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基于单片机和SA8282的三相逆变电源的研制
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&&&摘要：介绍由单片机和SA8282研制的三相逆变电源。给出了系统总体构成和主电路设计，介绍了SPWM产生器SA8282的结构特性和工作原理，SA8282全数字操作、工作方式灵活、频率范围宽、精度高功能强，可实现系统的智能化设计。文中详细介绍了采用单片机AT89C51和SPWM产生器SA8282组成系统控制器的软硬件设计，实现了逆变电源输出电压闭环控制。实验表明，由SA8282为控制芯片的逆变电源结构简单、输出波形好、性能稳定可靠，适合于中、小功率的应用场合。 &&&&关键词：正弦脉宽调制（SPWM）；SA8282；逆变电源；单片机&&&& &&&&1.引言 &&&&逆变器是构成交流不间断电源（UPS）及交流变频调速系统的核心部分，可独立构成系统成为变频电源装置，逆变电源在工业上有着广泛的应用，而大部分逆变电源电路结构和控制软件复杂，采用SPWM集成电路和关断开关设计逆变电源有较多的优越性。英国MITEL公司的推出的新型全数字化三相SPWM发生器SA8282，输出频率宽、精度高，可与微处理器接口，能完成外围控制功能和保护功能，可实现系统的智能化设计[3]。 &&&&本文介绍一种简单的三相逆变电源的设计，采用AT89C51单片机、SA8282波形发生器及交直交主电路构成。SA8282仅需要少量的外围硬件，而无需复杂的软件编程，使得本系统的电路结构简单、控制方便、性能稳定，同时设计有一定的保护电路，系统工作可靠。 &&&&2.逆变电源的系统组成及主电路设计[2]&&&&电压型逆变电源由主电路和控制器两部分组成，如图1所示。其中主电路采用交直交（AC/DC/AC）电源型变频器结构，由整流器、中间滤波器、逆变器和隔离变压器构成。输入功率级采用简单可靠的三相桥式不可控整流器，将电网交流电整流成直流，经中间滤波器滤波获得平滑的直流电压，逆变器开关采用富士公司的40KHz两单元IGBT模块三组（六只）组成三相H桥式电路。逆变电源的输入、输出之间为实现电气隔离和满足输出电压幅度的要求，在逆变电源中必须有变压器，对于三相变频电源采用在输出端接入变压器△/Y进行隔离变压，以减小电源的体积和重量。 &&&&3.SA8282特性功能与结构原理 &&&&SA8282是全数字化三相PWM发生器，频率范围宽、精度高，并可与微处理器进行接口，同时能够完成外围控制功能，因而可实现智能化。 &&&&3.1特性功能 &&&&SA8282采用28脚DIP封装，其外部引脚和内部结构如图2所示。各引脚的功能为，AD0～AD7是八位地址与数据复用总线，用于从微处理器接受地址与数据信息。&&W&R(R/&W)、&&R&D(DS)、ALE(AS)三个引脚为Intel(MOTOROLA)控制模式，SA8282在工作时可自动适应Intel或MOTOROLA控制模式，当ALE(AS)管脚变为高电平时，SA8282内部检测电路将自动锁存&R&D(DS)线上的状态。如果检测结果为低电平，则采用MOTOROLA控制模式；如果检测结果为高电平，则采用Intel控制模式。&R&S&T是复位端，低电平有效；&C&S为片选输入，该控制线可使SA8282与其它外围接口片共享同一组总线。RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB为标准TTL电平输出端(即PWM驱动信号)可分别驱动三相逆变器的六个功率开关器件。&T&R&IP为输出封锁状态指示，用于表明输出是否被封存，低电平有效。SETTRIP是关断触发信号输入端，当输入为高时，&T&R&IP及六个PWM输出端将迅速锁存在低电平状态，且只有在&R&S&T复位时才能解除。WSS是波形采样同步端口；ZPPB、ZPPY、ZPPR分别是三相信号的零相位脉冲输出端。CLX为时钟信号输入端。VDD是+5V偏置电源。VSS接地端。此外，SA8282芯片还具有以下特点： &&&&⑴全数字化 &&&&SA8282与微处理器相连时，可自动适应Intel和MOROTOLA两种总线接口，而且编程简捷方便。其全数字化的脉冲输出具有很高的精度和稳定性。 &&&&⑵工作方式灵活 &&&&SA8282具有六个标准的TIL电平输出端，可以驱动逆变器的六个功率开关器件。电路的载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数均可直接通过软件设定，而不需要任何外接电路，从而降低了硬件成本。 &&&&⑶工作频率范围宽、精度高 &&&&SA8282的三角载波频率可调，当时钟频率为12.5MHz时，载波频率最高可达24kHz，输出调制频率最高可达4kHz，输出频率的分辨率为12位。 &&&&3.2结构原理 &&&SA8282的内部结构和外部引脚如图2所示。主要包括初始化命令和控制命令寄存部分、从ROM中读取及产生PWM调制波形部分以及三相输出控制电路等三个功能部分。 &&&&⑴命令寄存器初始化及控制 &&&&由总线控制、地址/数据总线、暂存器R0～R2、虚拟寄存器R3～R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器构成。在工作时应首先进行初始化，从微处理器向初始化寄存器和控制寄存器输入控制字，进行系统参数设置，然后由微处理器向两个24位寄存器输入命令字，这两个寄存器分别被称为初始化寄存器和控制寄存器。由于总线的数据宽度被限制在8位字长，因此要把数据送到一个24位寄存器，应分三次分别送到三个暂存寄存器R0、R1、R2中。