CN103441683A

CN103441683A - 一种有源嵌位正激电源电路

Info

Publication number: CN103441683A
Application number: CN2013104140317A
Authority: CN
Inventors: 黄振洪; 赵传东
Original assignee: Sonoscape Co Ltd
Current assignee: Sonoscape Co Ltd
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: CN103441683B

Abstract

本发明涉及医疗电源技术领域，尤其涉及一种有源嵌位正激电源电路。所述电路包括依次串联的EMC模块、BOOST升压模块、有源嵌位正激模块、驱动模块、BUCK模块；所述有源嵌位正激模块，输入为大于200伏的直流电压，输出为小于30伏直流电压，采用了谐振复位方式；所述驱动模块，用于为所述有源嵌位正激模块提供驱动电压；所述BUCK模块，用于将工作频率设置在血细胞分析仪的信号采集频率带宽范围以外。本发明采用了有源嵌位正激模块，对供电电源进行优化，使其软启动/关断波形更加理想。

Description

一种有源嵌位正激电源电路

技术领域

本发明涉及医疗电源技术领域，尤其涉及一种有源嵌位正激电源电路。

背景技术

血细胞分析仪对医生的辅助诊断有非常大的帮助，特别是五分类血细胞分析仪，但是血细胞分析仪的测试结果对电源提出了很高的要求，既要求电源要有很低的纹波干扰，又要防止各模块之间串扰。血细胞分析仪包含大量的电机和泵阀，会产生大量的传导的辐射干扰，同时会产生较高的动态负载变化，因此血细胞分析仪也要求有优秀的交调响应和动态响应。

医疗电源对于漏电流的要求，使得在共模干扰抑制中无法选用较大容量的Y电容，对电路的EMC提出了更大的挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何使输出的电压稳定，且不受各种干扰。

在本发明实施例中，提出了一种有源嵌位正激电源电路，包括依次串联的EMC模块、BOOST升压模块、有源嵌位正激模块、驱动模块、BUCK模块；

所述EMC模块，输入和输出都为交流电压，用于抑制电路产生的差模和共模干扰；

所述BOOST升压模块，输入为交流电压，输出为大于200伏的直流电压，用于降低谐波对所述电源电路的影响；

所述有源嵌位正激模块，输入为大于200伏的直流电压，输出为小于30伏直流电压，采用了谐振复位方式；

所述驱动模块，用于为所述有源嵌位正激模块提供驱动电压；

所述BUCK模块，用于将工作频率设置在血细胞分析仪的信号采集频率带宽范围以外。

综上所述，本发明的有益效果如下：

1、采用有源嵌位正激模块，对供电电源进行优化，使其软启动/关断波形更加理想；

2、驱动模块的处理方式，如采用了反相器和同相隔离驱动器，既增加了可靠性，又可以更方便的调节死区时间，对于优化产品的软开关性能有很大帮助；

3、在有源嵌位正激模块中加入可饱和电抗器L3，优化同步整流的工作状态，防止出现输出滤波电感L2电流倒灌，抑制续流管Q7电压尖峰；

4、加入BUCK模块多路输出，工作频率（500K）较高，抑制了电源的中频、低频干扰，以及正激模块较低频（100K）的纹波干扰，使电源干扰远离血细胞分析仪信号放大部分带宽范围。

附图说明

图1为本发明有源嵌位正激电路结构框图；

图2为有源嵌位正激模块的电路图；

图3为驱动单元的电路图；

图4为同步整流单元的电路图；

图5为有源嵌位正激模块的B绕组的又一实施例电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的说明书附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，本发明一实施例提供了一种有源嵌位正激电源电路，包括依次串联的EMC模块101、BOOST升压模块102、有源嵌位正激模块103、驱动模块104、BUCK模块105；

