便攜高頻止血器應(yīng)急電源電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱興喜 史兆榮 湯黎明 王星星 戚仕濤 于春華

1 前言

應(yīng)急UPS（不間斷電源Uninterruptible Power Supply）電源整體體積較大，內(nèi)部使用蓄電池供電使得其整體重量較重，不方便攜帶，同時(shí)UPS電源在蓄電池貯能耗盡時(shí)需要交流充電，在無交流電時(shí)也不能工作，因此為方便在野外使用便攜式高頻止血器，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款新穎的交、直流充電兩用的供電裝置，它重量輕，體積小，在有交流電時(shí)由交流電供電，在無交流電時(shí)由本身鋰離子電池或洗車電瓶逆變供電，并且鋰離子電池可由交流電、洗車電瓶充電，確保在應(yīng)急時(shí)使用。下面介紹電路的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用。

2 電路原理

2.1 交流電供電和充電電路

交流電分為兩路，一路直接給便攜式高頻止血器供電；另一路通過A/D電源轉(zhuǎn)換，為鋰離子電池充電。

電源從交流電轉(zhuǎn)換為直流電通常有兩種方式，一是直接用變壓器降壓，然后整流濾波得到直流電壓；二是先整流濾波得到300 V的直流電，再通過開關(guān)電源電路得到直流電壓。前一種方式比較方便直接，但降壓變壓器體積相對(duì)較大，重量偏重，不適合攜帶。后一種方式電路相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)，但重量和體積方面較前一種方法相比重量輕、體積小，便于機(jī)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際需求，本文電源轉(zhuǎn)換電路適合采用第二種方式[1-3]。電路如圖1所示。

圖1 交流轉(zhuǎn)換直流電路圖

圖1中B1、C1為交流整流濾波元器件，得到300 V左右的直流電壓，為M62213FP、T1、Q1等提供工作電源。M62213FP是一種高速開關(guān)電源控制器，它由振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、輸出電路、過電壓保護(hù)兼定時(shí)閉鎖電路、過電流保護(hù)電路以及軟啟動(dòng)電路等組成，如圖2所示。

圖2 M62213FP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

在圖2中從Vout輸出工作頻率為700 kHz的開關(guān)信號(hào)，輸出電流峰值為±1 A，采用推拉輸出電路，啟動(dòng)前電路的電流很小，典型值為130 μA，啟動(dòng)開始與停止時(shí)電壓差較大，啟動(dòng)開始電壓為12.5 V，啟動(dòng)停止電壓為8.3 V，這樣可減小輸入平波電容。片內(nèi)具有欠壓鎖定（UVLO），高速限流、過壓兼定時(shí)閉鎖（TIMER LATCH）、死區(qū)控制兼軟啟動(dòng)（SOFT）、光電耦合器直接激勵(lì)的反饋用誤差放大器和防止低電壓時(shí)輸出誤動(dòng)作等功能電路。該電源輸出脈沖的導(dǎo)通時(shí)間由接在SOFT端的電阻確定，如果與此電阻并聯(lián)一只電容，那么啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)通時(shí)間逐漸增大，這樣就可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。另外，COLLECT和EMIT在內(nèi)部已分別連接VCC和GND。在圖1中，300 V的電源經(jīng)R1和R2分壓為M62213FP開始工作時(shí)的啟動(dòng)電壓，當(dāng)正常工作時(shí)由回掃變壓器的一個(gè)繞阻經(jīng)整流二極管D1整流、C3濾波提供，此時(shí)的電壓與輸出電壓成比例，因此，還可用于進(jìn)行反饋控制與過電壓檢測。為防止噪聲引起誤動(dòng)作，接入R10和C7構(gòu)成的濾波器濾除噪聲。C5、R7組成軟啟動(dòng)，R8和C6為外接振蕩反饋元器件，由R9輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源NMOS場效應(yīng)管Q1，再經(jīng)T1連接300 V直流電源，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，300 V直流電源流經(jīng)T1和R11到地，T1貯能，當(dāng)Q1截止時(shí)，回掃變壓器的另一個(gè)繞阻經(jīng)D1整流和C3濾波，在C3上產(chǎn)生直流電壓，供集成塊工作用電[4]。同時(shí)，變壓器次級(jí)端經(jīng)D4、C8產(chǎn)生后級(jí)工作直流電壓。由C9、D6、C10、D7和繼電器K1組成交流電和洗車電瓶電源切換電路，當(dāng)有交流電時(shí)，洗車電瓶的a、b連線斷開，只由交流電為后級(jí)電路提供電源，當(dāng)無交流電或斷開時(shí)，洗車電瓶為后級(jí)電路提供工作電源（DC OUTPUT）。