而数据由暂存寄存器R0、R1、R2送到初始化寄存器或控制寄存器是通过虚拟寄存器R3、R4的送数写指令来实现的，R3、R4实际上不存在，只在指令中出现。向R3送数的写指令用于将数据从R0、R1、R2传送到控制寄存器，而向R4送数的写指令则可将数据从R0、R1、R2传送到初始化寄存器。参数设定是通过控制字形式实现。 &&&&⑵读取ROM及产生PWM调制波形部分 &&&&由地址发生器、波形ROM及相位和控制逻辑构成。由于调制波形关于90°、180°、270°对称，所以波形ROM中仅保存了0～90°的波形瞬时值。工作时，SA8282可根据地址发生器的信号直接从波形ROM中读取波形数据，然后通过相位控制逻辑将其组成0～360°的完整波形和三相波形，不需要处理器进行处理，就可实现实时波形控制。 &&&&⑶三相输出控制电路 &&&&SA8282中的每相输出控制电路均由脉冲取消和脉冲延时电路构成。脉冲取消电路用于去掉脉冲宽度小于取消时间的脉冲，以保证最小输出脉冲宽度大于器件的开关周期。延时电路可保证死区间隔，其作用是在改变任一相中两个开关器件的状态时提供一个较短的延迟时间，以使这段时间里的两个开关都处于关状态，从而防止在转换瞬间桥臂开关元件出现共同(两个开关在状态转换期间造成直通短路)现象。 &&&&4.控制器的设计 &&&&逆变电源控制器如图1所示。由单片机AT89C51、SPWM发生器SA8282、驱动器HL402B和检测数据采集电路ADC0809以及保护电路、显示电路等组成，完成控制和驱动输出两大功能[4]。 &&&&4.1控制电路 &&&&单片机AT89C51及少量的外围扩展接口和SA8282三相SPWM产生器构成控制电路。单片机对SA8282进行初始化和输出脉宽控制、频率控制，同时完成对开环、闭环控制算法的运算和数据处理。模拟信号与数字信号的以及保护功能的逻辑判断等，由于SA8282和AT89C51共用一个石英晶体震荡器，故同步性能稳定，漂移小。单片机对逆变器输出电压的闭环控制原理如图3所示，单片机采用PI算法调节SA8282参数从而控制逆变电源输出电压。 &&&&4.2驱动电路 &&&&采用具有自保护功能的IGBT厚膜驱动集成电路HL402B，并配以外围接口器件，可应用于额定容量为200A/1.2kV和400A/600V的IGBT功率器件的直接门极驱动。HL402B驱动IGBT的外部接线如图4所示。 &&&&HL402B的优点是①自身具有降栅压和软关断的双重保护功能，其降栅压延迟时间，软关断斜率均可通过外接电容器进行整定；②能适应不同饱和压降的IGBT驱动和保护，在软关断和降栅压的同时能输出报警信号；③其内部有带静电屏蔽的光电藕合器，可用来实现与输入部分的隔离，显著提高了其抗共模干扰的能力；④可对信号进行脉冲功率放大，因逆变电路使用了6只IGBT，故需6只HL402B来驱动。 &&&&5.系统软件设计 &&&&由于系统采用了SA8282SPWM产生器，编程工作量大大减少，系统程序如图5所示，包括初始化程序、显示程序、按键监控程序、单周期工作测试、调压U、调频F、连续工作控制等模块。在初始化程序中，单片机对SA8282选送控制字，用于确定频率、死区时间、输出电压控制等。电压、频率的调整是把A/D转换的数据，经单片机处理后，根据设定值和实际值的差通过PI运算控制SA8282输出的电压和频率。显示程序将电压、电流、频率的数值通过LED分别显示出来。其中连续工作控制程序模块包括数据采集、PI电压控制运算、频率控制等子程序。电压、频率给定和实际电压值通过A/D转换数据采集、运算处理后，控制SA8282的输出电压SPWM脉宽和频率，从而控制逆变器输出电压和输出频率。 &&&&6.系统保护及抗干扰措施 &&&&逆变电源系统的主电路及H桥保护通过电流和电压互感器对逆变器输出进行监测，HL402B对IGBT的过流过压进行监测，一旦主电路及H桥发生异常，关机信号直接通过SA8282的SETTRIP端关闭PWM输出，单片机软件保护程序采集硬件电路送来的保护信号，发出关机命令，同时显示报警信号。软件保护程序也可从根据测试数据进行判断过流过压并进行保护控制。在控制程序中设置了WatchdogTimer防止单片机死机。特别是对单片机控制电路的供电电源采用高品质进线滤波器，可以有效地去除电源干扰。PCB板走线的合理趋向和分布，减少有害的耦合。对IGBT的栅极驱动电路采取Kelvin接地，保护H桥。 &&&&7.结束语 &&&&实验表明，利用单片计算机与SA8282三相脉宽调制波发生器的组合，大大简化了控制电路，减小了器件数量，缩小了体积，降低了成本，提高了载波频率，使输出波形为纯正弦。由测试结果可见，电压稳定度小于1﹪，频率稳定度为0.05﹪，总谐波含量为1﹪。其实验波形如图6所示。若超负载达到200﹪时，短路保护立即关闭电源，实施紧急保护，从而满足了性能指标的要求，采用厚膜驱动电路，具有自保护功能，采用硬件和软件双重保护使系统主电路和IGBT逆变器的工作更加可靠。控制器采用闭环控制，提高了系统的输出精度。 &&&&如果将逆变器作为变频电源，用于交流电机的变频调速系统时，则只需改变对SA8282初始化控制字的设定，就能方便地改变输出交流电的频率和工作电压，省去了大量的编程工作，还能做到实时控制。由于波形为纯正弦波，减少谐波影响，提高工作效率[1]。 &
