1 引言
輔助電源作為醫(yī)用x光機電源的一部分．雖然不是核心部件,，但它就如同人的左右手一樣．起著至關(guān)重要的作用,，其性能指標直接對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。在設(shè)計過程中一般采用的方法有二種：一種是工頻變壓器加濾波穩(wěn)壓電路．在本系統(tǒng)設(shè)計中,，由于要給燈絲提供電源,，其功率近百瓦。顯然,，這種方法在效率,、體積、重量方面都不能滿足要求,；另一種是PWM調(diào)制器加功率MOSFET,，這種方法還需要大約40～80個外圍分立元件，來提高其穩(wěn)定性和安全性,，這不但增加了成本和體積,，還使可靠性受到了影響。因此,，選用TOPSwitch—GX系列開關(guān)電路成為最佳選擇,。
2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1示出TOPSwitch—GX系列電路的內(nèi)部原理框圖。由圖1可知．該電路主要由以下幾部分組成：
1)控制電壓源,，控制電壓UC向并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動級提供偏置電壓,，控制電流，IC調(diào)節(jié)占空比,；
2)帶隙基準電壓源,，所有臨界的TOPSwitch內(nèi)部電壓都由一個溫度補償?shù)膸秴⒖蓟鶞实贸觥Ｔ搮⒖蓟鶞室伯a(chǎn)生一個溫度補償?shù)碾娏髟?，它被微調(diào)在精確設(shè)置的振蕩頻率和調(diào)節(jié)MOSFET柵極的驅(qū)動電流：
3)振蕩器,，用于產(chǎn)生脈寬調(diào)制器所需要的鋸齒波,、時鐘信號及最大占空比信號：
4)并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器，誤差放大器將反饋電壓與5．7V基準電壓進行比較,，輸出誤差電流IFB,，在RE上形成誤差電壓；
5)脈寬調(diào)制器．脈沖寬度調(diào)制器提供電壓型控制環(huán),，以驅(qū)動輸出級MOSFET，其占空比與流入控制腳的電流成反比例,。該腳在RE二端產(chǎn)生一個電壓誤差信號,，經(jīng)RC濾波后．與內(nèi)部振蕩器鋸齒波相比較，產(chǎn)生一定占空比的波形,；
6)門驅(qū)動級和輸出級,，門驅(qū)動級用于驅(qū)動功率開關(guān)管，使之按一定速率導通,。MOSFET管的漏一源擊穿電壓大于700 V,；
7)過流保護電路，過流比較器的反向輸入端接閾值電壓Ulimit,同相輸入端接MOSFET的漏極,；
8)具有滯后特性的過熱保護電路,，當芯片結(jié)溫大于135℃時，過熱保護電路將關(guān)斷輸出級,；當芯片結(jié)溫低于70℃時．電路恢復正常工作,，即具有滯后特性；
9)關(guān)斷／自動重啟動電路,，一旦調(diào)節(jié)失控,，將立即使電路在低占空比下工作，倘若故障被排除,，則自動重新啟動電源,，恢復正常工作；
1 0)高壓電流源,，在啟動或滯后調(diào)節(jié)模式下,，高壓電流源經(jīng)過電子開關(guān)S給內(nèi)部電路提供偏置，電源正常工作時．電子開關(guān)S改接內(nèi)部電源．將高壓電流源關(guān)斷,；
11)軟啟動,，軟啟動時間為10ms．以減輕啟動時元器件的負荷；
1 2)輸入過壓,、欠壓檢測及保護電路,，通過外接電阻器設(shè)定過壓、欠壓的保護電壓．并且可以在電源關(guān)斷時防止自動重啟動脈沖的干擾,；
13)輕載時自動降低開關(guān)頻率,，開關(guān)頻率及占空比能隨輸出端負載的降低而自動減小,，保證其在輕載時仍具有很好的調(diào)節(jié)特性；
