大致相等的电离气体。1.1.3 实验从刚才提到的微弱的蜡烛火焰，我们可以看到等离子体的存在，而夜空中的满天星斗又都是高温的完全电离等离子体。据印度天体物理学家沙哈（MSaha，1893-1956）的计算，宇宙中的99.9%的物质处于等离子体状态。而我们居住的地球倒是例外的温度较低的星球。此外，对于自然界中的等离子体，我们还可以列举太阳、电离层、极光、雷电等。在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热的办法更加简便高效，诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。在自然和人工生成的各种主要类型的等离子体的密度和温度的数值，其密度为106（单位：个m3）的稀薄星际等离子体到密度为1025的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级。其温度分布范围则从100K的低温到超高温核聚变等离子体的108-109K（1-10亿度）。温度轴的单位eV（electron volt）是等离子体领域中常用的温度单位，1eV=11600K。通常，等离子体中存在电子、正离子和中性粒子（包括不带电荷的粒子如原子或分子以及原子团）等三种粒子。设它们的密度分别为ne，ni，nn，由于准电中性，所以电离前气体分子密度为nenn。于是，我们定义电离度=ne/(ne+nn)，以此来衡量等离子体的电离程度。日冕、核聚变中的高温等离子体的电离度都是100%，像这样=1的等离子体称为完全电离等离子体。电离度大于1%（10-2）的称为强电离等离子体，像火焰中的等离子体大部分是中性粒子（Ti，TeTn。我们把这样的等离子体称为低温等离子体（cold plasma）。当然，即使是在高气压下，低温等离子体还可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式即电晕放电（corona discharge）或电弧滑动喷射式放电来生成。大气压下的辉光放电技术目前也已成为世界各国的研究热点。可产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚，在高气压下等离子体的输运特性的研究也刚刚起步，现已形成新的研究热点。1.1.4 应用现在,低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。例如，1995年全球微电子工业的销售额达1400亿美元，而三分之一微电子器件设备采用等离子体技术。塑料包装材料百分之九十都要经过低温等离子体的表面处理和改性。科学家预测：二十一世纪低温等离子体科学与技术将会产生突破。据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域的潜在市场每年将达一千几百亿美元。1.1.5 市场等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，具有极其广泛的工业应用-从薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体辅助加工已开辟的和潜在的应用领域包括：半导体集成电路及其它微电子设备的制造工具、模具及工程金属的硬化药品的生物相溶性包装材料的制备表面防蚀及其它薄层的沉积特殊陶瓷（包括超导材料）新的化学物质及材料的制造金属的提炼聚合物薄膜的印刷和制备有害废物的处理焊接磁记录材料和光学波导材料精细加工照明及显示电子电路及等离子体二极管开关等离子体化工（氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体制电石等）1.1.6 技术目前，国内外企业利用低温等离子体技术在环保方面开发出了“低温等离子体有机废气净化设备”、“低温等离子体废水净化设备”及“低温等离子体汽车尾气净化技术”。1、低温等离子体在保鲜、杀菌、除臭等方面产品开发，目前已开发出适用于冰箱、空调、洗衣机的发生器。