一種基于頻率同步的低噪聲電源適配器設計*

包爾恒,何 玲,高 軍,周小義

(1.廣東水利電力職業技術學院自動化工程系,廣州 510925;2.深圳麥格米特電氣股份有限公司,廣東 深圳 518057)

一種基于頻率同步的低噪聲電源適配器設計*

包爾恒1*,何 玲1,高 軍2,周小義2

(1.廣東水利電力職業技術學院自動化工程系,廣州 510925;2.深圳麥格米特電氣股份有限公司,廣東 深圳 518057)

針對電源適配器高頻開關信號的噪聲干擾對某些精密儀器性能(如B超機顯示清晰度)的影響問題,提出通過適配器開關頻率和系統設備工作頻率同步方式解決噪聲干擾的設計思路。以便攜式B超機電源適配器設計實踐為例,介紹了同步電路的設計方法、功率電路拓撲和輔助電源方案。同步功能通過實驗驗證,采用該方案的電源適配器已成功應用于某全球知名B超機產品。

噪聲干擾;頻率同步;B超機;不對稱半橋

精密儀器通常采用電源適配器供電,適配器的高頻開關噪聲對儀器性能的影響一直倍受關注,尤其是B超機類影像設備,來自電源適配器的高頻開關信號對其顯示清晰度的影響是該類設備制造商關注的關鍵問題[1];由于開關電源對系統設備的干擾信號頻率通常是開關頻率或其諧波頻率,基于通信理論頻率同步機理[2],若開關電源開關頻率和系統工作頻率相同或者為系統工作頻率的整數倍分頻,則從根源上可以解決相互的干擾。基于上述思路,本文提出一種通過兩者頻率同步解決干擾問題的設計方案,以便攜式B超機適配器設計實踐為例,詳細分析了同步電路設計方法并介紹了電源拓撲選擇和輔助電源方案,經驗證取得良好效果并成功應用于某全球知名B超機產品。

1 原理與設計

1.1 頻率同步的設計思路及分頻電路

本文以某便攜式B超機電源適配器設計實踐為例,其規格要求:通用輸入85 V～264 V AC;輸出150 W/24 V;運行環境溫度10 ℃～50 ℃;殼溫不超過71 ℃;具有頻率同步功能(B超系統工作頻率450 kHz～500 kHz)[3]。

將B超系統的實時工作頻率信號通過兩者的連接電纜引入適配器內部,由于B超系統常規的工作頻率為450 kHz～500 kHz左右[4-5],對開關電源來說,從開關器件的開關速度和開關損耗考慮,該頻率作為開關頻率就會太高。本文的處理方案是將來自B超系統的頻率信號進行分頻,通過適當的電路設計,使開關頻率和分頻后的頻率相同,當B超系統的工作頻率實時變化時,開關頻率跟隨變化且始終保持為系統頻率的分頻頻率,以消除或降低相互的干擾。設計要求上要做到未連接系統時適配器以自身設置的開關頻率工作,一旦接入系統,則開關頻率跟隨系統頻率,基本原理如圖1所示。

圖2為實際設計的分頻電路,以12位二進制串行計數器CD4040[6]作為分頻器,根據其原理,管腳6為Q3,即23=8分頻信號,管腳7為Q2即22=4分頻信號,來自B超系統的工作頻率信號SYNC經分頻器CD4040分頻后,通過雙通道高速光耦HCPL2630[7]隔離后送至適配器原邊作為PFC(功率因數校正,Power Factor Correction)和DC-DC變換的頻率同步信號SYNC1和SYNC2。

圖1 頻率同步設計思路

圖2 分頻電路

1.2 功率因數校正(PFC)及同步電路設計

PFC主電路采用常規Boost電路(圖3),考慮到二極管反向恢復電流造成開關損耗和EMI問題[8],這里采用反向恢復電流極小的3 A/600 V碳化硅二極管;考慮和系統頻率的同步,控制芯片采用具有同步功能引腳(SYNC)的PFC專用控制芯片L4981A[9-10],PFC開關頻率采用B超系統工作頻率的8分頻頻率,即:(450 kHz～500 kHz)/8=56.25 kHz～62.5 kHz。同步要求SYNC腳的信號頻率必須高于芯片外圍參數設置的振蕩頻率,所以無同步時開關頻率設置為50 kHz,取Rt=39 kΩ,Ct=1 nF,實測設置的固有頻率為49 kHz。具體電路設計如圖4所示。

