|
作者：北京金菩嘉醫療科技有限公司 幸坤濤 日期：2009-9-2 便攜式B超系統內部使用的電源比較復雜，外部適配器和電池的電源必須經過DC/DC轉換，以轉換成系統需要的電壓。為了降低電源上的無用消耗，提高電池使用效率，系統主板、B超控制板、液晶顯示器以及鍵盤的電源采用開關電源供電。 便攜B超電源的整體設計 圖1為便攜B超電源的整體設計方框圖。便攜B超電源輸入電壓有兩種：一是電源適配器輸入，電壓為18V，二是電池輸入，電壓為14.4V。要求實現兩種電壓之間的熱切換，并在切換電壓時不影響系統工作，即提供外電和電池供電無延時熱切換功能。需要輸出±12V、5V、 3.3V、±48V等幾種電壓，具體指標為12V/2.5A、-12V/0.5A、5V/4A、3.3V/3A、+48V/80mA、-48V /80mA。具有單鍵開關機功能，即無電時，按電源鍵打開電源；在有電時，按電源鍵向控制面板發送關機信號，上位機還可以通過軟件關機（即支持ATX關機指令）。電源輸出接口采用標準計算機ATX接口。 
圖1 便攜B超電源整體設計方框圖 電源切換電路的設計 便攜B超電源切換電路如圖2所示，在外接電源適配器時，電壓輸入交流18V，經VD100、VD101二極管后，再經 R100、R107分壓加到N100A（LM193）電壓比較器的3腳（同相端）。電池輸入電壓是14.4V，經R101、R108分壓后加到 N100A（LM193）電壓比較器2腳（反相端）。由于3腳電壓高于2腳，因此N100A（LM193）1腳輸出高電平，使三極管V100導通，V101截至，場效應管V105截至，POWER_IN+端得到的是外接電源適配器的18V電壓。當沒有外接電源適配器時，或便攜B超機在使用過程中，外部交流電突然停電造成無法使用外接電源適配器時， N100A（LM193）的3腳電壓低于2腳，N100A（LM193）1腳輸出低電平，使三極管V100截至，V101導通，場效應管V105導通。電池電壓經過導通的場效應管V105的源、漏極，POWER_IN+端得到的是電池的14.4V電壓，實現了兩種電壓之間的熱切換。VD102、VD103 在電路中起隔離作用，隔離外接電源適配器和電池供電。
圖2 電源切換電路 單鍵觸摸開關機電路的設計 便攜B超單鍵觸摸開關機電路如圖3所示，由外接適配器或電池來的POWER_IN+電壓，一路送到場效應管 Q100，準備開機，另一路經R104、VD104送到輕觸按鈕POWER-KEY2的一端。輕觸按鈕POWER-KEY2的另一端是接地的，當按下輕觸按鈕POWER-KEY2時，三極管N106的基極被鉗位在低電平，N106導通，進而N102也導通，場效應管Q100導通，由外接適配器或電池來的 POWER_IN+電壓經過導通的Q100的源、漏極，獲得POWER+電壓，給高、低壓電路供電，機器開機。在開機的同時，POWER+電壓經過6V的穩壓二極管使三極管N104導通，N104集電極為低電平，維持N106導通，保持開機狀態。
圖3 單鍵觸摸開關機電路 當便攜B超機在開機狀態中，再一次按下按鈕POWER-KEY2時，光耦B101導通，光耦次級導通，反向器D101的4腳輸出低電平到控制面板，控制面板發出低電平關機指令POWER-OFF1，使光耦B100導通，進而使三極管N103導通，N104截至，N104集電極的高電平使 N106截至，導致場效應管Q100截至，實現了關機。 當上位機發出高電平的關機指令POWER-OFF時，也將使光耦B100導通，余下的過程和控制面板關機過程一樣。 低壓電源電路的設計 便攜B超低壓電源電路如圖4所示，主要有6個TI公司的TPS5430和1個美國國家半導體公司的LM2576組成。6 個TPS5430提供2組+12V、+5V、+3.3V的電壓，其中一組給便攜B超機的主控板供電，另外一組用于給便攜B超中的電腦供電。這兩組是完全一樣的，因此，我們只給出了其中一組的供電原理圖。LM2576負責產生-12V電壓給便攜B超中的電腦。
圖4 低壓電源電路 TPS5430有5.5～36V的寬電壓輸入范圍，連續的3A的電流輸出能力（峰值達4A），轉換效率達95%。8引腳小型貼片封裝，芯片背部是金屬散熱片，使用的時候一定要焊接到地，做PCB封裝的時候將散熱片當成第9腳。不需要再接散熱裝置，利用電路板本身散熱就可以取得很好的效果，特別適合便攜產品的設計使用。TPS5430的1腳是BOOT端，需要在BOOT和8腳PH間接0.01μF的低ESR電容。2、3腳是空端，4腳 VSENSE是調整器的反饋電壓端，接輸出電壓的分壓電阻端，來取得輸出電壓的反饋。5腳ENA是電源ON/OFF控制端，當此腳電壓低于0.5V以下時，本芯片將關閉電源轉換，供電電流減少到18μA，懸空的時候使能，芯片正常工作，我們沒有對此腳控制，因此懸空沒接。6腳接地，7腳VIN是電源供電端，接POWER+。在電源供電和地間接一個高質量、低ESR的陶瓷電容。8腳PH是內部功率場效應管的源極，外部連接續流二極管和電感。第9腳 PowerPad端是芯片背部散熱金屬片，必須連接到地（GND）上。 