包爾恒,何 玲,高 軍,周小義

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化工程系,廣州 510925;2.深圳麥格米特電氣股份有限公司,廣東 深圳 518057)

一種基于頻率同步的低噪聲電源適配器設(shè)計(jì)*

包爾恒1*,何 玲1,高 軍2,周小義2

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化工程系,廣州 510925;2.深圳麥格米特電氣股份有限公司,廣東 深圳 518057)

針對電源適配器高頻開關(guān)信號的噪聲干擾對某些精密儀器性能(如B超機(jī)顯示清晰度)的影響問題,提出通過適配器開關(guān)頻率和系統(tǒng)設(shè)備工作頻率同步方式解決噪聲干擾的設(shè)計(jì)思路。以便攜式B超機(jī)電源適配器設(shè)計(jì)實(shí)踐為例,介紹了同步電路的設(shè)計(jì)方法、功率電路拓?fù)浜洼o助電源方案。同步功能通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用該方案的電源適配器已成功應(yīng)用于某全球知名B超機(jī)產(chǎn)品。

噪聲干擾;頻率同步;B超機(jī);不對稱半橋

精密儀器通常采用電源適配器供電,適配器的高頻開關(guān)噪聲對儀器性能的影響一直倍受關(guān)注,尤其是B超機(jī)類影像設(shè)備,來自電源適配器的高頻開關(guān)信號對其顯示清晰度的影響是該類設(shè)備制造商關(guān)注的關(guān)鍵問題[1];由于開關(guān)電源對系統(tǒng)設(shè)備的干擾信號頻率通常是開關(guān)頻率或其諧波頻率,基于通信理論頻率同步機(jī)理[2],若開關(guān)電源開關(guān)頻率和系統(tǒng)工作頻率相同或者為系統(tǒng)工作頻率的整數(shù)倍分頻,則從根源上可以解決相互的干擾?；谏鲜鏊悸?本文提出一種通過兩者頻率同步解決干擾問題的設(shè)計(jì)方案,以便攜式B超機(jī)適配器設(shè)計(jì)實(shí)踐為例,詳細(xì)分析了同步電路設(shè)計(jì)方法并介紹了電源拓?fù)溥x擇和輔助電源方案,經(jīng)驗(yàn)證取得良好效果并成功應(yīng)用于某全球知名B超機(jī)產(chǎn)品。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 頻率同步的設(shè)計(jì)思路及分頻電路

本文以某便攜式B超機(jī)電源適配器設(shè)計(jì)實(shí)踐為例,其規(guī)格要求:通用輸入85 V～264 V AC;輸出150 W/24 V;運(yùn)行環(huán)境溫度10 ℃～50 ℃;殼溫不超過71 ℃;具有頻率同步功能(B超系統(tǒng)工作頻率450 kHz～500 kHz)[3]。

將B超系統(tǒng)的實(shí)時工作頻率信號通過兩者的連接電纜引入適配器內(nèi)部,由于B超系統(tǒng)常規(guī)的工作頻率為450 kHz～500 kHz左右[4-5],對開關(guān)電源來說,從開關(guān)器件的開關(guān)速度和開關(guān)損耗考慮,該頻率作為開關(guān)頻率就會太高。本文的處理方案是將來自B超系統(tǒng)的頻率信號進(jìn)行分頻,通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì),使開關(guān)頻率和分頻后的頻率相同,當(dāng)B超系統(tǒng)的工作頻率實(shí)時變化時,開關(guān)頻率跟隨變化且始終保持為系統(tǒng)頻率的分頻頻率,以消除或降低相互的干擾。設(shè)計(jì)要求上要做到未連接系統(tǒng)時適配器以自身設(shè)置的開關(guān)頻率工作,一旦接入系統(tǒng),則開關(guān)頻率跟隨系統(tǒng)頻率,基本原理如圖1所示。

圖2為實(shí)際設(shè)計(jì)的分頻電路,以12位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器CD4040[6]作為分頻器,根據(jù)其原理,管腳6為Q3,即23=8分頻信號,管腳7為Q2即22=4分頻信號,來自B超系統(tǒng)的工作頻率信號SYNC經(jīng)分頻器CD4040分頻后,通過雙通道高速光耦HCPL2630[7]隔離后送至適配器原邊作為PFC(功率因數(shù)校正,Power Factor Correction)和DC-DC變換的頻率同步信號SYNC1和SYNC2。

