TOPSwitchGX开关电源在牙科X光机中的应用.pdf

TOPSwitch-GX开关电源在牙科X光机中的应用 来源：国外电子元器件 作者：西北工业大学 付丽 刘卫国 马欣 摘 要：TOPSwitch 器件是美国H(PowerIntegrations)公司推出的一种PWM ／MOSFET 二 合一的新型单片集成开关电源，其第4 代产品GX 系列更是集前3 代优点于一身的高集成 度、最佳性能、最简外围电路的高性价比产品。介绍TOPSwitch— GX 的工作原理。并在分 析医用牙科x 光机高压电源对辅助电源性能要求的基础上，结合PI— Expert 软件，给出该 辅助电源的详细设计过程。 关键词：TOPSwitch— GX；辅助电源；医用牙科X 光机；PI— Expert 软件 1 引言 辅助电源作为医用x 光机电源的一部分．虽然不是核心部件，但它就如同人的左右手一 样．起着至关重要的作用，其性能指标直接对整个系统的性能产生重要影响。在设计过程中 一般采用的方法有二种：一种是工频变压器加滤波稳压电路．在本系统设计中，由于要给灯 丝提供电源，其功率近百瓦。显然，这种方法在效率、体积、重量方面都不能满足要求；另 一种是PWM 调制器加功率MOSFET ，这种方法还需要大约40～80 个外围分立元件，来 提高其稳定性和安全性，这不但增加了成本和体积，还使可靠性受到了影响。因此，选用T OPSwitch— GX 系列开关电路成为最佳选择。 2 内部结构及工作原理 图1 示出TOPSwitch— GX 系列电路的内部原理框图。由图1 可知．该电路主要由以下 几部分组成：1)控制电压源，控制电压 UC 向并联调整器和门驱动级提供偏置电压，控制电 流，IC 调节占空比；2)带隙基准电压源，所有临界的TOPSwitch 内部电压都由一个温度补 偿的带隙参考基准得出。该参考基准也产生一个温度补偿的电流源，它被微调在精确设置的 振荡频率和调节MOSFET 栅极的驱动电流：3)振荡器，用于产生脉宽调制器所需要的锯齿 波、时钟信号及最大占空比信号：4)并联调整器／误差放大器，误差放大器将反馈电压与5 ．7 V 基准电压进行比较，输出误差电流 IFB，在RE 上形成误差电压；5)脉宽调制器．脉冲宽 度调制器提供电压型控制环，以驱动输出级MOSFET ，其占空比与流入控制脚的电流成反 比例。该脚在RE 二端产生一个电压误差信号，经RC 滤波后．与内部振荡器锯齿波相比较， 产生一定占空比的波形；6) 门驱动级和输出级，门驱动级用于驱动功率开关管，使之按一定 速率导通。MOSFET 管的漏一源击穿电压大于700 V；7)过流保护电路，过流比较器的反 向输入端接阈值电压Ulimit,同相输入端接MOSFET 的漏极；8)具有滞后特性的过热保护电 路，当芯片结温大于135℃时，过热保护电路将关断输出级；当芯片结温低于70℃时．电 路恢复正常工作，即具有滞后特性；9)关断／自动重启动电路，一旦调节失控，将立即使电 路在低占空比下工作，倘若故障被排除，则自动重新启动电源，恢复正常工作；1 0)高压电 流源，在启动或滞后调节模式下，高压电流源经过电子开关S 给内部电路提供偏置，电源 正常工作时．电子开关S 改接内部电源．将高压电流源关断；11)软启动，软启动时间为 1 0ms ．以减轻启动时元器件的负荷；1 2)输入过压、欠压检测及保护电路，通过外接电阻器 设定过压、欠压的保护电压．并且可以在电源关断时防止自动重启动脉冲的干扰；13)轻载 时自动降低开关频率，开关频率及占空比能随输出端负载的降低而自动减小，保证其在轻载 时仍具有很好的调节特性；14)停止逻辑和开启电压为 1 V 的电压比较器，通过改变线路检 测端流入或流出电流的大小及方向来控制开关电源的通、断状态。线路检测端内部还增加了 开启电压为l V 的电压比较器，此开启电压可用于远程通断控制。 3 TOPSwitch— GX 辅助电源设计 3 ．1 对辅助电源的要求 图2 示出医用牙科X 光机高压电源原理框图。交流市电经。EMI 滤波、整流、功率因数 校正后，通过串联开关调整将电压稳定到直流 160 V，一方面减少了市电波动对输出电压 的影响，提高了输出高压的稳定度；另一方面降低了后级开关管上的电压应力．并且多加一 级过流、过压保护，提高了系统的安全性。160 V 的直流电源再经全桥逆变、变压器升压 和整流倍压后输出60 kV 一70