2、“低温等离子体有机废气净化设备”利用低温等离子体产生的具有高氧化性的臭氧，在催化剂的作用下，使有机废气在较低的温度完全转化。该设备可应用于溶剂厂、印染厂、油漆厂等有机废气排放源。3、“低温等离子体废水净化设备”可使皮革厂、造纸厂、印染厂、游泳池等排放的废水经处理后，达到无色无味、无菌的效果。4、“低温等离子体汽车尾气净化技术”除具有一般汽车尾气净化器具有的功能外，还有以下特点：（1）可降低发动机百公里耗油量； （2）可降低发动机噪音，运转平稳；（3）可提高发动机起始加速度；（4）在恶劣环境下，点火启动成功率达到100%；（5）降低尾气中有机物及一氧化碳等有害物的排放量；（6）适用于任何型号的燃油发动机、发电机；1.2 在现代医学上的应用低温等离子消融技术1.2.1 等温等离子消融技术介绍美国DNR数字式低温等离子消融术，DNR英文直译为多昵尔，所以简称为“多昵尔低温消融术”！原先主要用于有关核能与宇宙带电粒子研究。因为多昵尔技术的治疗弹头只有10微米至1毫米左右，有的比头发丝还要细，所以又称“头发丝技术”。该技术是在鼻内窥镜下，运用从国外引进的等离子低温消融系统瞬间对引起鼻炎的增生组织进行消融，可保持局部黏膜组织结构的安全性，并能有效减轻术后水肿与疼痛。消融时间很短，约20分钟的功夫，术后症状即得到缓解，一般术后不会再复发，可有效治疗慢性鼻炎、鼾症等。1.2.2 工作原理在治疗过程中，多昵尔的治疗弹头会先利用数字智能识别功能先采集病变组织的基本数据，然后根据计算机的指令使组织局部形成一个拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质的空间（在这个空间内拥有几乎相同数量的自由电子和阳极电子的离子，我们就称之为等离子），这时，高度吸收能量的非平衡等离子会在计算机的程序控制下，使病变组织产生低温分解效应及RL（感抗）热效应，即使组织蛋白质迅速凝固及血管收缩和封闭，达到治疗耳鼻咽喉疾病的目的。在治疗的过程中几乎不会损伤患者耳鼻咽喉部位的粘膜和纤毛上皮，因此，术后，患者要比接受过传统耳鼻咽喉手术的患者恢复更加良好。因为多昵尔的治疗弹头虽然细但十分强韧，医生可以根据需要对弹头进行任意的修剪和弯折，在先进的德国Storz鼻内窥镜系统配合下，弹头可以轻易地到达耳鼻咽喉任何部位的病灶，所以，多昵尔技术可以用于几乎所有耳鼻咽喉疾病的治疗。美国DNR数字式低温等离子消融术是目前国际上先进鼻咽炎治疗设备，等离子低温消融治疗系统，是治疗鼻部疾病几近完美的微创疗法。在低温的作用下它既将鼻甲肥大病变部分进行消融，又不伤害正常的鼻甲粘膜组织，来达到治疗目的。低温等离子消融治疗系统的作用原理是使电极和组织间形成等离子薄层，层中离子被电场加速，并将能量传递给组织，在低温下（40C70C）打开细胞间分子结合键，使靶组织中的细胞分解为碳水化合物和氧化物造成病变组织液化消融，称为等离子（不是热效应），从而达到靶组织体积减容的效果。多昵尔数字化医用等离子不是普通的设备，该技术与微波相比，无辐射，血液中能工作，温度更低，治疗效果更好与射频相比，频率、温度更低，工作更稳定，有离子液化效果；与电刀相比，血液中能切割，冷刀切割效果，无热源损伤；与激光相比，能弧形切割，无光反射，周边损伤小，切割强，是目前国际最具领先的治疗耳鼻喉疾病的高科技设备。1.2.3 低温等离子消融术四大优点微创：DNR数字式等离子技术，又称“头发丝”技术，它的治疗弹头分别只有10微米至1毫米左右，有的比头发丝还要细，正因为多昵尔的治疗弹头如此之细，所以对患者的损伤也极小，医生们用它对患者进行精确的点状治疗，术中几乎不出血，术后患者的疼痛、水肿也非常轻微。整个治疗只需在下鼻甲前端刺一个小孔，最大浸透深度为2mm，对鼻甲粘膜的纤毛功能影响较小，对鼻甲周围正常组织损伤的可能性也较小。因此，术后很少有痂皮，鼻腔粘连等并发症发生的机率较低。同时，该治疗系统还具有自动控制功能，当组织变性时电阻增大到一定程度，系统会自动停止工作，并发出报警声。