圖1 頻率同步設(shè)計(jì)思路

圖2 分頻電路

1.2 功率因數(shù)校正(PFC)及同步電路設(shè)計(jì)

PFC主電路采用常規(guī)Boost電路(圖3),考慮到二極管反向恢復(fù)電流造成開關(guān)損耗和EMI問題[8],這里采用反向恢復(fù)電流極小的3 A/600 V碳化硅二極管;考慮和系統(tǒng)頻率的同步,控制芯片采用具有同步功能引腳(SYNC)的PFC專用控制芯片L4981A[9-10],PFC開關(guān)頻率采用B超系統(tǒng)工作頻率的8分頻頻率,即:(450 kHz～500 kHz)/8=56.25 kHz～62.5 kHz。同步要求SYNC腳的信號頻率必須高于芯片外圍參數(shù)設(shè)置的振蕩頻率,所以無同步時開關(guān)頻率設(shè)置為50 kHz,取Rt=39 kΩ,Ct=1 nF,實(shí)測設(shè)置的固有頻率為49 kHz。具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 交流輸入及PFC主電路

圖4 PFC控制芯片及同步電路

1.3 DC-DC變換及同步電路設(shè)計(jì)

1.3.1 DC-DC變換拓?fù)溥x擇及控制方案

由于要求開關(guān)頻率跟隨實(shí)時變化的B超系統(tǒng)工作頻率,DC-DC變換拓?fù)渲荒懿捎妹}寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)調(diào)制而不能選擇脈沖頻率調(diào)制PFM(Pulse Frequency Modulation)調(diào)制模式,比如目前常用的LLC諧振拓?fù)湓诖瞬贿m用,因?yàn)槠漕l率隨著負(fù)載和輸入輸出變化而不受外來頻率的控制;另外,由于對適配器殼溫的限制(該適配器要求環(huán)境溫度50 ℃且低壓輸入滿載工作時殼溫不超過71 ℃),故所選拓?fù)鋺?yīng)具有高效率的特點(diǎn),從功率等級和成本等綜合考慮,選擇具有ZVS軟開關(guān)特性的不對稱半橋作為DCDC變換的拓?fù)鋄11-12](見圖5)。從不對稱半橋電路偏磁引起變壓器飽和角度考慮[13-14],占空比不能大于50%,這里選用UC3845[15]配合半橋?qū)Ｓ抿?qū)動芯片L6384[16]作為控制及驅(qū)動方案(見圖6)。

圖5 不對稱半橋DC-DC變換拓?fù)?/p>

圖6 DC-DC變換方案

圖7 UC3845同步控制電路

1.3.2 UC3845同步電路設(shè)計(jì)

UC3845沒有專門的頻率同步功能引腳,但通過恰當(dāng)?shù)耐鈬娐?圖7)可以實(shí)現(xiàn)同步功能,方法是電容C6(CT)不直接接地,而是同過一個小電阻接地,當(dāng)有外部同步脈沖信號輸入時,電阻上的壓降負(fù)責(zé)將4腳C6電壓在同步脈沖出現(xiàn)時刻提升至高于振蕩器的內(nèi)部上門限值,引發(fā)C6電容在該時刻放電(放電斜率不變),達(dá)到振蕩頻率和同步脈沖頻率一致,具體原理見圖8。由于UC3845具有一個由振蕩器驅(qū)動的內(nèi)部二分頻觸發(fā)器以控制最大占空比小于50%,因此必須將其振蕩器的運(yùn)行頻率設(shè)定為期望的電源開關(guān)頻率的兩倍[13],這里以系統(tǒng)頻率的4分頻信號作為其同步信號,即:(450 kHz～500 kHz)/4=112.5 kHz～125 kHz,則同步后對應(yīng)的開關(guān)頻率為56.25 kHz～62.5 kHz。根據(jù)上述同步原理,UC3845固有的振蕩頻率必須低于同步信號頻率才能完成同步,所以將固有的振蕩頻率設(shè)置為低于100 kHz,這里設(shè)置為約90 kHz,取RT、CT(R18、C6)分別為8.6 kΩ和2 200 pF,具體的同步電路及參數(shù)如圖6。同步電路設(shè)計(jì)需注意:(1)電路參數(shù)設(shè)計(jì)要確保同步信號脈沖具有一定的幅值,使得在VCT三角波的任何時刻疊加同步脈沖后都能達(dá)到振蕩器內(nèi)部上門限值才能確保同步的實(shí)現(xiàn);(2)電容CT(C6)的值不能小于1 000 pF以免該腳受噪聲干擾。