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本书为二十几年来世界公认最权威的电源的设计指导著作《开关电源设计》的再版（第三版）。书中系统地论述了开关电源最常用拓扑的基本原理、磁性元件的设计原则及闭环反馈稳定性和驱动保护等。本书在讲述的过程中应用教学式、How&Why方法，讨论时结合了大量设计实例、设计方程和图表。本书同时涵盖了开关电源技术、开关电源接触片设计、材料和器件的最新发展等内容。本书可作为学习、设计开关电源弹片，研究高频开关电源的高校师生的教材，并可作为从事开关电源设计、开发工程师的设计参考资料。作&&&&者普利斯曼，比得斯，莫瑞译&&&&者王志强ISBN8出版社电子工业出版社出版时间开&&&&本16开版&&&&次3
本书为二十几年来世界公认最权威的电源的设计指导著作《开关电源设计》的再版（第三版）。书中系统地论述了开关电源最常用拓扑的基本原理、磁性元件的设计原则及闭环反馈稳定性和驱动保护等。本书在讲述的过程中应用教学式、How&Why方法，讨论时结合了大量设计实例、设计方程和图表。本书同时涵盖了开关电源技术、开关电源接触片设计、材料和器件的最新发展等内容。
各种最常用开关电源拓扑设计、解决日常设计难题所需的基础知识、变压器及磁设计原理的深入分析，以及在第二版基础上补充的电抗器设计和现代高速IGBT的最佳驱动条件等。
本书可作为学习、设计开关电源弹片，研究高频开关电源的高校师生的教材，并可作为从事开关电源设计、开发工程师的设计参考资料。普利斯曼（Abraham I. Pressman），是美国知名的电源顾问和专家，曾经做过军事雷达军官和四十多年的模数设计工程师。在过去的半个多世纪里，他为电子领域里的数个“第一”作出了重要贡献：第一个用粒子加速器获得10亿伏特电压的能量、第一台用于计算机工业的快速打印机、第一个在宇宙飞船上拍摄月球表面照片的技术，最早介绍用晶体管设计计算机逻辑电路的教科书，以及开关电源的教科书。
Pressman先生是《开关电源设计》前两版的作者。
比得斯（Keith. Billings），是一名注册电子工程师，电源领域的专家，《Switchmode Power Supply Hand-book》（由McGraw-Hill出版）的作者。他早期当过机械仪器制造商，为皇家空军的自动驾驶和电子指南设备等导航仪器做过技术支持；在政府的军事部门工作过，并专门从事包括UK3卫星的特殊仪器的设计。在过去的44年时间里，他专门从事开关电源设计和制造业。75岁时，仍然活跃于电源工业界，并在加拿大市成立了自己的咨询公司——DKB电源有限公司。在此书中，Keith献出了Abe Pressman关于电源设计的培训课程，以及自己关于磁学的培训课程——变压器和电感的设计。
Keith曾是一名狂热的帆船爱好者，但现在的爱好是玩滑翔机，在1993年时已建造了一艘高性能的滑翔机，1994年时曾在内华达明登滑翔至22，000英尺的海拔高度。
（Taylor Morey），是加拿大安大略省基臣纳尔市的康耐斯托加学院电子学科的教授，与人合著过教科书，曾在滑铁卢市的威尔福德劳瑞尔大学任教，在拉巴斯教电子工程专业课。他作为自由电源工程师和顾问，以及在的加拿大Varian的开关电源开发部、圭尔夫市的Hammond制造业和GFC电源工作时，多次与Keith Billings合作。在其职业生涯早期，曾在加拿大IBM大型计算机研究部和多伦多全球电视工作室工作。第1章基本拓扑
1.1引言——线性调整器和Buck、Boost及反相开关型调整器
1.2线性调整器——耗能型调整器
1.2.1基本工作原理
1.2.2线性调整器的缺点
1.2.3串接晶体管的功率损耗
1.2.4线性调整器的效率与输出电压的关系
1.2.5串接PNP型晶体管的低功耗线性调整器
1.3开关型调整器拓扑
1.3.1Buck开关型调整器
1.3.2Buck调整器的主要电流波形
1.3.3Buck调整器的效率
1.3.4Buck调整器的效率（考虑交流开关损耗）
1.3.5理想开关频率的选择
1.3.6设计例子
1.3.7输出电容
1.3.8有直流隔离调整输出的Buck调整器的电压调节
1.4Boost开关调整器拓扑
1.4.1基本原理
1.4.2Boost调整器的不连续工作模式
1.4.3Boost调整器的连续工作模式
1.4.4不连续工作模式的Boost调整器的设计
1.4.5Boost调整器与反激变换器的关系
1.5反极性Boost调整器
1.5.1基本工作原理
1.5.2反极性调整器设计关系
第2章推挽和正激变换器拓扑
2.2推挽拓扑
2.2.1基本原理（主/辅输出结构）
2.2.2辅输出的输入—负载调整率
2.2.3辅输出电压偏差
2.2.4主输出电感的最小电流限制
2.2.5推挽拓扑中的磁通不平衡（偏磁饱和现象）
2.2.6磁通不平衡的表现
2.2.7磁通不平衡的测试
2.2.8磁通不平衡的解决方法
2.2.9功率变压器设计
2.2.10初/次级绕组的峰值电流及有效值电流
2.2.11开关管的电压应力及漏感尖峰
2.2.12功率开关管损耗
2.2.13推挽拓扑输出功率及输入电压的限制
2.2.14输出滤波器的设计
2.3正激变换器拓扑
2.3.1基本工作原理
2.3.2输出/输入电压与导通时间和匝数比的设计关系
2.3.3辅输出电压
2.3.4次级负载、续流二极管及电感的电流
2.3.5初级电流、输出功率及输入电压之间的关系
2.3.6功率开关管最大关断电压应力
2.3.7实际输入电压和输出功率限制
2.3.8功率和复位绕组匝数不相等的正激变换器
2.3.9正激变换器电磁理论
2.3.10功率变压器的设计
2.3.11输出滤波器的设计
2.4双端正激变换器拓扑
2.4.1基本原理
2.4.2设计原则及变压器的设计
2.5交错正激变换器拓扑
2.5.1基本工作原理、优缺点和输出功率限制
2.5.2变压器的设计
2.5.3输出滤波器的设计
第3章半桥和全桥变换器拓扑
3.2半桥变换器拓扑
3.2.1工作原理
3.2.2半桥变换器磁设计