14)停止邏輯和開啟電壓為1 V的電壓比較器,，通過改變線路檢測端流入或流出電流的大小及方向來控制開關(guān)電源的通,、斷狀態(tài)。線路檢測端內(nèi)部還增加了開啟電壓為l V的電壓比較器,，此開啟電壓可用于遠程通斷控制,。
3 TOPSwitch—GX輔助電源設(shè)計
3．1 對輔助電源的要求
圖2示出醫(yī)用牙科X光機高壓電源原理框圖。交流市電經(jīng),。EMI濾波,、整流、功率因數(shù)校正后,，通過串聯(lián)開關(guān)調(diào)整將電壓穩(wěn)定到直流160 V,，一方面減少了市電波動對輸出電壓的影響，提高了輸出高壓的穩(wěn)定度,；另一方面降低了后級開關(guān)管上的電壓應(yīng)力．并且多加一級過流,、過壓保護，提高了系統(tǒng)的安全性,。160 V的直流電源再經(jīng)全橋逆變,、變壓器升壓和整流倍壓后輸出60 kV一70 kV的高壓給X射線管供電。其中用單片機實現(xiàn)良好的人機接口,，并通過對SG1525的開啟關(guān)斷來精確控制底片的曝光時間,，同時對燈絲進行恒流控制，實現(xiàn)不同的光劑量,。
輔助電源作為系統(tǒng)的重要組成部分,，共提供5路輸出，其中2路分別給2個SGl525及其外圍電路作為工作電源,；l路送風扇,；1路送單片機系統(tǒng)部分，1路給燈絲提供電源,。由于該系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)院牙科,，檢查病人牙齒的病變，故對
電源性能提出了較高的要求：首先要求輸出高壓要穩(wěn)定．發(fā)射X射線的劑量要適當,，其次是要安全,。輔助電源須滿足以下要求：
1)輸出功率要超過100 W，以滿足各部分對輔助電源功率的要求：
2)使用電壓范圍要寬,，保證電壓大范圍波動時不會導致系統(tǒng)失效：
3)輸出電壓穩(wěn)定度要高,，比如燈絲．其電壓的波動直接影響到X光劑量的多少；再如單片機,，電壓的波動導致其程序跑飛,，造成的后果將不堪設(shè)想：
4)體積要小,，這樣有利于減小設(shè)備體積．提高用戶操作的靈活性。
3．2 計算機輔助設(shè)計
由于電源設(shè)計涉及的知識面較廣,，不僅要掌握TOPSwtieh系列單片開關(guān)電源的工作原理．還必須了解有關(guān)半導體器件,、模擬電路與數(shù)字電路、電磁特性,、電磁兼容性,、熱力學等方面的知識。傳統(tǒng)設(shè)計方法全部靠人工來完成,，步驟繁瑣,、工作量大、效率低,。本設(shè)計采用PI公司提供的輔助設(shè)計工具Pl—Expert軟件，極大地減少了工作量．縮短了開發(fā)時間,，并可實現(xiàn)多方面的優(yōu)化設(shè)計,。圖3示出應(yīng)用PI—Expert輔助設(shè)計時軟件輸出的電路形式。該軟件根據(jù)用戶給定的輸入?yún)?shù),、輸出參數(shù),、優(yōu)化方式、器件系列等相關(guān)信息,，通過計算給出器件變量電源部分元件選擇,、電源輸出參數(shù)、變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)和次級參數(shù)等信息,。本設(shè)計性能指標如下：
輸人參數(shù)：輸入電壓為85 VAC一265 VAC,；電源頻率為50 Hz；整流二極管導通時間為2．45 ms,；損耗分配因數(shù)為O．46,；效率為0．73。
輸出參數(shù)：輸出電壓和電流為12 V／5 A,、12V/1A,，12 V／1 A，12 V／1 A和7．5 V／2 A：反饋繞組電壓和電流為12 V／0．006 A,。
工作方式：反激式,。
器件：TOPSwiteh—GX，Y系列,，132 kHz,。
優(yōu)化方式：最低成本。
3．3 變壓器設(shè)計
由于變壓器在電路中兼有儲能,、限流和隔離作用．還要流過電流直流成分,，因而是整個設(shè)計中的難點和關(guān)鍵,。
3．3．1 變壓器的設(shè)計原則