精确：DNR数字式等离子技术采用全程数字化控制温度，其治疗温度可精确到0.05，治疗全程温度控制在3970，切割面损伤更小，不会像微波、激光、模拟等离子一样烧伤粘膜，破坏纤毛上皮，患者术后恢复更好。数字化的功率调节有利于选择合适的功率。方便：运用多昵尔数字式等离子技术治疗耳鼻咽喉疾病只需局部麻醉，1015分钟即可完成手术，门诊手术即可。术后无出血、无疼痛、无水肿，无需住院，也不影响正常饮食，非常适合事务繁忙的人士及对疼痛耐受力低的儿童。安全：DNR数字式等离子治疗系统是继激光、微波后第四代高档数字治疗系统，是等离子技术专业治疗机，纯净无辐射，更安全。多昵尔采用的独特一次性弹头，还可避免术中医源性的疾病交叉感染。止血效果好，术中出血一般为15ml，视野清晰，有利于操作的准确。适应症1、鼻炎（包括慢性鼻炎、过敏性鼻炎）2、扁桃体炎3、中耳炎4、打鼾（打呼噜）5、扁桃体肥大6、腺样体肥大7、咽喉疾病8、分泌性中耳炎9、扁桃体周围脓 10、鼻息肉1.2.4 展望与前景目前，国内有不少单位正在利用等离子体表面处理技术积极开展生物医用材料的表面改性及表面膜合成研究，以解决抗凝血、生物相容性、高分子聚合物表面亲水性、抗钙化及细胞吸附生长、抑制等关键技术问题。中国科学院上海硅酸盐研究所利用等离子体喷涂技术，在生长ZrO等涂层改善人工骨的研究方面取得了重要进展，他们正在使生物医学材料表面处理走向实用化。中科院上海冶金研究所、西南交通大学、上海中山医院、武警南京医院等单位合作，利用IBAD（离子束辅助沉积）技术在热解碳上生长非晶和晶态金红石型氧化钛薄膜，用于改善材料的抗凝血性。体外试验及动物体内样品试验表明，用IBAD生长氧化钛涂层的热解碳的血液相容性显著优于临床应用的热解碳人工心瓣。东华大学理学院准备利用脉冲等离子体材料表面修饰最新技术，在胶原材料表面涂覆有利于神经营养因子CNTF共价固定并具有特定物理形态的功能膜。利用CNTF营养因子对细胞吸附生长的促进作用，促进常规细胞及CNTF转基因细胞在其上的吸附生长分化。这对研究筛选适于常规细胞及转基因细胞发挥正常生理功能的生物活性表面涂层及技术，扩大现有生物材料的应用范围，深人研究这类因子对细胞吸附及生长的影响，及细胞与生物材料表面的反应机制，构建新一代具特定修复、再生功能的智能生物材料，都具有重要的意义。随着全球人口老龄化和运动创伤的增多，人们对生物医用材料提出了非常大的需求，因此各国对生物材料的研究与开发都投人了大量的人力、物力和财力目前已有许多内植器官、人工组织和体外辅助装置等都在开发研究和临床应用中。低温等离子体表面处理技术以其特有的优点正被许多科学工作者用于生物材料的表面改性及表面膜台成研究。但是这些研究大多处于开发阶段或动物实验阶段，离实用化还有一段路程。对医用高分子材料的抗凝血性、生物组织相容性的提高仍是今后医用高分子材料研究中的一个首要问题这些研究需要化学、物理化学、生物化学、生物学、物理学和医学等多方面专家的共同努力。 2 等离子电源的制作2.1 等离子电源目前世界范围内对于等离子体生成的研究中，介质阻挡的电极结构是主流，与之配套的电源大多采用的是高频或微波电源。电压幅值在几kV到几十kV、频率为lkHz到几百kHz、波形为正弦波的高频高压电源应用广泛。在实验室进行的气体放电实验中，除了气压、工作气体、电极结构等放电条件外，电源的参数对于实验结果也至关重要。间隙内气体的放电强度和均匀性与频率、占空比、电压有很大关系。当在电极间施加合适频率的高压交流电时，电极间隙内的气体就会被电离，形成强烈的气体放电，从而产生高浓度的等离子体。之所以采用高频高压电源是由于：利用直流电源产生辉光放电激发等离子体的方法存在一些难以克服的缺点：1、抑制弧光放电速度较慢且不可靠2、限流电阻浪费了大量电能3、在工件的小孔、缝隙、沟槽部分常会产生空心阴极效应,造成工件上温度极其不均匀，工件表面难以获得均匀的辉光覆盖。在电场作用下，电极间的带电粒子会在电场力的作用下运动。如果此时电源频率较低，质量较大的离子将有可能在电极极性转换之前运动到极板的另一侧与之碰撞使得阴极过热并产生二次电子。