3.2.3输出滤波器的设计
3.2.4防止磁通不平衡的隔直电容的选择
3.2.5半桥变换器的漏感问题
3.2.6半桥变换器与双端正激变换器的比较
3.2.7半桥变换器实际输出功率的限制
3.3全桥变换器拓扑
3.3.1基本工作原理
3.3.2全桥变换器磁设计
3.3.3输出滤波器的计算
3.3.4变压器初级隔直电容的选择
第4章反激变换器
4.2反激变换器基本工作原理
4.3反激变换器工作模式
4.4断续工作模式
4.4.1输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系
4.4.2断续模式向连续模式的过渡
4.4.3反激变换器连续模式的基本工作原理
4.5设计原则和设计步骤
4.5.1步骤1：确定初/次级匝数比
4.5.2步骤2：保证磁心不饱和且电路始终工作于DCM模式
4.5.3步骤3：根据最小输出电阻及直流输入电压调整初级电感
4.5.4步骤4：计算开关管的最大电压应力和峰值电流
4.5.5步骤5：计算初级电流有效值和导线尺寸
4.5.6步骤6：次级电流有效值和导线尺寸
4.6断续模式下的反激变换器的设计实例
4.6.1反激拓扑的电磁原理
4.6.2铁氧体磁心加气隙防止饱和
4.6.3采用MPP磁心防止饱和
4.6.4反激变换器的缺点
4.V交流输入反激变换器
4.8连续模式反激变换器的设计原则
4.8.1输出电压和导通时间的关系
4.8.2输入、输出电流与功率的关系
4.8.3最小直流输入时连续模式下的电流斜坡幅值
4.8.4断续与连续模式反激变换器的设计实例
4.9交错反激变换器
4.9.1交错反激变换器次级电流的叠加
4.10双端（两开关管）断续模式反激变换器
4.10.1应用场合
4.10.2基本工作原理
4.10.3双端反激变换器的漏感效应
第5章电流模式和电流馈电拓扑
5.1.1电流模式控制
5.1.2电流馈电拓扑
5.2电流模式控制
5.2.1电流模式控制的优点
5.3电流模式和电压模式控制电路的比较
5.3.1电压模式控制电路
5.3.2电流模式控制电路
5.4电流模式优点详解
5.4.1输入网压的调整
5.4.2防止偏磁
5.4.3在小信号分析中可省去输出电感简化反馈环设计
5.4.4负载电流调整原理
5.5电流模式的缺点和存在的问题
5.5.1恒定峰值电流与平均输出电流的比例问题
5.5.2对输出电感电流扰动的响应
5.5.3电流模式的斜率补偿
5.5.4用正斜率电压的斜率补偿
5.5.5斜率补偿的实现
5.6电压馈电和电流馈电拓扑的特性比较
5.6.1引言及定义
5.6.2电压馈电PWM全桥变换器的缺点
5.6.3Buck电压馈电全桥拓扑基本工作原理
5.6.4Buck电压馈电全桥拓扑的优点
5.6.5Buck电压馈电PWM全桥电路的缺点
5.6.6Buck电流全桥拓扑——基本工作原理
5.6.7反激电流推挽拓扑（Weinberg电路）
第6章其他拓扑
6.1SCR谐振拓扑概述
6.2SCR和ASCR的基本工作原理
6.3利用谐振正弦阳极电流关断SCR的单端谐振逆变器拓扑
6.4SCR谐振桥式拓扑概述
6.4.1串联负载SCR半桥谐振变换器的基本工作原理
6.4.2串联负载SCR半桥谐振变换器的设计计算
6.4.3串联负载SCR半桥谐振变换器的设计实例
6.4.4并联负载SCR半桥谐振变换器
6.4.5单端SCR谐振变换器拓扑的设计
6.5Cuk变换器拓扑概述
6.5.1Cuk变换器的基本工作原理
6.5.2输出/输入电压比与开关管Q1导通时间的关系
6.5.3L1和L2的电流变化率
6.5.4消除输入电流纹波的措施
6.5.5Cuk变换器的隔离输出
6.6小功率辅助电源拓扑概述
6.6.1辅助电源的接地问题
6.6.2可供选择的辅助电源
6.6.3辅助电源的典型电路
6.6.4Royer振荡器辅助电源的基本工作原理
6.6.5作为辅助电源的简单反激变换器
6.6.6作为辅助电源的Buck调节器(输出带直流隔离)
第7章变压器及磁性元件设计
7.2变压器磁心材料与几何结构、峰值磁通密度的选择
7.2.1几种常用铁氧体材料的磁心损耗与频率和磁通密度的关系
7.2.2铁氧体磁心的几何尺寸
7.2.3峰值磁通密度的选择
7.3磁心最大输出功率、峰值磁通密度、磁心和骨架面积及线圈电流密度的选择
7.3.1变换器拓扑输出功率公式的推导
7.3.2推挽变换器输出功率公式的推导
7.3.3半桥拓扑输出功率公式的推导
7.3.4全桥拓扑输出功率公式的推导
7.3.5以查表的方式确定磁心和工作频率
7.4变压器温升的计算
7.5变压器中的铜损
7.5.2集肤效应
7.5.3集肤效应——定量分析
7.5.4不同规格的线径在不同频率下的交/直流阻抗比
7.5.5矩形波电流的集肤效应[14 ]
7.5.6邻近效应
7.6引言：利用面积乘积（AP）法进行电感及磁性元件设计
7.6.1AP法的优点
7.6.2电感器设计
7.6.3信号级小功率电感
7.6.4输入滤波电感
7.6.5设计举例：60Hz共模输入滤波电感
7.6.6差模输入滤波电感
7.7磁学：扼流线圈简介——直流偏置电流很大的电感
7.7.1公式、单位和图表
7.7.2有磁化直流偏置的磁化曲线特征
7.7.3磁场强度Hdc
7.7.4增加扼流圈电感或者额定直流偏置量的方法
7.7.5磁通密度ΔB
7.7.6气隙的作用
7.8磁设计——扼流圈磁心材料简介
7.8.1适用于低交流应力场合的扼流圈材料
7.8.2适用于高交流应力场合的扼流圈材料
7.8.3适用于中等范围的扼流圈材料
7.8.4磁心材料饱和特性
7.8.5磁心材料损耗特性
7.8.6材料饱和特性
7.8.7材料磁导率参数
7.8.8材料成本
7.8.9确定最佳的磁心尺寸和形状