所述EMC模块101，输入和输出都为交流电压，用于抑制电路产生的差模和共模干扰；

所述BOOST升压模块102，输入为交流电压，输出为大于200伏的直流电压，用于降低谐波对所述电源电路的影响；

所述有源嵌位正激模块103，输入为大于200伏的直流电压，输出为小于30伏直流电压，采用了谐振复位方式；

所述驱动模块104，用于为所述有源嵌位正激模块提供驱动电压；

所述BUCK模块105，用于将工作频率设置在血细胞分析仪的信号采集频率带宽范围以外。

需要说明的是，所述BOOST升压模块102用于将交流整流后的输入电压升压成为400V直流电，电路采用临界模式控制方式，经过所述BOOST升压模块102，可以有效降低谐波对电网的影响，PF值可以达到0.9以上，

参见图2所示，作为一实施例，所述有源嵌位正激模块103具体包括：变压器T1的绕组A与嵌位开关管Q4、嵌位电容C3串联为一个回路，绕组A的同名端1为有源嵌位正激模块的输入端；主开关管Q5串接在绕组A的异名端2与地之间;

变压器T1的绕组B与续流管Q7、正向开关管Q6串联为一个回路，续流管Q7和正向开关管Q6的公共端接地；第二电感L2的一端接绕组B的同名端3，另一端作为有源嵌位正激模块的输出端；在有源嵌位正激模块的输出端与地之间并联有第四电容C4与第六电阻R6。

需要说明的是，所述嵌位开关管Q4、主开关管Q5、续流管Q7、正向开关管Q6都为N型MOS管。N管嵌位，适用于高压应用。

需要说明的是，所述有源嵌位正激模块的嵌位开关管Q4与主开关管Q5的导通和截止状态刚好相反；嵌位开关管Q4与续流管Q7的导通和截止状态一致；主开关管Q5与正向开关管Q6的导通和截止状态一致。

下面举例具体说明有源嵌位正激模块103的工作原理：

将升压后的400V直流电压，转换为24V直流电压输出。有源嵌位正激模块是正激电路的一种，与传统的正激利用绕组复位方式不同，有源嵌位正激模块采用谐振复位方式，实现变压器的无损复位，同时可以实现主开关管Q5的低电压导通（VVS），以及嵌位开关管Q4的零电压导通（ZVS）。正激的优势在于具有更低的输出电压纹波和电流纹波，具有良好的交调性能和动态负载，很适合多路输出，而采用谐振复位的方式可以有效降低变换器的EMC。有源嵌位具有接近方波的变压器电压波形，适合用于自驱动同步整流，参见图2。

其中，嵌位电容C3与嵌位开关管Q4构成正激模块的嵌位结构，驱动信号Drv2与Drv3相位相反；正向开关管Q6与续流管Q7构成输出同步整流结构。电路设计的关键就是变压器T1与嵌位电容C3的参数选择，以及驱动信号Drv2与Drv3的反相设置、两者之间的死区时间设置。

对于有源嵌位正激模块，最恶劣的状态出现在满载启动与满载关断状态，采用主控制芯片，如NCP1562自带的软启动/关断功能，可以显著的改善启动性能，为了保证软关断的可靠性，对NCP1562的VCC供电串入第一稳压管ZD1，保证主控制芯片的驱动关断时间早于驱动芯片的掉电时间。主控制芯片驱动关断后，驱动芯片关断，嵌位电容C3将正激变压器的剩磁嵌位住，防止剩磁与嵌位开关管Q4寄生电容振荡，过压击穿主开关管Q5，参见图3。

需要说明的是，所述驱动模块104包括：原边驱动单元1041和副边同步整流驱动单元1042；

所述原边驱动单元1041，用于产生嵌位开关管Q4的控制信号DRV2与主开关管Q5的控制信号DRV3；

所述副边同步整流驱动单元1042，用于产生续流管Q7的控制信号DRV5与正向开关管Q6的控制信号DRV4。

参见图3，作为一实施例，所述原边驱动单元1041包括：主控制芯片、驱动芯片；

所述主控制芯片，如NCP1562的第一输出脚out1直接接到驱动芯片，如NCP518的第二输入脚IN_LO；主控制芯片的第二输出脚out2通过反相器接到驱动芯片的第一输入脚IN_HI；