当反应腔体的气压过高，这将促使辉光放电向丝状放电过渡。而离子轰击阴极产生的二次电子为产生电子雪崩提供了条件，加速丝状放电通道的形成。这些不利条件将不利于产生稳定的辉光放电。如果采用高频高压电源，频率较高时有助于抑制离子向阴极移动，减弱了离子轰击阴极的加热效应以及产生二次电子形成电子崩的可能性，从而抑制了辉光放电向丝状放电的转化。另外实验证明采用高频电源可以降低气体的着火电压，即降低了电子器件的耐压等级，从而降低了实验电源的成本。传统的高压电源因体积和重量都大，且性能不好，满足不了实际应用的需要。随着电力电子技术和开关器件的发展，高压逆变电源的高频化及脉宽调制波形改善技术使得高压电源的性能成倍提高体积成倍减小，应用范围越来越广。由于实验需要，本研究设计并制作了等离子体电源。电源采用了成熟、可靠的拓扑结构，先进的控制方式，工作稳定、可靠；电源采用高频技术，体积小、重量轻；同时具有“过压”、“过流”保护功能，可靠性高。 2.2 等离子电源的设计方案等离子电手术刀的工作原理，即以特定100kHz超低频率电能激发介质（Nacl）产生等离子体，在4070蛋白质可逆变性的温度范围内，靠“等离子体”产生的声波打断分子键，将蛋白质等生物大分子直接裂解成O2，CO2，N2等气体，从而以“微创”的代价完成对组织切割、打孔、消融、皱缩和止血等多种功能。普通高频5004000kHz可变电场下，粒子一方面无法获得足够的加速时间，处于往复的振荡状态；另一方面高频下的分子摩擦会产生较强的热效应，且频率越高产热越多。而100kHz低频稳定电场下，粒子则会获得更长的加速时间，最终形成带有更大动能的高速带电粒子，直接打断分子键。此外因频率低，较之高频大大降低了分子间的摩擦产热，使切割、消融和止血等过程都在4070内完成，从而实现微创效应。通过100kHz超低频率的稳定电场，将Nacl等电解液激发成低温等离子体，在电极前形成厚度为100微米的等离子体薄层。在100kHz超低频稳定电场下，等离子体中的粒子正负离子，会获得更长的加速时间，粒子加速运动最终形成带有足够动能的高速带电粒子。通常100KHz低频稳定电场下，激发一分子Nacl会产生8个电子伏特的动能，而打断一个肽键所需动能为4个电子伏特，使靶组织细胞以分子为单位解体，使蛋白质等组织裂解汽化成H2、O2、CO2、N2和甲烷等低分子量气体，在低温下形成切割和消融效果。这与电刀和激光等外科设备靠几百度的高温来汽化组织的工作方式是截然不同的。所以根据上述原理，还考虑了电力电子期间自身的限制，对设计电源提出了以下基本要求：1、温度：040；2、输入电压：单相220V士15、50Hz：3、输出电压：300V；4、输出频率：100kHz；5、占空比：可调；6、最高输出功率：300W；设计方案：首先工频220V交流电压经过整流滤波之后，得到300V左右的直流电压，为逆变得到300V、100Hz的方波提供直流电压。其次就是选择拓扑，根据设计要求，可以选用推挽、半桥、全桥逆变拓扑结构，在选择方面，半桥与全桥和推挽相比，优点在于结构简单，性能稳定，开关管数量为全桥的一半。提供中性点的串联大电容与滤波电容进行星-三角转换后可以在输出侧等效出一个电容，在输出接变压器的情况下，能够有效消除输出电压的直流分量，防止变压器的偏磁。而且设计所需功率都在lkW以内，容量要求不大；全桥由两个半桥组成，输出电压提高一倍，适用于更大功率的输出。综合考虑，电源方案选用半桥拓扑结构。产生100Hz方波的驱动芯片可选用定时器555，可以通过运算放大器组成双限比较器来产生两路互补的方波。也可以TL494、SG3525、UC3825等芯片直接产生互补的方波。设计中选用UC3825产生方波，再经过TC4424功率放大和延迟去驱动半桥逆变，得到300V的方波电压。设计还在半桥逆变前面利用BUCK调整器实现DC-DC的转换，运用UC3842驱动BUCK，还可以实现过流、过压保护。在半桥逆变前把300V的直流电压变成0300V可调的直流电压，便于调节。最后通过变压器升压变成电压、频率、占空比都可调的方波电压。