7.8.10磁心材料选择总结
7.9磁学：扼流圈设计例子
7.9.1扼流圈设计例子：加了气隙的铁氧体磁心
7.9.2步骤一：确定20%纹波电流需要的电感量
7.9.3步骤二：确定面积乘积（AP）
7.9.4步骤三：计算最小匝数
7.9.5步骤四：计算磁心气隙
7.9.6步骤五：确定最佳线径
7.9.7步骤六：计算最佳线径
7.9.8步骤七：计算绕组电阻
7.9.9步骤八：确定功率损耗
7.9.10步骤九：预测温升——面积乘积法
7.9.11步骤十：核查磁心损耗
7.10磁学：用粉芯磁心材料设计扼流圈——简介
7.10.1影响铁粉芯磁心材料选择的因素
7.10.2粉芯材料的饱和特性
7.10.3粉芯材料的损耗特性
7.10.4铜耗——低交流应力时限制扼流圈设计的因素
7.10.5磁心损耗——高交流应力时限制扼流圈设计的因素
7.10.6中等交流应力时的扼流圈设计
7.10.7磁心材料饱和特性
7.10.8磁心的几何结构
7.10.9材料成本
7.11扼流圈设计例子：用环形Kool Mμ材料设计受铜耗限制的扼流圈
7.11.1引言
7.11.2根据所储存能量和面积乘积法选择磁心尺寸
7.11.3受铜耗限制的扼流圈设计例子
7.12用各种E形粉芯设计扼流圈的例子
7.12.1引言
7.12.2第一个例子：用#40E形铁粉芯材料设计扼流圈
7.12.3第二个例子：用#8E形铁粉芯磁心设计扼流圈
7.12.4第三个例子：用#60 E形Kool Mμ磁心设计扼流圈
7.13变感扼流圈设计例子：用E形Kool Mμ磁芯设计受铜耗限制的扼流圈
7.13.1变感扼流圈
7.13.2变感扼流圈设计例子
第8章双极型大功率晶体管的基极驱动电路
8.2双极型晶体管的理想基极驱动电路的主要目标
8.2.1导通期间足够大的电流
8.2.2导通瞬间基极过驱动峰值输入电流Ib1
8.2.3关断瞬间反向基极电流尖峰Ib2
8.2.4关断瞬间基射极间的-1~-5V反向电压尖峰
8.2.5贝克（Baker）钳位电路（能同时满足高、低β值的晶体管工作要求的电路）
8.2.6对驱动效率的改善
8.3变压器耦合的贝克（Baker）钳位电路
8.3.1Baker钳位的工作原理
8.3.2使用变压器耦合的Baker钳位电路
8.3.3结合集成变压器的Baker钳位
8.3.4达林顿管（Darlington）内部的Baker钳位电路
8.3.5比例基极驱动
8.3.6其他类型的基极驱动电路
第9章MOSFET和IGBT及其驱动电路
9.1MOSFET概述
9.1.1IGBT概述
9.1.2电源工业的变化
9.1.3对新电路设计的影响
9.2MOSFET管的基本工作原理
9.2.1MOSFET管的输出特性（Id-Vds）
9.2.2MOSFET管的通态阻抗rds(on)
9.2.3MOSFET管的输入阻抗米勒效应和栅极电流
9.2.4计算栅极电压的上升和下降时间已获得理想的漏极电流上升和下降时间
9.2.5MOSFET管栅极驱动电路
9.2.6MOSFET管rds温度特性和安全工作区
9.2.7MOSFET管栅极阈值电压及其温度特性
9.2.8MOSFET管开关速度及其温度特性
9.2.9MOSFET管的额定电流
9.2.10MOSFET管并联工作
9.2.11推挽拓扑中的MOSFET管
9.2.12MOSFET管的最大栅极电压
9.2.13MOSFET管源漏极间的体二极管
9.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）概述
9.3.1选择合适的IGBT
9.3.2IGBT构造概述
9.3.3IGBT工作特性
9.3.4IGBT并联使用
9.3.5技术参数和最大额定值
9.3.6静态电学特性
9.3.7动态特性
9.3.8温度和机械特性
第10章磁放大器后级调节器
10.2线性调整器和Buck后级调整器
10.3磁放大器概述
10.3.1用作快速开关的方形磁滞回线磁心
10.3.2磁放大器中的关断和导通时间
10.3.3磁放大器磁心复位及稳压
10.3.4利用磁放大器关断辅输出
10.3.5方形磁滞回线磁心特性和几种常用磁心
10.3.6磁心损耗和温升的计算
10.3.7设计实例——磁放大器后级整流
10.3.8磁放大器的增益
10.3.9推挽电路的磁放大器输出
10.4磁放大器脉宽调制器和误差放大器
10.4.1磁放大器脉宽调制及误差放大器电路
第11章开关损耗分析与负载线整形缓冲电路设计
11.2无缓冲电路的晶体管的关断损耗
11.3RCD关断缓冲电路
11.4RCD缓冲电路中电容的选择
11.5设计范例——RCD缓冲电路
11.5.1接电源正极的RCD缓冲电路
11.6无损缓冲电路
11.7负载线整形（减少尖峰电压以防止晶体管二次击穿的缓冲器）
11.8变压器无损缓冲电路
第12章反馈环路的稳定
12.2系统振荡原理
12.2.1电路稳定的增益准则
12.2.2电路稳定的增益斜率准则
12.2.3输出LC滤波器的增益特性（输出电容含/不含ESR）
12.2.4脉宽调制器的增益
12.2.5LC输出滤波器加调制器和采样网络的总增益
12.3误差放大器幅频特性曲线的设计
12.4误差放大器的传递函数、极点和零点
12.5零点、极点频率引起的增益斜率变化规则
12.6只含单零点和单极点的误差放大器传递函数的推导
12.7根据2型误差放大器的零点、极点位置计算相移
12.8考虑ESR时LC滤波器的相移
12.9设计实例——含有2型误差放大器的正激变换器反馈环路的稳定性
12.103型误差放大器的应用及其传递函数
12.113型误差放大器零点、极点位置引起的相位滞后
12.123型误差放大器的原理图、传递函数及零点、极点位置