2.2 直流充電和逆變供電電路

2.2.1 充電電路

鋰離子電池需要充電電路，其充電電源由圖1輸出（DC OUTPUT）提供。鋰離子電池的充電電路如圖3所示。

圖3 鋰離子電池充電電路圖

接入DC output輸出電壓為24 V，經(jīng)過D8和F2（保險(xiǎn)絲）輸入到充電電路。由于鋰離子電池對(duì)充電比較苛刻，比蓄電池、鎳氫/鎳鎘電池的充電控制要嚴(yán)格的多，因此在電路設(shè)計(jì)上要考慮：①對(duì)深度放電的鋰離子電池要涓流充電；②在正常情況下應(yīng)先恒流充電然后再恒壓充電，防止過充；③在電壓低于某一值時(shí)應(yīng)自動(dòng)能充電，防止過放；④電池充電達(dá)到一定值時(shí)要結(jié)束充電；⑤電流放電過大要保護(hù)電池，防止過流；⑥要有電源指示、充電指示和充滿指示；⑦盡量縮小空間和使用精小元器件，減少體積和重量。CN3704是脈寬調(diào)制集成塊，當(dāng)VCC管腳電壓大于低壓鎖存閾值，并且大于電池電壓時(shí)，充電器正常工作，DRV驅(qū)動(dòng)Q2對(duì)電池充電。如果電池電壓低于11.2 V，充電器自動(dòng)進(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的5%。當(dāng)電池電壓大于11.2 V，充電器進(jìn)入恒流充電模式，此時(shí)充電電流由內(nèi)部的200 mV基準(zhǔn)電壓和一個(gè)外部電阻RCS設(shè)置，即充電電流為200 mV/ RCS。當(dāng)電池電壓繼續(xù)上升接近恒壓充電電壓時(shí)，充電器進(jìn)入恒壓充電模式，充電電流逐漸減小。在圖3中，當(dāng)充電電流減小到EOC管腳電阻設(shè)置的值時(shí)，充電結(jié)束，DRV管腳輸出高電平。漏極開路輸出管腳內(nèi)部的晶體管關(guān)斷，輸出為高阻態(tài)；另一個(gè)漏極開路輸出管腳內(nèi)部的晶體管接通，輸出低電平，以指示充電結(jié)束狀態(tài)。充電時(shí)D12亮，充電結(jié)束時(shí)D11亮，便于觀察。在充電結(jié)束狀態(tài)，如果斷開輸入電源，再重新接入，將開始一個(gè)新的充電周期，如果電池電壓下降到再充電閾值16 V，那么也將自動(dòng)開始新的充電周期。當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)，CN3704自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式，內(nèi)部電路被關(guān)斷，這樣可以減少電池的電流消耗，延長待機(jī)時(shí)間[5-7]。其它各元器件的參數(shù)如表1所示。

2.2.2 逆變電路

鋰離子電池輸出電壓，為逆變電路提供電源，如圖4所示。

表1 各元器件的參數(shù)

