口腔根管測量儀寬輸入SEPIC電源的設(shè)計(jì)

李慧，焦杰，顧芯銘，焦健

1.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 a.口腔科；b.消化科，吉林 長春 130033；

2.吉林省廣播電視研究所，吉林 長春 130041；3.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院，吉林 長春 130041

口腔根管測量儀寬輸入SEPIC電源的設(shè)計(jì)

李慧1a，焦杰2，顧芯銘3，焦健1b

1.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 a.口腔科；b.消化科，吉林 長春 130033；

2.吉林省廣播電視研究所，吉林 長春 130041；3.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院，吉林 長春 130041

目的單端初級電感轉(zhuǎn)換器（Single Ended Primary Inductor Converter，SEPIC）是一種效率較高的電源變換電路，具有既可升壓又可降壓的特點(diǎn)，并且輸出電壓與輸入同極性。為了提高環(huán)境適應(yīng)能力，要求設(shè)計(jì)該設(shè)備可適用的輸入電壓范圍從2.5～25 V。方法本文采用這種電路原理設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于口腔根管測量儀的直流電源變換電路。結(jié)果通過設(shè)計(jì)輔助供電電路，使其具有較寬的輸入電壓適用范圍。在介紹SEPIC工作原理的同時，還分析了開關(guān)管、電感和電容的主要工作參數(shù)。關(guān)于最大電感量問題，極少有文章討論過，本文提供了一個估算公式。結(jié)論SEPIC電路效果好，安全性高。

根管測量儀；單端初級電感轉(zhuǎn)換器；直流-直流變換器；電感量

引言

根管測量儀是口腔科常用的一種可移動式電子設(shè)備，其內(nèi)部電源要求輸出電壓5 V，電流1 A。對于便攜移動設(shè)備來說，3.7 V的鋰電池供電是首選方案。此外，比較方便的取電方式還包括5 V的小型充電寶、12 V的汽車點(diǎn)煙器及20 V的USB 3.1供電接口。為了提高環(huán)境適應(yīng)能力，要求該設(shè)備可適用的輸入電壓范圍從2.5～25 V。對此，本文用單端初級電感轉(zhuǎn)換器（Single Ended Primary Inductor Converter，SEPIC）[1-3]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種輸入電壓范圍寬，成本低，體積小的DC-DC變換器。

1 材料與方法

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

盡管輸出功率不大，但是要求電壓適應(yīng)范圍較寬，最高輸入電壓與最低電壓之間有10倍的壓差，并且跨越了輸出電壓，因此要求電路能夠升壓，又可以降壓。

因?yàn)檩斎腚妷翰⒉惶?，又必須支持低電壓，所以?yīng)選擇MOS管作為開關(guān)管。在最低輸入電壓2.5 V時，為了使開關(guān)管能夠充分導(dǎo)通，需要選用開啟電壓較低的元件。在MOS生產(chǎn)工藝上，追求低開啟電壓意味著更薄的柵極絕緣層[4]，這限制了柵極擊穿電壓VGS指標(biāo)。常用MOS管的VGS一般不超過20 V[5]，甚至低壓管的VGS僅有12 V。在最大25 V的電源電壓直接加到柵極上會損壞元件。

在最高輸入電壓25 V的條件下，需要MOS管的耐壓V(BR)DSS至少高于輸入電壓并留有一些余量[6]，實(shí)際電路應(yīng)選擇耐壓約60 V級別。因高壓管柵極較厚，所以最低輸入電壓作為柵極電壓時，難以充分導(dǎo)通。這個設(shè)計(jì)要求的電壓輸入范圍比較苛刻，MOS管在低端難以充分導(dǎo)通，高端還會擊穿損壞。

1.2 電路結(jié)構(gòu)選擇

從成本和體積兩方面考慮，采用非隔離[7-8]電感貯能DC-DC變換電路，一共有6種基本型式[9-10]，分別是：BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、SEPIC和ZETA結(jié)構(gòu)。本設(shè)備需要設(shè)計(jì)同極性升降壓[11]輸出，因此選擇SEPIC結(jié)構(gòu)作為實(shí)際的應(yīng)用電路。

1.3 總體方案

為了能夠同時適應(yīng)高壓與低壓兩種極端電壓輸入狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一個功率很小，僅用于穩(wěn)定內(nèi)部電路5 V供電的輔助電源為開關(guān)管驅(qū)動電路供電。具體辦法是采取先用穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓芯片[12-13]把輸入電壓限制在5 V以下，如果輸入過低就用BOOST電路升壓到5 V。這樣總是用5 V柵極電壓開啟MOS管，既能適應(yīng)低壓實(shí)現(xiàn)輸入充分導(dǎo)通，又能適應(yīng)高壓輸入不會損壞。

主電源換能部分選用了工作頻率是100 kHz的DC-DC變換芯片MC33063作為核心，驅(qū)動SEPIC電路的MOS開關(guān)管AOD444。轉(zhuǎn)換器的電路原理圖，見圖1。