所述驱动芯片的第一输出脚DRV_HI通过同相隔离驱动器接到嵌位开关管Q4的控制信号DRV2；驱动芯片的第二输出脚DRV_LO直接接到主开关管Q5的控制信号DRV3；

所述反相器，包括第八MOS管Q8，其栅极通过第八电阻R8与主控制芯片的第二输出脚out2相连，且其栅极通过第十电阻R10与其源级相连并都接地；其漏极通过第七电阻R7与直流电压VCC相连，且其漏极接到驱动芯片的第一输入脚；

所述同相隔离驱动器，包括：第十五电阻R15、第十电容C10和变压器T2的绕组A串联，第十五电阻R15的另一端接所述驱动芯片的第一输出脚DRV_HI，绕组A的异名端2接地；第九电容C9、第十四电阻R14、变压器T2的绕组B、第二齐纳二极管ZD2串联为一个回路，第二齐纳二极管ZD2与第九电容C9连接的公共端接到嵌位开关管Q4的控制信号DRV2。

下面举例具体说明原边驱动单元1041的工作原理：

有源嵌位正激模块要求其嵌位开关管Q4、主开关管Q5驱动采用反相驱动方式。所以在主控制芯片的第二输出脚Out2加了反相器，实现了主控制芯片的第二输出脚Out2和第一输出脚Out1相位相反。Out1与Out2为主控制芯片的PWM输出，Out1与Out2为同步输出，因此Out2需要增加由R7、R8、R10与第八MOS管Q8构成的反相器。

传统的驱动方式包括：变压器隔离驱动、芯片自举驱动。参见图3，用同相隔离驱动器输出的嵌位开关管Q4的控制信号DRV2，可以防止主开关管Q5快速导通与关断引起的嵌位开关管Q4栅极电压过高，损坏驱动芯片，提高了电路的可靠性。变压器隔离驱动包括：同相驱动和反相驱动，因为有源嵌位在软启动/关断的时候，占空比变化范围大，用反相驱动时，驱动电压会有较大的变化，容易造成驱动能力不足的问题，因此选用同相驱动。

由R14、R15与C9、C10、T2、ZD2构成的同相隔离驱动器，用于驱动悬浮在高压端的嵌位开关管Q4，相对于芯片驱动，变压器驱动不会有高压端产生的负压损坏影响。

作为一实施例，所述副边同步整流驱动单元1042包括：反相自驱动器和同相自驱动器；

参见图4a，所述反相自驱动器，包括：第一驱动器、第三齐纳二极管ZD3、和与变压器T1的绕组B反相的绕组C，第一驱动器的第一端连接第三齐纳二极管ZD3的阳极、第三齐纳二极管ZD3的阴极连接绕组C的异名端6，绕组C的同名端5连接第一驱动器的第二端并都接地，第一驱动器的第三端接续流管Q7的控制信号DRV5；

参见图4a，所述第一驱动器，包括第九三极管Q9，其发射极接第一驱动器的第三端，其基极通过第十七电阻R17接第一驱动器的第一端，其集电极接驱动器1的第二端；在第一驱动器的第一端与第三端之间串联了第十六电阻R16和第七二极管D7，在第一驱动器的第三端与第二端之间并联了第四齐纳二极管ZD4、第十八电阻R18和第十一电容C11。

参见图4b，所述同相自驱动器，包括：第二驱动器和与变压器T1的绕组B同相的绕组D，第二驱动器的第一端连接绕组D的同名端7，绕组D的异名端8连接第二驱动器的第二端并都接地，第二驱动器的第三端接正向开关管Q6的控制信号DRV4；

所述同相自驱动器的第二驱动器与所述反相自驱动器的第一驱动器电路结构完全相同。所述同相自驱动器具体的结构包括：变压器T1的绕组D的同名端7与第二十电阻R20的一端连接，第二十电阻R20的另一端与第十三极管Q10的基极连接，变压器T1的绕组D的同名端7与第十九电阻R19的一端连接，第十九电阻R19的另一端与第十二极管D10的阳级连接，第十二极管D10的阴级与第十三极管Q10的发射极连接，第十三极管Q10的发射极作为正向开关管Q6的控制信号DRV4，第十三极管Q10的集电极与变压器T1的绕组D的异名端8连接，并都接地，在第十三极管Q10的发射极与集电极之间并联有第五齐纳二极管ZD5、第二十一电阻R21和第十二电容C12。