圖4 逆變電路圖

在電路中，采用TL494脈寬調(diào)制集成塊進(jìn)行逆變，第1、2腳構(gòu)成穩(wěn)壓取樣、誤差放大系統(tǒng)，正相輸入端1腳輸入逆變器次級(jí)取樣繞組由D13、D14整流，C25濾波輸出的15 V直流電壓，經(jīng)R21、R22分壓，使第1腳在逆變器正常工作時(shí)有近4.7～5.6 V取樣電壓。反相輸入端2腳輸入5 V基準(zhǔn)電壓(由14腳輸出)。當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，1腳電壓降低，誤差放大器輸出低電平，通過PWM電路使輸出電壓升高。正常時(shí)1腳電壓值為5.4 V，2腳電壓值為5 V，3腳電壓值為0.1 V。第4腳外接R26、R24、C22設(shè)定死區(qū)時(shí)間。正常電壓值為0.01 V。第5、6腳外接C23、R25，設(shè)定振蕩器三角波頻率為100 Hz。第7腳為共地。第8、11腳為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)輸出三極管集電極，第12腳為TL494前級(jí)供電端，此三端通過開關(guān)S3控制TL494的啟動(dòng)/停止，作為逆變器的控制開關(guān)。當(dāng)S3關(guān)斷時(shí)，TL494無輸出脈沖，因此開關(guān)管Q3、Q4無任何電流。S3接通時(shí)，此三腳電壓值為蓄電池的正極電壓。第9、10腳為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)級(jí)三極管發(fā)射極，輸出兩路時(shí)序不同的正脈沖。第13、14、15腳其中14腳輸出5 V基準(zhǔn)電壓，使13腳有5 V高電平，控制門電路，觸發(fā)器輸出兩路驅(qū)動(dòng)脈沖，用于推挽開關(guān)電路。第15腳外接5 V電壓，構(gòu)成誤差放大器反相輸入基準(zhǔn)電壓，以使同相輸入端16腳構(gòu)成高電平保護(hù)輸入端。此接法中，當(dāng)?shù)?6腳輸入大于5 V的高電平時(shí)，可通過穩(wěn)壓作用降低輸出電壓，或關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。在它激逆變器中輸出超壓的可能性幾乎沒有，故該電路中第16腳未用，由電阻R18接地。振蕩器的頻率由f=1.1/ R25×C23計(jì)算可得頻率為100 Hz。變壓器輸出端接C26、L4、C27，此三個(gè)元器件組成波形校正和低通濾波器，因?yàn)樽儔浩鬏敵鰹榉讲ǎ枰M(jìn)行正弦校正，同時(shí)防止高頻諧波輸出到下一級(jí)電路。其參數(shù)由公式L4=RZ/πfG和C27=1/πfGRZ而定，其中fG取500 Hz，RZ后級(jí)負(fù)載，取220 Ω。

3 應(yīng)用分析

從交流轉(zhuǎn)換直流電路、充電電路和逆變電路的結(jié)構(gòu)來看，外接很少元件，就可構(gòu)成功能較為完善的應(yīng)急電源。在圖1中設(shè)定直流輸出為24 V，在調(diào)試時(shí)將輸出端連接5 Ω左右的負(fù)載，可以改變R4、R5的電阻值，也可以改變R8、C6，改變振蕩頻率來實(shí)現(xiàn)。圖2中D9、D10要選用肖特基二極管，輸出電流設(shè)定值為4 A，決定電流的主要元器件除CN3704外，RCS、L3和Q2也要選定好，Q2要選用電流大于4 A以上的PMOS管，RCS直接決定充電電流的大小，要精心計(jì)算選定。圖3中，該電路幾乎不經(jīng)多大調(diào)試即可正常工作。當(dāng)C25正極端電壓為12 V時(shí)，R1可在3.6～4.7 kΩ之間選擇，本電路選用10 kΩ電位器調(diào)整，使輸出電壓為額定值。如果輸出的頻率偏離50 Hz較大，就需要調(diào)整R25和C23的值，在調(diào)試時(shí)應(yīng)將R25換為變阻器，使輸出頻率在50 Hz左右時(shí)，再測量阻值，將接近的電阻值電阻更換便可。如將此逆變器輸出功率增大，可選用多個(gè)MOS管并聯(lián)，而不選用單只IDS大于50 A的開關(guān)管，其原因一是價(jià)格較高，二是驅(qū)動(dòng)太困難。在逆變輸出時(shí)其波形雖然是交流電，在后級(jí)可以正常使用，但波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，雖然進(jìn)行了波形整形以及低通濾波的處理，卻與民用交流電的波形有些偏差，有待于改進(jìn)。

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