12.13设计实例——通过3型误差放大器反馈环路稳定正激变换器
12.143型误差放大器元件的选择
12.15反馈系统的条件稳定
12.16不连续模式下反激变换器的稳定
12.16.1从误差放大器端到输出电压节点的直流增益
12.16.2不连续模式下反激变换器的误差放大器输出端到输出电压节点的传递函数
12.17不连续模式下反激变换器误差放大器的传递函数
12.18设计实例——不连续模式下反激变换器的稳定
12.19跨导误差放大器
第13章谐振变换器
13.2谐振变换器
13.3谐振正激变换器
13.3.1某谐振正激变换器的实测波形
13.4谐振变换器的工作模式
13.4.1不连续模式和连续模式；过谐振模式和欠谐振模式
13.5连续模式下的谐振半桥变换器
13.5.1并联谐振变换器（PRC）和串联谐振变换器（SRC）
13.5.2连续模式下串联负载和并联负载谐振半桥变换器的交流等效电路和增益曲线
13.5.3连续模式（CCM）下串联负载谐振半桥变换器的调节
13.5.4连续模式下并联负载谐振半桥变换器的调节
13.5.5连续模式下串联/并联谐振变换器
13.5.6连续模式下零电压开关准谐振变换器
13.6谐振电源小结
第14章开关电源的典型波形
14.2正激变换器波形
14.2.180%额定负载下测得的Vds和Id的波形
14.2.240%额定负载下的Vdc和Ids的波形
14.2.3导通/关断过程中漏源极间电压和漏极电流的重叠
14.2.4漏极电流、漏源极间的电压和栅源极间的电压波形的相位关系
14.2.5变压器的次级电压、输出电感电流的上升和下降时间与功率晶体管漏源电压波形
14.2.6图14.1中的正激变换器的PWM驱动芯片（UC3525A）的波形
14.3推挽拓扑波形概述
14.3.1最大、额定及最小电源电压下，负载电流最大时变压器中心抽头处的电流和
开关管漏源极间的电压
14.3.2两开关管Vds的波形及死区期间磁心的磁通密度
14.3.3栅源极间电压、漏源极间电压和漏极电流的波形
14.3.4漏极处的电流探头与变压器中心抽头处的电流探头各自测量得到的漏极电流
波形的比较
14.3.5输出纹波电压和整流器阴极电压
14.3.6开关管导通时整流器阴极电压的振荡现象
14.3.7开关管关断时下降的漏极电流和上升的漏源极间电压重叠产生的交流开关损耗
14.3.820%最大输出功率下漏源极间电压和在变压器中心抽头处测得的漏极电流的波形
14.3.920%最大输出功率下的漏极电流和漏极电压的波形
14.3.1020%最大输出功率下两开关管漏源极间电压的波形
14.3.11输出电感电流和整流器阴极电压的波形
14.3.12输出电流大于最小输出电流时输出整流器阴极电压的波形
14.3.13栅源极间电压和漏极电流波形的相位关系
14.3.14整流二极管（变压器次级）的电流波形
14.3.15由于励磁电流过大或直流输出电流较小造成的每半周期两次“导通”的现象
14.3.16功率高于额定最大输出功率15%时的漏极电流和漏极电压的波形
14.3.17开关管死区期间的漏极电压振荡
14.4反激拓扑波形
14.4.1引言
14.4.290%满载情况下，输入电压为其最小值、最大值及额定值时漏极电流和漏源极间
电压的波形
14.4.3输出整流器输入端的电压和电流波形
14.4.4开关管关断瞬间缓冲器电容的电流波形
第15章功率因数及功率因数校正
15.1功率因数
15.2开关电源的功率因数校正
15.3校正功率因数的基本电路
15.3.1用于功率因数校正的连续和不连续工作模式Boost电路对比
15.3.2连续工作模式下Boost变换器对输入网压变化的调整
15.3.3连续工作模式下Boost变换器对负载电流变化的调整
15.4用于功率因数校正的集成电路芯片
15.4.1功率因数校正芯片Unitrode UC3854
15.4.2用UC3854实现输入电网电流的正弦化
15.4.3使用UC3854保持输出电压恒定
15.4.4采用UC3854芯片控制电源的输出功率
15.4.5采用UC3854芯片的Boost电路开关频率的选择
15.4.6Boost输出电感L1的选择
15.4.7Boost输出电容的选择
15.4.8UC3854的峰值电流限制
15.4.9设计稳定的UC3854反馈环
15.5Motorola MC34261功率因数校正芯片
15.5.1Motorola MC34261的详细说明（图15.11）
15.5.2MC34261的内部逻辑及结构（图15.11和图15.12）
15.5.3开关频率和L1电感量的计算
15.5.4MC34261电流检测电阻（R9）和乘法器输入电阻网络（R3和R7）的选择
第16章电子镇流器——应用于荧光灯的高频电源
16.1引言：电磁镇流器
16.2荧光灯的物理特性和类型
16.3电弧特性
16.3.1在直流电压下的电弧特性
16.3.2交流驱动的荧光灯
16.3.3带电子镇流器荧光灯的伏安特性
16.4电子镇流器电路
16.5DC/AC逆变器的一般特性
16.6DC/AC逆变器拓扑
16.6.1电流馈电式推挽拓扑
16.6.2电流馈电式推挽拓扑的电压和电流
16.6.3电流拓扑中的“电流馈电”电感的幅值
16.6.4电流馈电电感中具体磁心的选择
16.6.5电流馈电电感线圈的设计
16.6.6电流馈电拓扑中的铁氧体磁心变压器
16.6.7电流馈电拓扑的环形磁心变压器
16.7电压馈电推挽拓扑
16.8电流馈电并联谐振半桥拓扑
16.9电压馈电串联谐振半桥拓扑
16.10电子镇流器的封装
第17章用于笔记本电脑和便携式电子设备的低输入电压变换器
17.2低输入电压芯片变换器供应商
17.3凌特（Linear Technology）公司的Boost和Buck变换器