实验电源系统示意图如图2.1所示过压、过流保护整流滤波DC-DC变换半桥逆变高频变压器工频输入负反馈开关管控制触发电路反应器图2.1 电源系统示意图3 等离子电源300V直流电压部分所谓的300V直流电压部分，就是指电网的正弦波电压（220V、50Hz）输送到电源后，首先将其整流滤波，就成为300V直流电压，主要去供给逆变器用电，最后输出的各种直流电压，都是由300V直流电压转换过去的，电源内部用电，也是由300V直流电压供给的。3.1 220V整流部分原理图AC-DC即为将交流变换为直流，其功率流向是双向的，功率由电源流向负载的称为“整流”。AC-DC变换器输入为50Hz的交流电，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。整流部分如图3.1。图3.1 AC-DC-DC电路3.2 防电磁干扰及过流保护所谓电磁干扰（Electromagnetic Interference），简称EMI，是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，EMI通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生的。它有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。干扰源、干扰传播途径（或传输通道）和敏感设备称为电磁干扰三要素。传播途径一般也分为两种：即传导耦合方式和辐射耦合方式。在高速PCB系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。因此解决好电磁兼容的问题至关重要。对于开关电源来讲，输入端与电网相连，很容易将外界的干扰信号引入装置，也很容易将开关电源自身产生的电磁干扰传到电网。电压电流的变化通过导线传输时有二种形态,“共模” （CM）和“差模” （DM）。所谓的“差模”输入，就是在共模滤波器的两个输入口，所加的输入电压是有差别的一种输入模式，如一端为“+”另一端为“-”，这就是差模输入。所谓“共模”输入，就是在共模滤波电感的两个输入端口，所输入的电压是没有差别的一种输入方式，就是在同一时间内要是正都是正，要是负都是负，而且两个输入端的电压的幅度也相等。通常我们使用的电器是两线的，一根火线（L），一根零线（N），零线认为是三相电的中线，同时还有一根地线，。零线与火线之间的干扰叫做差模干扰；火线与地线、零线与地线之间的干扰叫做共模干扰。一般认为零线与地线之间认为是没有电压的，或者可以认为是零线没有电压，不能驱动电器，因此认为零线与地线之间没有干扰。几乎所有我们要求的有用（所希望）信号都是DM信号：电流通过一个特定的导体流出，而通过另外一个导体返回。并且这两个导体之间有电位差。另一方面，一个电缆（包括任何屏蔽）的所有导体中的CM电压和电流大小是完全相同的，并且它们电流的流向也完全相同。CM电流的返回通道是通过外部大地系统、其他电缆、金属构件等完成的。虽然CM电流和电压在幅值上往往非常小，但是它们在大环区域所造成的EMC问题要比等同的DM信号大得多。所以解决这些问题至关重要。图3.2为防电磁干扰电路。图3.2 防电磁干扰电路3.2.1 低通滤波电路如图3.2所示，在输入的220V、50Hz的交流电路中，首先接入了一个低通滤波器。顾名思义，低通滤波器，就是低频能通过的滤波器，而高频干扰信号通不过，也就是低频50Hz的电压是能通过的。对高频干扰来说，有可以叫做“高频滤波器”，就是能滤掉高频电压，而不是能滤掉低频电压。低通滤波器，一般是由电容器和电感组成的。在开关电源输入交流电路里之所以设置低通滤波器，主要是为了防止开关电源自身产生的高频干扰信号窜入电网上，同时也防止电网上高频干扰信号窜到开关电源中来。从图中我们可以看出，电容器是并联在220V交流电压两条线上的。电感的感抗，是与频率成正比的，也就是频率越高，它呈现的感抗越大。而电容器的容抗是与频率成反比的，也就是频率越高，它呈现出的容抗越小。