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。
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。
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。
+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
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
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).