當電路主拓撲結(jié)構(gòu)、工作頻率和磁芯尺寸確定后．變壓器的功率P與磁感應(yīng)強度B和電流密度成正比．即PocBJ當變壓器尺寸一定時,，B和J選得高一些,，則某一給定的磁芯可以輸出更大的功率．這樣可以使變壓器體積減小，重量減輕,。但是B和J的提高受各項電性能技術(shù)要求的制約,。若B過大．激磁電流過大，會造成波形畸變嚴重,，影響電路安全工作并導致輸出紋波增加,。若J增大，則銅損增大．溫升將會超過規(guī)定值,。因此,，在確定磁感應(yīng)強度和電流密度時，應(yīng)把電性能要求和經(jīng)濟設(shè)計結(jié)合起來考慮,。
3．3．2 相關(guān)參數(shù)計算
為了合理選擇變壓器的磁芯,，確定初級、次級線圈的線徑,、匝數(shù)及氣隙等參數(shù),，必須對磁場強度、傳輸功率,、傳輸效率,、初級和次級峰值電流等多項參數(shù)進行分析計算。計算方法多種多樣,，但計算結(jié)果相差不大,。本設(shè)計采用了PI—Expert軟件，計算相當簡單,，僅需輸入相關(guān)設(shè)計參數(shù),，軟件就會輸出所需的變壓器設(shè)計參數(shù)：初級線圈電感量LP=171μH：初級匝數(shù)：NP=27.3(實際設(shè)計中取27)；初級線徑：AWG20(0．813 mm)雙股并繞,；反饋繞組匝數(shù)：NB=3．0：磁芯選擇：E135,，相關(guān)參數(shù)Bw=15．70 mm，M=0 mm．L=1．60 mm,，AE=101．40 mm2,，ALG=210nH／T2,BM=24
23G，BP=2976G,，BAc=606G,；氣隙：LG=0．52mm；初級漏感：LL=3μH；次級12 V／5 A組：3匝．AWG22(0．643 mm)3股并繞,；次級12 V／1 A組：3匝．AWG24(0．51 mm),；7．5 V／2 A組：2T(實際輸出7．97 V)．AWG22(0．643 mm)。
軟件給出的參數(shù)都是經(jīng)過一定優(yōu)化得到的,，故實際設(shè)計中優(yōu)先選用這些推薦參數(shù),，實踐證明這樣做是合理且高效的。
3．3．3 變壓器的繞制
變壓器的繞制采用堆疊式繞法,，其優(yōu)點就是能加強磁耦合,，改善輕載時的穩(wěn)壓性能，骨架上的引腳較少,，并且制造成本較低,。繞制過程中，初級繞組在最里層．有利于減少初級繞組的分布電容,，降低初級繞組對相鄰元件的干擾,；12 V／5 A繞組緊挨初級繞組，其次由里向外分別為反饋繞組,、7．5V／2 A,、12 V／1 A．以減少漏感；反饋繞組在主電源的外邊,，反饋繞組與次級繞組耦合最強，對電壓的變化敏感．有利于提高穩(wěn)壓效果,。各繞組之間的絕緣選用厚度為0．03／mm的聚脂薄膜,，初次級之間用5層，次級與次級之間用2層,，保證了較好的絕緣強度,。同時，為了降低磁輻射,、減小溫升及便于安裝,，特制了一種“鋁合金外套”將變壓器“包住”，縫隙處用導熱膠灌注,?？傊谧儔浩鞯脑O(shè)計和制作過程中,，必須對磁芯與線圈的結(jié)構(gòu),、繞制方法、散熱,、效率等周密考慮,。
4 結(jié)束語
TOPSwitch—GX系列單片開關(guān)電源集PWM／MOSFEI、于一體，具備了過壓,、欠壓,、過流、過熱保護,、遠程控制等眾多優(yōu)點,，并且有PI—Expert軟件輔助設(shè)計，可以在短時間內(nèi)設(shè)計出高性能,、低價格,、重量輕的開關(guān)電源。實驗證明在寬范圍輸入的情況下．其輸出波形穩(wěn)定,，輸出紋波小,，完全符合輔助電源的要求。它不僅適合在醫(yī)用牙科X光機電源,、逆變焊機等各類特種大功率開關(guān)電源中作為輔助電源,，而且必將在充電器、DC／DC變換模塊等各類小型高效節(jié)能型開關(guān)電源領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,。