一種常見的電源系統原理分析

五邑中醫院設備科　彭小斌

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一種常見的電源系統原理分析

五邑中醫院設備科彭小斌

本文根據現代醫療設備電源系統的設計架構和思路，對常見電源系統包含的幾個重要組成模塊：電源連接板、PFC板、+5V板、-5V板、PHV板進行原理分析。

電源系統；組成模塊；原理分析

常見的電源系統包括連接板、PFC板、+5V板、-5V板、PHV板、輔助輸出轉接板、LED板、風扇轉接板、電源母板和電源輸出監控板共10塊板卡。

在此電源系統中，AC網電源經過斷路器后進入連接板，再經過隔離變壓器后轉化為隔離的兩部分輸出。經過濾波后，一組作為AC輔助輸出供給顯示器和打印機等外設，另一組經由電源母板后作為PFC板的輸入電源。該電源進入到PFC板后，通過BOOST PFC變換為穩恒的約390V高壓直流輸出，再提供給后級的+5V板和-5V板，得到+5V、+3.3V、-5V、12V和-12V共5組輸出。其中，12V作為PHV板的輸入電源，經過PHV板內部的FLYBACK變換器后得到±100V兩組電壓，通過BOOST變換器和BUCK-BOOST變化起后得到4組程控電壓。電源系統的各組輸出經由電源母板后連接至電源輸出監控板進行濾波和監控，尤其是對程控電壓的監控后輸出到主機系統，為相關硬件電路供電。同時，各組輸出還通過電源母板，經由風扇轉接板后連接至LED板，由LED板對各組輸出的狀態給以直觀指示。下面，針對電源連接板、PFC板、+5V板、-5V板、PHV板這5個較為復雜的模塊進行原理上的深入分析。

1.連接板原理

連接板的原理框圖如圖1所示。

圖1　連接板原理框圖

如圖1所示，電網電源輸入經過斷路器后進入連接板，經過浪涌電流抑制電路后到達隔離變壓器，由隔離變壓器輸出兩組與網電源隔離的交流輸出。這兩組輸出經過一級或多級EMI濾波器后，一組給PFC板供電，另一組通過繼電器控制后給顯示器、打印機等外設供電。電網電源的高、低電壓的選擇通過變壓器轉接線來實現。系統正常開機后，由PFC板給出繼電器閉合控制信號，旁路掉抑制浪涌電流的熱敏電阻，同時接通AC輔助輸出。

2.PFC板原理

PFC板主要由APFC功率電路、STANDBY電源、軟開關機控制電路、LED指示電路及保護電路構成。其原理框圖如圖2所示。

如圖2所示，AC輸入電源經過EMI濾波電路，通過整流橋到達BOOST APFC功率電路，在APFC控制電路下，完成對輸入電源的APFC功能，同時輸出穩恒的+390V直流輸出至后一級的+5V板和-5V板。APFC控制電路由STANDBY電源供電。STANDBY電源采用的是單端FLYBACK變換器結構，除了提供給APFC控制電路的+18V供電電源VCC外，還輸出一隔離的+5V輸出電壓5B給軟開關機控制電路和LED控制電路。

圖2　　PFC板原理框圖

PFC板除了具有自身的OVP、OTP等保護電路和時序控制電路外，還接受來自+5V板的失效保護信號PF、軟關機信號POFF和關機使能信號ENA，從而達到整個電源系統安全關閉的目的。

PFC板兩個核心芯片PFC控制器和PWM控制器采用的分別是TI公司的UC3854和38HC43，具有較高的可靠性。

3.+5V板原理

+5V板采用的是單端正激式有源箝位變換結構。

如圖3所示，DC輸入電壓經過一LC濾波器送至變壓器，并通過PWM控制轉換為方波電壓，該方波電壓經過整流濾波后輸出穩定的+5V直流電壓。PWM控制器對于占空比的調節是通過反饋網絡的誤差放大信號，并經光耦傳輸來達到。另外一路+3.3V由+ 5V經過BUCK變換輸出，該BUCK變換部分的控制IC為LINEAR的LTC1629EG。PWM控制芯片U9為TI公司的UCC2894，開關管采用的是TOSHIBA公司的2KS2611。

圖3　　+5V板原理框圖

4.-5V板原理

如圖4所示，-5V板采用的是單端正激變換器電路結構，其原理框圖如圖9所示。390Vdc輸入由+5V板經連接器進入電源板，經過LC濾波電路后作為FORWARD變換器的輸入。該直流電壓在經過一單端Forward變換器后得到+12V、-5V、-12V三路穩恒直流輸出，其中+12V為變換器的主反饋輸出，其余兩組為輔助輸出，且采用的是磁性放大器調節的穩壓方式。

圖4-5　V板原理框圖

5.PHV板原理

如圖5所示，12V輸入電壓進入PHV后，通過FLYBACK變換器產生兩組正負高壓，通過BOOST變換器和BUCK-BOOST變換器分別產生PHV1、PHV3和PHV2、PHV4四路程控電壓。

其中，FLYBACK變換器的控制芯片采用常用的是ONSEMI公司的UC3843，主開關管用IR的IRF3710，主要參數為100V/60A。BOOST變換器的控制芯片采用的是ONSEMI公司的TL594，開關管用IR的IRF52N15DPBF，其主要參數為150V/60A；BUCK-BOOST變換器的控制芯片采用的是MAXIM公司的MAX1847，開關管用IR的IRF6215PBF，其主要參數為150V/13A。PHV1～PHV4的輸出電壓值與程控控制電壓的大小呈線性關系，當控制電壓在0～4V范圍內變化時，輸出電壓的絕對值應分別對應在5～80V范圍內變化。

圖5　　PHV板原理框圖

［1］甘學溫，趙寶瑛，等.集成電路原理與設計［M］.北京大學出版社，2006.

［2］黃智偉，等.電子系統的電源電路設計［M］.電子工業出版社，2014（5）.