电感T1对50Hz的低频交流电呈现的感抗很小，对于220V的50Hz的交流电压几乎没有损失的顺利通过，而对于高频干扰信号呈现的感抗很大，所以高频干扰信号是不容易通过的。线路两端跨接的电容器，它对于50Hz的低频交流电呈现的容抗很大，损失点很小，而对高频干扰信号呈现的容抗小，所以对于高频衰减很大。就是窜过来点高频干扰电压，由于C3、C4进一步衰减，也会将其衰减到对于电源正常工作没有影响。从理论上说电路的电抗是阻抗、感抗和容抗的矢量和，即 （3.1）要想使电磁干扰不大于8dB/V，必须选用适合的电感、电容，以最大限度地提高电路干扰（包括射频干扰）的能力。一般情况差模抑制电容C1、C2 0.10.47F差模抑制电感L1、L2 100130H共模抑制电容C1、C2 10000pF共模抑制电感L 1525mH3.2.2 压敏电阻器如图3.2所示，压敏电阻器的应用原理压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC或设备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护IC或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作Rl为压敏电阻器。压敏电阻是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。压敏电阻可以对IC及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏。压敏电阻一般并联在电路中使用，当压敏电阻两端的电压发生急剧变化时，压敏电阻短路将电流保险丝熔断，起到保护作用。压敏电阻在电路中，常用于电源过压保护和稳压。Rl的使用提高了开关电源的安全性能。压敏电阻的选用，一般选择标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数1、所谓压敏电压，即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值，大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值，其产品的压敏电压范围可以从109000V不等。根据具体需要正确选用，一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp为电路额定电压的峰值。VAC为额定交流电压的有效值。ZnO压敏电阻的电压值选择是至关重要的，它关系到保护效果与使用寿命。额定电源电压为220V，则压敏电阻电压值V1mA=1.5Vp=1.5220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2220V=484V，因此压敏电阻的击穿电压可选在470480V之间。2、所谓通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过10时的最大脉冲电流值。为了延长器件的使用寿命，ZnO压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。然而从保护效果出发，要求所选用的通流量大一些好。在许多情况下，实际发生的通流量是很难精确计算的，则选用220KA的产品。如手头产品的通流量不能满足使用要求时，可将几只单个的压敏电阻并联使用，并联后的压敏电不变，其通流量为各单只压敏电阻数值之和。要求并联的压敏电阻伏安特性尽量相同，否则易引起分流不均匀而损坏压敏电阻。压敏电阻的测量： 压敏电阻一般并联在电路中使用，当电阻两端的电压发生急剧变化时，电阻短路将电流保险丝熔断，起到保护作用。压敏电阻在电路中，常用于电源过压保护和稳压。测量时将万用表置10k档，表笔接于电阻两端，万用表上应显示出压敏电阻上标示的阻值，如果超出这个数值很大，则说明压敏电阻已损。