17.3.1凌特LT1170 Boost变换器
17.3.2LT1170 Boost变换器的主要波形
17.3.3IC变换器的热效应
17.3.4LT1170 Boost变换器的其他应用
17.3.5LTC其他类型高功率Boost变换器
17.3.6Boost变换器的元件选择
17.3.7凌特Buck变换器系列
17.3.8LT1074 Buck变换器的其他应用
17.3.9LTC高效率、大功率Buck变换器
17.3.10凌特大功率Buck变换器小结
17.3.11凌特低功率变换器
17.3.12反馈环的稳定性
17.4Maxim公司的变换器芯片
17.5由芯片产品构成的分布式电源系统随着医学电子技术的高度发展，医疗设备的种类也越来越多，医疗设备与现代医疗诊断、治疗关系日益密切，任何医疗设备都离不开安全稳定的电源，且大部分为开关电源。在日常诊断与治疗过程中往往会遇到设备因电源故障而无法使用，此时就需要医疗服务机构的临床医学工程师结合自身经验和专业知识为临床部门提供迅速、高效的服务。由于医疗设备的特殊性，设备电源互换性差，有的甚至缺少技术图纸，这给维修工作带来极大的不便[1]。
医疗设备开关电源一般可以分为 和 两大类，一次电源AC/DC 变换器输入为50/60Hz、220V 交流电，必须经整流、滤波，体积较大的滤波电解电容是不可少的，且交流输入必须加上EMC 滤波及使用安全标准的器件。二次电源DC/DC 变换器用以进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路检测输出电压变化，并与基准电压比较，误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。基本结构见图1。
医疗设备开关基本结构
图1 医疗设备开关基本结构
开关电源损坏从损坏元件上大致可分为：①感性、容性和阻性器件损坏;②功率半导体器件损坏;③ PWM IC损坏;④光电耦合器损坏;⑤其他，如晶振、风扇等电源器件损坏。
按电源工作流程上可分为：①交流输入故障;② DC/DC 变换器故障;③驱动电路故障;④ PWM 电路故障;⑤取样电路故障。开关电源故障种类繁多，在此不能一一详列，下面结合实际维修实例对以上2 种分类中典型维修技术进行探讨。
1输入电路故障
医疗设备开关电源的输入电路一般包括开关、熔断丝、交流抗干扰电路和软启动电路等。开关、熔断丝和交流抗干扰电路故障很容易发现，其中开关损坏可以直接更换，但熔断丝损坏最好检查一下负载是否严重短路，并换上同样安培数的熔断丝通电时监测总输入电流。交流抗干扰电路故障一般因电容器使用时间长而失效较常见。软启动电路是开关电源保护电路之一，开关电源的输入电路大都采用整流加电容器滤波电路设计，在输入电路合闸瞬间。由于电容器上的起始电压为0，会形成很大的瞬间冲击电流。
为此，医疗设备开关电源一般都在输入电路中设置防冲击电流的软启动电路。
常见的软启动电路有热敏电阻防冲击电流电路、SCR-R 电路、继电器与电阻构成的电路、采用定时触发器与限流电阻的电路，以及过零触发的光耦可控硅与双向可控硅构成的电路等。下面以热敏电阻防冲击电流、电路为例简单说明其工作原理：热敏电阻分为正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)。PTC 常态阻值较低。当有过大的异常电流流过时，因PTC 自身发热使其电阻值迅速增加，变大电阻，起限流的作用;NTC 热敏电阻在电源接入瞬间，阻值较大，达到限制冲击电流的作用。
当电路处于正常工作状态时，电阻发热而使其阻值变小。
NTC 热敏电阻防冲击电流电路由于热敏电阻的热惯性，重新恢复原始阻值需要时间，当电源断电后又快速接通时起不到限流作用。
输液泵及部分小功率医疗设备电源中很多便采用PTC热敏电阻限流或NTC 热敏电阻防冲击电流电路设计。其中，PTC 热敏电阻在遭遇雷电或强电流的时候容易损坏，始终呈低阻态而通电便烧熔断丝。而NTC 热敏电阻往往出现开路故障，导致一次电源DC 无AC 接入。
2光电耦合器故障
光耦合器(Optical Coupler)亦称光电耦合器，简称。是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把红外线发光二极管与光敏半导体封装在同一管壳内，当输入端加电信号时，发光二极管发出光线，光敏半导体接受光线就产生电信号，从输出端流出，从而实现“电- 光- 电”转换。它广泛应用于信号隔离、开关电路、脉冲放大、固态继电器(SSR)等电路中。另外，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流改变占空比，达到精密稳压的目的。
光耦能实现电气隔离，还有抗干扰能力强、使用寿命长、传输效率高等优点[3]。但遇到光耦合器性能下降导致电路故障在医疗设备开关电源中还是比较多的。
例1 ：Philips BV25 X 线机的电源不少临床医学工程人员都接触过。其中，因光电耦合器性能不良导致无法开机几乎成为该电源的通病。BV25 主电源采用了无触点软启动电路设计。当220V 接入时，一路变压器提供一组28V 和多组7V 电源，28V 经整流稳压后得到+15V 电压向电源控制板提供电源，7V 供给各组光耦合器。电源板上H1 若为绿灯，则大致可判断28V 和7V 输出正常。可控硅V1-V3及光耦(4N25)B1-B6 性能不良均会导致开机失败，判断V3 是否损坏需拆下测量，否则容易误判。
例2 ： OHMEDA 2000 婴儿温箱，温度到设定值后继续上升，报“E013”。查维修手册提示为“Header notswitching off”。排除thermal switch 故障后，最大可能是SSR内光耦合器的性能不良所致，更换该器件后温箱工作正常。