輔助電源先用LDO芯片U1限制濾波電容C3兩端電壓，再用由U2、D2、L1和C4組成的BOOST電路升壓到5 V。從而無論輸入電壓從2～30 V之間怎樣變化，這個輔助電路都可以讓主要芯片U3和U4的工作電壓保持穩(wěn)定。

由Q1、L2、C6、L3、D3和C7組成的SEPIC電路，是完成能量從輸入VIN到輸出VOUT轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)電壓變換的核心。電源變換芯片U4第1腳輸出的方波，經(jīng)過史密特觸發(fā)器U3整形，送到開關(guān)管Q1的柵極來驅(qū)動SEPIC電路。由R2、R3電阻獲取輸出電壓值并反饋到U4的第5腳，U4根據(jù)這個采樣值計(jì)算出輸出電壓的誤差，用PWM方式調(diào)整1腳輸出方波的占空比，動態(tài)控制C7充電貯能的多少，實(shí)現(xiàn)輸出電壓可以穩(wěn)定在預(yù)期的5 V附近。

1.4 EPIC變換器基本原理

SEPIC是一種可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓大于、小于或者等于輸入電壓的DC-DC變換器。SEPIC電路的示意圖，見圖2。

L2和L3初始狀態(tài)都沒有電流，并且C6兩端電壓為零。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，電源輸入VIN向L2充電，電流強(qiáng)度iL=i0+VINt/L2隨時間線性增加。經(jīng)過一段時間之后Q1截止，在此瞬間L2中電流It不能突變，必須向C6充電，使C6兩端電壓上升。C6兩極電壓不為零時，Q1導(dǎo)通不僅實(shí)現(xiàn)電源對L2充電，還使C6向L3放電，能量從C6轉(zhuǎn)移到L3。在C6充分大的情況下，可認(rèn)為C6在放電過程中電壓Vc保持不變。放電電流ic=i0+Vct/L3也隨時間線性增加。Q1中電流強(qiáng)度等于L2與C6電流之和。

圖2 SEPIC電路

在C6向L3放電期間，若Q1截止，L3中電流不能突變，以初值為ic經(jīng)D3向C7和負(fù)載VOUT放電，實(shí)現(xiàn)能量從電源VIN到負(fù)載VOUT的轉(zhuǎn)移過程。在理想條件下，若開關(guān)管工作的占空比d=ton/(ton+toff)，則有電壓變換公式為：VOUT/ Vin=d/(1-d)。

2 結(jié)果

2.1 工作狀態(tài)分析

實(shí)現(xiàn)電壓變換的本質(zhì)，就是先把能量暫存到電感和電容，然后再輸出送給負(fù)載的過程，實(shí)際電路設(shè)計(jì)必須分析開關(guān)管、電感和電容的工作參數(shù)。

2.2 開關(guān)管最大工作電流

為了保留適當(dāng)?shù)挠嗔?，可以按?5%的工作效率進(jìn)行估算。當(dāng)輸出1 A電流，輸入電壓為2.5 V時，輸入電流達(dá)到最大，平均值約為2.7 A，占空比約67%，這種情況下，流過電感L2、電容C6會同時出現(xiàn)最大值。

電路工作在開關(guān)模式下，輸入平均電流等于電感平均電流乘以占空比。再按照電感L2、L3電流波動不超過30%計(jì)算[12]，電感L2電流最大值iL約為4.6 A，電容C6電流最大值ic約為4.6 A，因此開關(guān)管電流的最大值約為9.2 A。

2.3 電感分析

實(shí)際電路中電感的分布參數(shù)會降低工作效率，并且電感量存在一個合理的取值范圍。

2.4 電感最小值計(jì)算

如果電感L2取值過小，在電壓最高為25 V時，按照電流在1.7 μs以內(nèi)從零上升到4.6 A，使開關(guān)管有飽和的危險，可計(jì)算電感最小值約9 μH，并且要求電感的磁飽和電流大于4.6 A。

2.5 電感最大值計(jì)算

極少有文獻(xiàn)討論過電感取值的最大值問題。定性分析電感貯能向負(fù)載轉(zhuǎn)移這個過程，電感貯能果能量轉(zhuǎn)移前后的電流分別是I0和I1，轉(zhuǎn)移出的能量當(dāng)電感量非常大時，能量轉(zhuǎn)移過程中電感電流變化極小。因?yàn)樵谫A能公式中電流的階數(shù)高于電感量，所以結(jié)果能夠轉(zhuǎn)移的能量也非常少。電感的充電過程也一樣。因此，實(shí)際應(yīng)用的電感量取值一定存在上限。

在占空比為d的理想情況下分析電感充電過程，充電之前電流i0，充電之后電流變?yōu)閕1，在充電周期dT中，輸入電壓Uin對電感充電，電流變化[13-14]

按照在每個充電周期中，電感至少需要轉(zhuǎn)移自身貯能的千分之一進(jìn)行估算，也就是電感電流至少需要變化3%。因?yàn)殡姼谐潆姇r電流線性增加，若平均電流為I，則i0+i1=2I，所以有：i0=0.985I，i1=1.015I。如果Iin是電路輸入平均電流，那么根據(jù)dI=Iin關(guān)系，得到估算公式：