压敏电阻标称参数压敏电阻用字母“MY”表示，如加J为家用，后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分别用于稳压、过压保护、高频电路、防雷、灭弧、消噪、补偿、消磁、高能或高可靠等方面。压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持续电流，在用作过压保护时必须考虑到这一点。3.2.3 共模扼流圈如图3.2所示T1为共模扼流圈。它实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。下面具体说明它对于CM和DM信号的影响。这种共模滤波电感，对于50Hz的交流电来说，也就是差模输入。因为50Hz的交流电压的两端，除了零值时刻相等以外，其它任何时间没有相等的电压。差模输入最大的特点，就是将两个绕向相反的绕组串联以后，就失去了电感的作用，对于50Hz的交流电来讲，是没有任何损失的（绕组的直流电阻也很小）通过。对于共模干扰信号来说，如图3.3所示。假设共模高频干扰电压输入都为“+”，两个输入端的电流都是向右流得，两个绕组Wl和W2产生的是同一个方向变化的磁通，如图1和2的方向所示，因为电流增加一倍（因为是两路电流），所以磁通的变化率的强度也应该增加一倍，在电感器中只要有了变化的磁通，就有感抗存在，所以对共模输入的高频干扰就会有较大的衰减。通过上面分析，可以发现，两个绕组Wl和W2并联在一起，两路电流是向同一个方向流动的，这和一个绕组工作的情况一样，虽然两个绕组是并联的，但是电感量一点没有降低。当输入都为“-”，同样也有感抗存在。由此可见，高频干扰信号通过共模滤波电感后衰减很大。图3.3共模扼流圈总结来说，就是共模扼流圈可以传输直流和频率很低的差模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗，所以它可以用来抑制共模电流的干扰。4 BUCK DC-DC变换在DC-DC变换中，用UC3842作为开关管的驱动芯片，实现了直直变换，并利用UC3842的功能，对电路加了电流负反馈积分电路、稳压电路及过流保护。下面将具体介绍。4.1 UC3842电流型控制器4.1.1 UC3842简介UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，单端输出可直接驱动双极型晶体管和MOSFET管，具有引脚少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点。能通过高频变压器与电网隔离，适合构成无工频变压器的2050W小功率开关电源。又因其构成电路所需的元件极少，非常符合“适用、够用、好用”的原则。由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：1、引脚数量少，外围电路简单，价格低廉；2、电压调整率很好；3、负载调整率明显改善；4.、频率特性好，稳定幅度大：5、具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能；6、工作电压840V；7、电流传感和电压反馈输入-0.3+5.5V；8、误差放大输出吸入电流10mA；9、占空比可调；10、最高开关频率500kHz，稳定度0.2，电源效率高；11、内部有高稳定度的基准电压源5.0V；12、稳定性能好，电压调整率很容易达到0.01，启动电流小于0.1mA，正常工作电流为15mA。它的工作温度为070，最高输入电压为30V，最大输出电流为1A。UC3842采用DIP-8封装，管脚排列如下图4.1所示。图4.1 UC3842管脚图UC3842是开关电源的核心，它能产生频率固定而占空比可调的控制电压，通过改变开关功率管的通断状态，来调节输出电压的高低，实现稳压目的。例如，由于某种原因使Vo升高时，PWM就改变控制电压的占空比，使斩波后的电压平均值下降，导致Vo下降，使Vo趋于稳定；反之亦然。