圖8 UC3845同步控制原理

圖9 輔助電源

1.4 輔助電源方案

考慮和系統(tǒng)頻率的同步,輔助電源不能采用常規(guī)反激變換器,否則需增加和輔助電源開關(guān)頻率同步的電路導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜化,原邊輔助電源方案如圖9所示。將輸入整流橋后直流電壓Vdc引入,經(jīng)恒壓源方式提供VCC1供電源啟動,啟動后輔助電源由PFC電感副繞組電壓經(jīng)倍壓整流和線性穩(wěn)壓后提供,當(dāng)V1電壓達(dá)到一定值后關(guān)閉恒壓源。

副邊輔助電源方案如DC-DC主電路(圖5)所示,采用從輸出濾波電感L2副繞組取電,經(jīng)78L05穩(wěn)壓為5 V,主要為副邊的分頻器等控制電路提供工作電源。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測試采用從單片機(jī)發(fā)出450 kHz～500 kHz的同步信號(模擬連接B超系統(tǒng)時來自系統(tǒng)的工作頻率)送入適配器的方法進(jìn)行,測試波形如圖10、圖11所示。CH1:PFC開關(guān)管驅(qū)動波形;CH2:DCDC開關(guān)管下管驅(qū)動波形;CH3:分頻后經(jīng)隔離光耦送到原邊的同步信號波形SYNC2(取4分頻信號測試);CH4:模擬B超系統(tǒng)的工作頻率脈沖(492 kHz下測試)。

圖10 無同步信號時PFC和DC-DC開關(guān)管驅(qū)動波形

圖11 同步信號及開關(guān)管驅(qū)動波形

從測試波形可以看出,無同步信號時PFC和DCDC按照各自設(shè)置的開關(guān)頻率工作,分別為49 kHz和45.4 kHz;當(dāng)接入同步信號后(492 kHz),PFC和DCDC都以同步信號的8分頻頻率工作(61.5 kHz)。當(dāng)同步信號設(shè)置為450 kHz～500 kHz頻段其他頻率時,實(shí)驗(yàn)測試同樣具有同步功能,這里從略。

另外,由于采用軟開關(guān)方案,適配器具有較高的變換效率(額定態(tài)為90.2%),所以殼溫滿足要求;適配器用于某全球知名便攜式B超機(jī),其顯示清晰度明顯改善(無同步和同步對比測試)。

3 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)的具有同步功能的電源適配器可解決電源適配器對某些精密儀器的噪聲干擾問題,適配器開關(guān)頻率和外頻率的同步功能通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,已成功應(yīng)用于某全球知名便攜式B超機(jī)系統(tǒng),設(shè)計(jì)思路對噪聲干擾敏感型儀器的電源適配器設(shè)計(jì)具有參考借鑒價值。

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ALowNoisePowerAdapterDesignwithFrequencySynchronization*

BAOErheng1*,HELing1,GAOJun2,ZHOUXiaoyi2

(1.Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering,Guangzhou 510925,China;2.Shenzhen MEGMEET Electrical Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong 518057,China)

Based on the problem that noise interference from high-frequency switching signal of power adapter affects the performance of some precision instruments such as B ultrasound machine display clarity,a design idea of frequency synchronization between the adapter switching frequency and system operating frequency is presented. By portable B ultrasonic machine power adapter design as an example,the design method of synchronizing circuit and design schemes of power circuit topology and auxiliary power are introduced. By test,the power adapter has the frequency synchronization function and has been successfully applied to the world-famous B ultrasound machine products.

noise interference;frequency synchronization;Bultrasonic machine;asymmetrical half-bridge

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.015

項(xiàng)目來源:廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院“一流高職”科學(xué)研究和社會服務(wù)能力建設(shè)項(xiàng)目(cy060402y02)

2016-10-26修改日期2016-12-07

TM46

A

1005-9490(2017)05-1126-04

包爾恒(1971-),男,漢族,甘肅定西人,碩士,高級工程師,研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞餮b置,beh880825@126.com。