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TOPSwitch-GX开关电源在牙科X光机中的应用

• 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塑封电感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TOPSwitch—GX系列开关电路成为最佳选择。

  
  2 内部结构及工作原理
  插件电感图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栅大电流电感极的驱动电流：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5．7V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．与内部振差模电感器荡器锯齿波相比较，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10ms．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 kV的高压给X射线管供电。其中用单片机实现良好的人机接口，并通过对SG1525的开启关断来精确控制底片的曝电感厂光时间，同时对灯丝进行恒流控制，实现不同的光剂量。

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  原理图：
  
  
  
  上下管驱动波形（因示波器两个探头共地，分开测）：
  
  
  空载输出波形：
  
  
  带50欧纯电阻波形：
  
  
  附件为AD原理图
  
  电源图.rar(18.09KB,下载次数:4)2016-5-2019:

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