4.1.2 UC3842内部结构UC3842内部电路包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定单元，其结构图如图4.2所示。其内部基准电路产生+5V基准电压作为UC3842内部电源，允许有0.1V的偏差。温度系数为0.2mV/。+5V基准电压经衰减得2.5V电压作为误差放大器基准，并可作为5W50mA的电源输出。振荡器产生方波震荡信号，振荡频率取决于外接定时元件，接在4脚与8脚之间的电阻RT与接在4脚与地之间的电容CT共同决定了振荡器的振荡频率，f=1.8/(RrCr)。反馈电压有2脚接误差放大器反相端。1脚接RC网络以改变误差放大器的闭环增益和频率特性。图4.2 UC3842内部结构框图UC3842输出电流可达lA，启动电流小于lmA，正常工作电流为15mA。到锁定的PWM，可以进行逐个脉冲的电流限制。具有内部可调整的参考电源，可以进行欠压锁定。它的内部逻辑结构如图4.3所示。图4.3 UC3842内部逻辑图第l脚，为误差放大器E/A的输出端，如图4.3。误差放大器E/A的输出电压信号，在内部经过两个二极管Dl和D2降下1.4V后，又由电阻R3和R4进行分压，由于R3电阻的阻值是R4的两倍，最后还剩下1/3的电压，加在电流比较起A3“-”的输出端，并且还有稳压管ZD2钳位在1.0V，显示该输入端的最高电压不超过1V。第2脚为误差放大器“-”的输入端，取样电阻由此输入。第1脚的电压变化与第2脚的电压变化相反。一般都将第1脚和第2脚之间接入电阻R与电容C并联的负反馈电路。其中，电阻R是为完成直流负反馈用，直流负反馈电阻R的阻值越小，负反馈就越深，误差放大器E/A的放大倍数就越小，频带就越宽，静态工作点就越稳定，温度特性也越好。电容器C能完成高频负反馈的作用，能有效的消除高频寄生振荡，也有的将负反馈电阻R与电容器C叫做“补偿电路”。第3脚为“电流传感端”，它的电压信号，是在场效应开关管源极电阻上取得，源极电阻是将开关调整管源极电流的变化转化成电压的变化。电流比较器如图4.3A3输出电压的高低，是有它的连个输入端电压共同决定的，A3的输出端电压的变化，能控制RS触发器“Q反”输出脉冲宽度的变化。4脚（IVCT）为锯齿波振荡器外部定时电阻与定时电容的公共端。6脚为脉冲输出端。我们从图4.3中可以看出输出电路是由内部两个三极管Q1和Q2组成，由于Q1和Q2输入脉冲永远是相反的，所以Ql导通时Q2截止，这时第6脚输出是高电位，其输出脉冲幅度，等于或略小于第7脚电源电压VCC。当Ql截止Q2导通时，6脚输出为低电位，就是输出电压为0V。由于Q2的导通，能将第6脚上内外电路各个部件寄存的正电荷迅速放掉，这一瞬间有吸入电流流入，也就能使它所控制的开关调整管迅速的截止。7脚是VCC电源电压供给端，它的工作电压可以在1036V的范围内都能正常工作。在7脚的内部接有一个36V的稳压管，当第7脚电压超过+36V时，就被钳位在+36V。在7脚处连有一个比较器，它是为了防止在跨越门槛时又不确定的状态出现。比较器“+”的输入端，接有一个+16V的基准电压，而在“+”的输入端，就接在第7脚VCC电压上，所以比较器输出电压的有无，就由第7脚VCC电压的高低控制，只有VCC大于+16V是，比较器输出高电位，基准电压8脚才有输出，UC3842才能正常工作。第6脚才有脉冲输出。一旦正常工作后，VCC电压小于+16V也能正常工作，我们称+16V为启动电压。如果VCC小于+l0V时，又会出现欠压保护，这时比较器输出低电位，8脚没有输出，所以第6脚也没有脉冲输出，电源就不能正常工作。所以UC3842第7脚VCC正常工作供电应该是：首先要供给大于16V电压才能启动（启动电流约为lmA）；启动后，正常工作电压为+l0V+36V。在实际工作中，一般都采用+11v+15V。8脚为基准电压输出端，内部基准电压VREF=0.5V，输入电压VIN30V，输出电压VO则取决于高频变压器的变压比。它也是受一个滞后比较器控制。滞后比较器的“-”输入端，接有基准电压+3.6V，当8脚电压大于+3.6