由此計(jì)算出在輸入電壓最低2.5 V的條件下，電感最大值為185 μH。綜合考慮元件的尺寸與重量，在實(shí)際電路選擇了比上下限中間值略小的47 μH電感。

2.6 電容分析

上述分析過程中，認(rèn)為貯能電容量充分大，兩端電壓保持不變。實(shí)際電路電容量的選取原則是兩端電壓波動在10%以下。因?yàn)檫@個電容量沒有理論上限，所以在綜合條件允許的情況下可以適當(dāng)加大電容量，盡可能接近理想情況。

因?yàn)殡娙葜辛鬟^的高頻電流較大，所以需要選用低等效串聯(lián)電阻的高頻電解電容器，必要時需要用多個電容并聯(lián)分?jǐn)傠娏?。在輸出功率較大時，電容器發(fā)熱會降低工作效率并明顯縮短壽命。

2.7 開關(guān)管驅(qū)動

開關(guān)管的柵極的電容量較大，并且因密勒效應(yīng)[15]，導(dǎo)致動態(tài)柵電流較大。盡可能縮短開關(guān)切換時間，可以提高效率。因此，把方波經(jīng)過一個史密特觸發(fā)器整形之后，再送到MOS管的柵極,可以明顯加速開關(guān)管的切換過程[16]，提高了轉(zhuǎn)換效率。

2.8 測試結(jié)果

用一個4.7 Ω的大功率電阻作為負(fù)載，在不同輸入電壓下測試電路。輸入與輸出電壓和電流的實(shí)測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 輸入和輸出的電壓和電流數(shù)據(jù)

計(jì)算能量轉(zhuǎn)換效率在曲線和輸入與輸出電壓的變換曲線圖，見圖3。

圖3 電源轉(zhuǎn)效效率和電壓變換曲線

3 討論

通過設(shè)計(jì)輔助電源，給MOS管提供了足夠的柵壓，實(shí)現(xiàn)在2.5 V低電壓輸入的條件下也能輸出較大功率。因?yàn)椴捎昧朔€(wěn)壓輸出的輔助電源，所以驅(qū)動開關(guān)管導(dǎo)通的柵極電壓固定，也就是MOS管漏極電流上限與輸入電壓基本無關(guān)，因此最大輸出電流與輸入電壓差不多成正比關(guān)系[17]。實(shí)測在3.5 V輸入時輸出電流可超過1.5 A，9 V輸入時輸出電流可達(dá)3 A以上。電路利用史密特觸發(fā)器加速柵極電容充放電，可以明顯提高開關(guān)效率。實(shí)測這個電路在1 A電流輸出時，整個輸入電壓范圍內(nèi)效率一直保持在80%～90%。大電流輸出時，整流二極管D3發(fā)熱會損失能量，需要使用正向壓降較小的肖特基二極管[18]以減小損耗，如果采取同步整流[19]方法可進(jìn)一步提高效率。

在SEPIC電路中，電源在開關(guān)管導(dǎo)通期間把能量貯存在電感中，開關(guān)管截止期間，在能量在向電容轉(zhuǎn)移的同時，電源也會向負(fù)載做功，效率較高。另外，SEPIC電路還有一個重要的優(yōu)勢就是在關(guān)機(jī)或故障時，輸出與輸入將被電容隔離，因此安全性好。本文通過設(shè)計(jì)一種輔助供電方案，實(shí)現(xiàn)了最低2.5 V，最高25 V的輸入電壓條件下，口腔根管測量儀都能正常使用。

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本文編輯 袁雋玲

Design of Wide Input SEPIC Power Supply for Oral Root Canal Measuring Instrument

LI Hui1a, JIAO Jie2, GU Xin-ming3, JIAO Jian1b

1.a.Department of Stomatology; b.Department of Digestion, China-Japan Union Hospital of Jilin University, Changchun Jilin 130033, China; 2.Radio & Television Research Institute of Jilin Province, Changchun Jilin 130041, China; 3.Stomatological Hospital of Jilin University, Changchun Jilin 130041, China

ObjectiveSingle ended primary inductor converter (SEPIC) is a kind of highly efficient power conversion circuit with benefit of boost & buck. The aim of this study was to design a device with high ability for environment adaptation, and with the input voltage of 2.5～25 V.MethodsA kind of DC power supply circuit was designed based on the principle of the circuit in this paper.ResultsIt had a wide range of input voltage because the design of auxiliary power supply. The main working parameters of the switching tube, inductance and capacitance were analyzed. The paper introduced an estimation formula for the maximum inductance which was rarely discussed.ConclusionThe SEPIC is a kind of highly efficient power conversion circuit with high security.

root canal length meter; single ended primary inductor converter; DC-DC converter; inductance

R197.324

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.013

1674-1633(2017)08-0051-04

2017-02-23

2017-03-03

焦健，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄瘍?nèi)科。

通訊作者郵箱：jiaojiex@163.com