TPS5430的輸出電壓值是由其4腳的分壓電壓值決定的，輸出電壓Vout=（1.221+（R1×1.221）/R2）V。其中，R1 是分壓上電阻，R2是分壓下電阻。對于TPS5430的設計，R1可以取10kΩ，R2則能根據要獲得的輸出電壓來計算。根據圖4給出的 R206(1.11K)、R208(3.07K)、R210(5.36K)，我們可以計算出輸出電壓分別是12.2V、5.2V、3.5V，比設計值略高 0.2V，負載比較重，帶載的時候電壓正好合適。 N208(LM2576-12)是美國國家半導體的產品，1腳是電源供電端，接POWER+；2腳是輸出端，外接續流二極管和電感；3腳是接地端，5腳是電源ON/OFF控制端，由于要輸出負電壓，因此3、5腳沒有接地而是接-12V電源上了；4腳是電壓反饋端，我們使用固定12V輸出的 LM2576-12，故4腳接地，不需要接反饋電阻分壓。 高壓電源電路的設計 便攜B超高壓電源電路如圖5所示，使用DC/DC變換器。UA3843是專門用于DC/DC變換器應用的高性能、固定頻率、電流模式控制器，為設計者提供使用最少外部元件的高性價比的解決方案。其分PWM控制、周波電流限制、電壓控制等幾部分。
圖5 ±48V電源電路 1 PWM控制 POWER+經過電阻R34為N1(UA3843)的7腳提供電壓，N1的4腳外接R36、C33與內部電路形成的鋸齒波振蕩器開始工作。PWM脈沖由N1的6腳輸出，控制MOSFET V9的導通時間，決定輸出電壓的高低。R37用于抑制寄生振蕩，通常串聯在靠近MOSFET柵極處。柵極電阻R37不能太大，它直接影響PWM驅動信號對 MOSFET輸入電容的充放電，即影響MOSFET的開關速度。開關變壓器的次級第9、10腳輸出的感應電動勢經VD14整流，C35、L7、C36濾波，形成+48V直流輸出電壓為B超探頭供電。開關變壓器的次級第7、6腳輸出的感應電動勢經VD13整流、C39、L8、C37濾波，形成-48V直流輸出電壓為B超探頭供電。VD12、C34、R38組成尖峰脈沖吸收電路，用于在開關管從導通轉為截止的瞬間抑制V9的漏極所產生的幅值極高的尖峰脈沖。其原理是：在V9截止的瞬間，其漏極產生的尖峰脈沖經VD12、C34構成充電回路，充電電流將尖峰脈沖抑制在一定的范圍內，避免了V9被尖峰脈沖擊穿。當C34充電結束后，C34通過R38放電，為下個周期再次吸收尖峰脈沖作準備 2 周波電流限制 2腳FEED BACK是反饋電壓輸入端，此腳與內部誤差放大器同相輸入端的基準電壓(一般為+2.5V)進行比較，產生控制電壓，控制脈沖的寬度，本電路將其接地，由內部誤差放大器的輸出端1腳進行控制。3腳的周波電流限制信號決定了PWM脈沖的寬度，即決定了輸出電壓的高低。N1(UA3843)3腳外接的R47、 R48、R14、C32組成周波電流限制電路，在每一個振蕩周期中，當開關電源脈沖變壓器L6初級的3～5繞組電感電流峰值達到設定值時就關閉PWM脈沖，設定值由N1(UA3843)的1腳COMP端電壓決定（1腳COMP是內部誤差放大器的輸出端），通常此腳與2腳之間接有反饋網絡，以確定誤差放大器的增益和頻響。周波電流限制控制過程如下：開關管導通，電感電流上升，取樣電壓V3上升，當3腳電壓大于1V時，內部電流檢測比較器翻轉，內部PWM鎖存器復位，關閉PWM脈沖，準備進入下周期。為消除電流限制電路尖波脈沖干擾，由R14、C32組成尖波濾波電路，以確保周波電流限制功能在每一個振蕩周期中都有效。R47、R48為限流取樣電阻，決定了整個開關變換器的最大輸出電流值，改變其阻值可以調整最大輸出電流。 3 電壓控制 N1(UA3843)是電流型脈寬調制器，有兩個閉環控制。電流取樣信號送到電流檢測比較器同相輸入端3腳，構成電流閉環控制,誤差電壓送到內部誤差放大器的輸出端1腳，其輸出送到電流檢測比較器反相輸入端作為比較基準，構成電壓閉環控制。由此看出，電壓閉環與電流閉環是相互作用的，兩者最后都通過電流檢測比較器來控制PWM鎖存器，即控制PWM脈沖的寬度。電壓閉環控制電路由電壓基準N2(TL431A)、光電耦合器 B4(TLP521)及電阻R31、VR7、R12、R32等元件組成。光電耦合器B4(TLP521)輸出的電流信號轉化成電壓信號，送到內部誤差放大器的輸出端1腳。N2(TL431A)誤差放大器內部比較基準為2.5V。電壓閉環穩壓控制過程是：輸出電壓上升，TL431A基準端VR上升，TL431導通上升，光電耦合器B4(TLP521)導通上升，1腳電壓下降，內部電流檢測比較器翻轉提前，內部PWM鎖存器復位提前，PWM脈沖變窄，輸出電壓變低，從而穩定了輸出電壓。高壓輸出電壓值VOUT=(1+R31/(R12+VR7))Vref，通過調節電位器VR7的值，可以使輸出調整在±48V，調節范圍是31×2.5=77.5V～（1+15）×2.5=32V。 結語 本文介紹了便攜式B超電源的設計，包括電源切換電路的設計、單鍵觸摸開關機電路的設計、低壓電源電路的設計及高壓電源電路的設計。在我們的便攜設備中很好的完成了設計指標的要求，可以應用到其他便攜設備中。 |