下面举例具体说明副边同步整流驱动单元1042的工作原理：

有源嵌位正激变压器T1波形接近方波，因些输出适合采用自驱动同步整流。变压器对副边同步整流驱动单元有以下2点要求：1、在轻载时同步整流的续流管Q7不工作，轻载时，输出电流为断续模式，如果续流管Q7工作，则输出电感容易产生电流倒灌，轻则引起效率低下，重则会烧坏同步整流单元；2、当续流管Q7工作时，要求正向开关管Q6必须可靠关断，并维持关断状态，以防止输出电流倒灌回原边（T1的绕组A）回路，参见图4、图5。

其中，变压器T1的绕组C和绕组D分别用于驱动续流管Q7和正向开关管Q6。为了防止轻载时电流倒灌，在变压器T1的绕组C串联一个稳压管ZD3，当轻载时，第三绕组电压很低，不超过稳压管ZD3的齐纳电压，续流管Q7无法达到导通电压，因此不存在轻载时第二电感L2电流倒灌的问题。

参见图4，驱动器中，由D7和Q9构成反向恢复电路，用于泄放续流管Q7栅极电荷，第十七电阻R17用于限流，防止驱动绕组电流倒灌。由第十六电阻R16和第十一电容C11构成的可调延时启动电路。

变压器T1的绕组C和绕组D反相，其中所包含的的驱动器功能相同。

参见图5，需要说明的是，所述有源嵌位正激模块还包括可饱和电抗器L3，串接在变压器T1的绕组B的同相端3与第二电感L2之间。

作为一实施例，当正向开关管Q6导通时，可饱和电抗器L3饱和，近似于短路。变压器T1的绕组B在死区时间内存在一段零电压时间，此时变压器T1漏感与次级寄生电容谐振，会在续流管Q7的漏源间形成很大的电压和电流尖峰，加入可饱和电抗器L3，可以抑制尖峰的幅度和能量，并在正向开关管Q6和续流管Q7开关过程中，降低开关管的di/dt，抑制电源的EMC干扰。

BUCK模块：24V的直流电经过BUCK模块降压后分成多路输出。因为有源嵌位正激模块的工作频率是100K，而血细胞分析仪的信号采集带宽为1K-150K，有源嵌位正激模块的工作频率在血细胞分析仪的信号采集部分带宽范围内，容易对信号采集部分产生干扰；BUCK模块的工作频率为500K，经过BUCK模块，100KHz的纹波得到抑制。同时多路的降压模块也使得整机具有良好的交调性能与动态负载能力。BUCK模块的设计要点是将工作频率设置在血细胞分析仪的信号采集部分带宽范围外，如设计为500K。

综上所述，本发明的有益效果如下：

3、在有源嵌位正激模块中加入可饱和电抗器L3，优化同步整流的工作状态，防止出现续流管Q7电流倒灌，抑制续流管Q7电压尖峰；

以上对本发明所提供的一种电源的隔离转换电路进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种有源嵌位正激电源电路，其特征在于：包括依次串联的EMC模块、BOOST升压模块、有源嵌位正激模块、驱动模块、BUCK模块；

2.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述有源嵌位正激模块具体包括：变压器T1的绕组A与嵌位开关管（Q4）、嵌位电容（C3）串联为一个回路，绕组A的同名端（1）为有源嵌位正激模块的输入端；主开关管（Q5）串接在绕组A的异名端（2）与地之间;

变压器T1的绕组B与续流管（Q7）、正向开关管（Q6）串联为一个回路，续流管（Q7）和正向开关管（Q6）的公共端接地；第二电感（L2）的一端接绕组B的同名端（3），另一端作为有源嵌位正激模块的输出端；在有源嵌位正激模块的输出端与地之间并联有第四电容（C4）与第六电阻（R6）。