医疗设备开关电源和其他开关电源一样，功率器件是必不可少的。其中用的较多的有功率二极管、可控硅(SCR)和功率场效应管等。在维修过程中，功率器件是重点检查对象，此类器件的损坏，会导致开机保护或烧熔断丝。在维修中发现该类器件损坏时，除更换同参数器件外，还必须检查外围高压电容及限流或电流检测电阻。
例1 ：Alcon Universal II 型超声乳化仪开机面板无显示，“Standby”灯闪烁，开关电源有“吱吱”声，可大致判断电源有保护动作。该电源用到了 UC3842、UC3843 和UC3854等PWM IC，各IC 电流检测端均提示过流，且各供电端电压跳变。排除PWM IC 及外围电路损坏后，重点检查功率器件，其中一路电源的开关管(IRF460)击穿，更换该场效应管后又检查了其外围电路，发现与其连接的C26 高压电容(1KV)已击穿，更换C26 后通电，主+24V 输出正常，将机器所有连线恢复，各组电压正常且整机工作稳定。
例2 ：SHIMADZU OPESCOPE 50N 型X 线机监视器无显示，指示灯闪烁，该X 线机总供电为220V，而监视器供电为110V，送修前操作人员单独对监视器加220V 后指示灯不亮。该监视器电源采用STR 54041 开关电源厚膜模块设计，其DS 极已击穿，且D1722 被击穿，更换后接假负载各路电源输出正常，恢复电路连线后指示灯亮，机内有“嗒嗒”声，但仍无显示，后检查发现行管Q9 和保险电阻R71损坏，更换后整机工作正常。
4 PWM IC及外围电路故障
电源控制芯片与开关管组合在医疗设备开关电源中应用很普遍，一个电源甚至还会多处用到。PWM 开关稳压或稳流电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源与输出电压或电流等被控制信号稳定。
PWM 的开关频率一般固定，控制取样信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的。
同时，可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁及均流等功能。
在维修开关电源时，当整流滤波电路、开关管正常情况下，通常要检测PWM IC 及外周电路是否正常，这样会达到事半功倍的效果。PWM IC 基本上都存在IC 供电、基准电压、驱动脉冲、电流检测及取样调整电路等。PWM IC供电一般是主电源经一电阻降压所得，通常称为启动电阻，若该电阻开路或变大，提供给IC 供电低将导致电源不启动。
当供电正常时，重点检查基准电压及驱动脉冲是否正常，然后监测电流传感端电压是否正常，接着要仔细检测传感支路。判断PWM IC 自身故障的方法一般是通过测量引脚间阻抗或给供电端输入标称电压，观察基准电压是否准确。
例1 ：北美GS 麻醉机+5V、+12V 电源板无输出。该机器开关电源初级PWM IC 芯片为UC3845，保险和主要功率器件完好，计划先检查PWM IC 芯片供电、基准电压和电流检测端引脚电压，发现+300V 正常，7 脚无电压输入。
原因是100K 启动电阻开路。更换后，PWM IC 供电正常，6 脚输出脉冲波形稳定，+5V、+12V 输出电压正确。
例2 ：Stryker 腔镜监视器，电源由开关管BUK456、UC3824 及外围电路组成。UC3842 因第6 脚与5 脚短路而损坏，BUK456 的DS 极击穿，电流检测电阻开路，且脉冲输出端串联电阻开路，更换上述器件后，工作正常。若只是更换外围电路损坏器件，而未发现UC3842 自身损坏，换上的器件在开机瞬间会重新损坏。因此，在维修中要排除PWM IC 自身故障。
5其他电源部件故障
在维修当中，往往会遇到一些并非电子器件完全损坏所致的故障。如电容容量变小、线路板部分隐蔽性接触不良、电源灰尘过多或散热不良导致电源不稳定及部分风扇控制电路故障致电源停振等。由于这类问题通过传统检测方法有些困难，因此，根据经验和分析采取替换方式排除。
在维修医疗设备电源时，首先要对灰尘进行处理，可用吸尘器和大功率冷风机清除，在处理过程中要减少人体静电和防止线路板电容器对人体放电。对有大量风扇的电源一定要检查风扇的转速，特别是那些带转速控制或速度检测的风扇，不确定时可采取替换法解决。
例1 ：日立7170A生化仪+5V 开关电源，开机正常工作几分钟后，电源指示灯由绿变灭，+5V 输出停止，散热风扇无明显异常，功率部件和PWM IC 正常，但在做完清洁后未接风扇电源无输出。换上普通的2 线CPU 风扇依然无输出，将该风扇测速线接上并连入线路板后，电源输入正常且可连续工作。因此，可得出原风扇因时间较长转速降低致电源停振的结论。以前，+24V 也出现过此类问题，当时因设备使用较急更换了新的电源模块后恢复正常。
例2 ：TOSHIBA 240A 型B 超连续工作时间较长后电源外壳发烫，且经常出现过温保护。该类故障一般是因为内部灰尘过多或内部风扇转速变低致整个电源工作环境变差所致。将电源拆下彻底除尘，更换电源底部和背面风扇后电源温度明显下降，机器工作正常，且1 年未出现故障。
医疗设备种类繁多，大功率、大电流的开关电源在医疗设备中应用相当广泛。开关电源故障占医疗设备故障的60% 以上。因此，掌握开关电源的维修是每个临床医学工程人员的基本技能，也是难点。本文只结合实际维修经验对医疗设备开关电源的维修技术进行了探讨，希望更多同行专家提出宝贵意见并对医疗设备开关电源作进一步研究。
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