五邑中醫(yī)院設(shè)備科　彭小斌

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一種常見的電源系統(tǒng)原理分析

五邑中醫(yī)院設(shè)備科彭小斌

本文根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備電源系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)和思路，對常見電源系統(tǒng)包含的幾個重要組成模塊：電源連接板、PFC板、+5V板、-5V板、PHV板進(jìn)行原理分析。

電源系統(tǒng)；組成模塊；原理分析

常見的電源系統(tǒng)包括連接板、PFC板、+5V板、-5V板、PHV板、輔助輸出轉(zhuǎn)接板、LED板、風(fēng)扇轉(zhuǎn)接板、電源母板和電源輸出監(jiān)控板共10塊板卡。

在此電源系統(tǒng)中，AC網(wǎng)電源經(jīng)過斷路器后進(jìn)入連接板，再經(jīng)過隔離變壓器后轉(zhuǎn)化為隔離的兩部分輸出。經(jīng)過濾波后，一組作為AC輔助輸出供給顯示器和打印機(jī)等外設(shè)，另一組經(jīng)由電源母板后作為PFC板的輸入電源。該電源進(jìn)入到PFC板后，通過BOOST PFC變換為穩(wěn)恒的約390V高壓直流輸出，再提供給后級的+5V板和-5V板，得到+5V、+3.3V、-5V、12V和-12V共5組輸出。其中，12V作為PHV板的輸入電源，經(jīng)過PHV板內(nèi)部的FLYBACK變換器后得到±100V兩組電壓，通過BOOST變換器和BUCK-BOOST變化起后得到4組程控電壓。電源系統(tǒng)的各組輸出經(jīng)由電源母板后連接至電源輸出監(jiān)控板進(jìn)行濾波和監(jiān)控，尤其是對程控電壓的監(jiān)控后輸出到主機(jī)系統(tǒng)，為相關(guān)硬件電路供電。同時，各組輸出還通過電源母板，經(jīng)由風(fēng)扇轉(zhuǎn)接板后連接至LED板，由LED板對各組輸出的狀態(tài)給以直觀指示。下面，針對電源連接板、PFC板、+5V板、-5V板、PHV板這5個較為復(fù)雜的模塊進(jìn)行原理上的深入分析。

1.連接板原理

連接板的原理框圖如圖1所示。

圖1　連接板原理框圖

如圖1所示，電網(wǎng)電源輸入經(jīng)過斷路器后進(jìn)入連接板，經(jīng)過浪涌電流抑制電路后到達(dá)隔離變壓器，由隔離變壓器輸出兩組與網(wǎng)電源隔離的交流輸出。這兩組輸出經(jīng)過一級或多級EMI濾波器后，一組給PFC板供電，另一組通過繼電器控制后給顯示器、打印機(jī)等外設(shè)供電。電網(wǎng)電源的高、低電壓的選擇通過變壓器轉(zhuǎn)接線來實現(xiàn)。系統(tǒng)正常開機(jī)后，由PFC板給出繼電器閉合控制信號，旁路掉抑制浪涌電流的熱敏電阻，同時接通AC輔助輸出。

2.PFC板原理

PFC板主要由APFC功率電路、STANDBY電源、軟開關(guān)機(jī)控制電路、LED指示電路及保護(hù)電路構(gòu)成。其原理框圖如圖2所示。

如圖2所示，AC輸入電源經(jīng)過EMI濾波電路，通過整流橋到達(dá)BOOST APFC功率電路，在APFC控制電路下，完成對輸入電源的APFC功能，同時輸出穩(wěn)恒的+390V直流輸出至后一級的+5V板和-5V板。APFC控制電路由STANDBY電源供電。STANDBY電源采用的是單端FLYBACK變換器結(jié)構(gòu)，除了提供給APFC控制電路的+18V供電電源VCC外，還輸出一隔離的+5V輸出電壓5B給軟開關(guān)機(jī)控制電路和LED控制電路。

圖2　　PFC板原理框圖

PFC板除了具有自身的OVP、OTP等保護(hù)電路和時序控制電路外，還接受來自+5V板的失效保護(hù)信號PF、軟關(guān)機(jī)信號POFF和關(guān)機(jī)使能信號ENA，從而達(dá)到整個電源系統(tǒng)安全關(guān)閉的目的。

PFC板兩個核心芯片PFC控制器和PWM控制器采用的分別是TI公司的UC3854和38HC43，具有較高的可靠性。

3.+5V板原理

+5V板采用的是單端正激式有源箝位變換結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，DC輸入電壓經(jīng)過一LC濾波器送至變壓器，并通過PWM控制轉(zhuǎn)換為方波電壓，該方波電壓經(jīng)過整流濾波后輸出穩(wěn)定的+5V直流電壓。PWM控制器對于占空比的調(diào)節(jié)是通過反饋網(wǎng)絡(luò)的誤差放大信號，并經(jīng)光耦傳輸來達(dá)到。另外一路+3.3V由+ 5V經(jīng)過BUCK變換輸出，該BUCK變換部分的控制IC為LINEAR的LTC1629EG。PWM控制芯片U9為TI公司的UCC2894，開關(guān)管采用的是TOSHIBA公司的2KS2611。

圖3　　+5V板原理框圖

4.-5V板原理

如圖4所示，-5V板采用的是單端正激變換器電路結(jié)構(gòu)，其原理框圖如圖9所示。390Vdc輸入由+5V板經(jīng)連接器進(jìn)入電源板，經(jīng)過LC濾波電路后作為FORWARD變換器的輸入。該直流電壓在經(jīng)過一單端Forward變換器后得到+12V、-5V、-12V三路穩(wěn)恒直流輸出，其中+12V為變換器的主反饋輸出，其余兩組為輔助輸出，且采用的是磁性放大器調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式。

圖4-5　V板原理框圖

5.PHV板原理

如圖5所示，12V輸入電壓進(jìn)入PHV后，通過FLYBACK變換器產(chǎn)生兩組正負(fù)高壓，通過BOOST變換器和BUCK-BOOST變換器分別產(chǎn)生PHV1、PHV3和PHV2、PHV4四路程控電壓。

其中，F(xiàn)LYBACK變換器的控制芯片采用常用的是ONSEMI公司的UC3843，主開關(guān)管用IR的IRF3710，主要參數(shù)為100V/60A。BOOST變換器的控制芯片采用的是ONSEMI公司的TL594，開關(guān)管用IR的IRF52N15DPBF，其主要參數(shù)為150V/60A；BUCK-BOOST變換器的控制芯片采用的是MAXIM公司的MAX1847，開關(guān)管用IR的IRF6215PBF，其主要參數(shù)為150V/13A。PHV1～PHV4的輸出電壓值與程控控制電壓的大小呈線性關(guān)系，當(dāng)控制電壓在0～4V范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的絕對值應(yīng)分別對應(yīng)在5～80V范圍內(nèi)變化。

圖5　　PHV板原理框圖

［1］甘學(xué)溫，趙寶瑛，等.集成電路原理與設(shè)計［M］.北京大學(xué)出版社，2006.

［2］黃智偉，等.電子系統(tǒng)的電源電路設(shè)計［M］.電子工業(yè)出版社，2014（5）.