3.如权利要求2所述的电源电路，其特征在于，所述有源嵌位正激模块的嵌位开关管（Q4）与主开关管（Q5）的导通和截止状态刚好相反；嵌位开关管（Q4）与续流管（Q7）的导通和截止状态一致；主开关管（Q5）与正向开关管（Q6）的导通和截止状态一致。

4.如权利要求1至3任意一项所述的电源电路，其特征在于，所述驱动模块包括：原边驱动单元和副边同步整流驱动单元；

所述原边驱动单元，用于产生嵌位开关管（Q4）的控制信号（DRV2）与主开关管（Q5）的控制信号（DRV3）；

所述副边同步整流驱动单元，用于产生续流管（Q7）的控制信号（DRV5）与正向开关管（Q6）的控制信号（DRV4）。

5.如权利要求4所述的电源电路，其特征在于，所述原边驱动单元包括：主控制芯片、驱动芯片；

所述主控制芯片的第一输出脚（out1）直接接到驱动芯片的第二输入脚（IN_LO）；主控制芯片的第二输出脚（out2）通过反相器接到驱动芯片的第一输入脚（IN_HI）；

所述驱动芯片的第一输出脚（DRV_HI）通过同相隔离驱动器接到嵌位开关管（Q4）的控制信号（DRV2）；驱动芯片的第二输出脚（DRV_LO）直接接到主开关管（Q5）的控制信号（DRV3）；

所述反相器，包括第八MOS管（Q8），其栅极通过第八电阻（R8）与主控制芯片的第二输出脚（out2）相连，且其栅极通过第十电阻（R10）与其源级相连并都接地；其漏极通过第七电阻（R7）与直流电压（VCC）相连，且其漏极接到驱动芯片的第一输入脚；

所述同相隔离驱动器，包括：第十五电阻（R15）、第十电容（C10）和变压器T2的绕组A串联，第十五电阻（R15）的另一端接所述驱动芯片的第一输出脚（DRV_HI），绕组B的异名端（2）接地；第九电容（C9）、第十四电阻（R14）、变压器T2的绕组B、第二齐纳二极管（ZD2）串联为一个回路，第二齐纳二极管（ZD2）与第九电容（C9）连接的公共端接到嵌位开关管（Q4）的控制信号（DRV2）。

6.如权利要求4所述的电源电路，其特征在于，所述副边同步整流驱动单元包括：反相自驱动器和同相自驱动器；

所述反相自驱动器，包括：第一驱动器、第三齐纳二极管（ZD3）、和与变压器T1的绕组B反相的绕组C，第一驱动器的第一端连接第三齐纳二极管（ZD3）的阳极、第三齐纳二极管（ZD3）的阴极连接绕组C的异名端（6），绕组C的同名端（5）连接第一驱动器的第二端并都接地，第一驱动器的第三端接续流管（Q7）的控制信号（DRV5）；

所述第一驱动器，包括第九三极管（Q9），其发射极接第一驱动器的第三端，其基极通过第十七电阻（R17）接第一驱动器的第一端，其集电极接第一驱动器的第二端；在第一驱动器的第一端与第三端之间串联了第十六电阻（R16）和第七二极管（D7），在第一驱动器的第三端与第二端之间并联了第四齐纳二极管（ZD4）、第十八电阻（R18）和第十一电容（C11）；

所述同相自驱动器，包括：第二驱动器和与变压器T1的绕组B同相的绕组D，第二驱动器的第一端连接绕组D的同名端（7），绕组D的异名端（8）连接第二驱动器的第二端并都接地，第二驱动器的第三端接正向开关管（Q6）的控制信号（DRV4）；

所述第二驱动器与第一驱动器的电路结构相同。

7.如权利要求2所述的电源电路，其特征在于，所述有源嵌位正激模块还包括可饱和电抗器（L3），串接在变压器T1的绕组B的同名端（3）与第二电感（L2）之间。

8.如权利要求2所述的电源电路，其特征在于，所述嵌位开关管（Q4）、主开关管（Q5）、续流管（Q7）、正向开关管（Q6）都为N型MOS管。