圖3 交流輸入及PFC主電路

圖4 PFC控制芯片及同步電路

1.3 DC-DC變換及同步電路設計

1.3.1 DC-DC變換拓撲選擇及控制方案

由于要求開關頻率跟隨實時變化的B超系統工作頻率,DC-DC變換拓撲只能采用脈寬調制PWM(Pulse Width Modulation)調制而不能選擇脈沖頻率調制PFM(Pulse Frequency Modulation)調制模式,比如目前常用的LLC諧振拓撲在此不適用,因為其頻率隨著負載和輸入輸出變化而不受外來頻率的控制;另外,由于對適配器殼溫的限制(該適配器要求環境溫度50 ℃且低壓輸入滿載工作時殼溫不超過71 ℃),故所選拓撲應具有高效率的特點,從功率等級和成本等綜合考慮,選擇具有ZVS軟開關特性的不對稱半橋作為DCDC變換的拓撲[11-12](見圖5)。從不對稱半橋電路偏磁引起變壓器飽和角度考慮[13-14],占空比不能大于50%,這里選用UC3845[15]配合半橋專用驅動芯片L6384[16]作為控制及驅動方案(見圖6)。

圖5 不對稱半橋DC-DC變換拓撲

圖6 DC-DC變換方案

圖7 UC3845同步控制電路

1.3.2 UC3845同步電路設計

UC3845沒有專門的頻率同步功能引腳,但通過恰當的外圍電路(圖7)可以實現同步功能,方法是電容C6(CT)不直接接地,而是同過一個小電阻接地,當有外部同步脈沖信號輸入時,電阻上的壓降負責將4腳C6電壓在同步脈沖出現時刻提升至高于振蕩器的內部上門限值,引發C6電容在該時刻放電(放電斜率不變),達到振蕩頻率和同步脈沖頻率一致,具體原理見圖8。由于UC3845具有一個由振蕩器驅動的內部二分頻觸發器以控制最大占空比小于50%,因此必須將其振蕩器的運行頻率設定為期望的電源開關頻率的兩倍[13],這里以系統頻率的4分頻信號作為其同步信號,即:(450 kHz～500 kHz)/4=112.5 kHz～125 kHz,則同步后對應的開關頻率為56.25 kHz～62.5 kHz。根據上述同步原理,UC3845固有的振蕩頻率必須低于同步信號頻率才能完成同步,所以將固有的振蕩頻率設置為低于100 kHz,這里設置為約90 kHz,取RT、CT(R18、C6)分別為8.6 kΩ和2 200 pF,具體的同步電路及參數如圖6。同步電路設計需注意:(1)電路參數設計要確保同步信號脈沖具有一定的幅值,使得在VCT三角波的任何時刻疊加同步脈沖后都能達到振蕩器內部上門限值才能確保同步的實現;(2)電容CT(C6)的值不能小于1 000 pF以免該腳受噪聲干擾。

圖8 UC3845同步控制原理

圖9 輔助電源

1.4 輔助電源方案

考慮和系統頻率的同步,輔助電源不能采用常規反激變換器,否則需增加和輔助電源開關頻率同步的電路導致設計復雜化,原邊輔助電源方案如圖9所示。將輸入整流橋后直流電壓Vdc引入,經恒壓源方式提供VCC1供電源啟動,啟動后輔助電源由PFC電感副繞組電壓經倍壓整流和線性穩壓后提供,當V1電壓達到一定值后關閉恒壓源。

副邊輔助電源方案如DC-DC主電路(圖5)所示,采用從輸出濾波電感L2副繞組取電,經78L05穩壓為5 V,主要為副邊的分頻器等控制電路提供工作電源。

2 實驗

實驗測試采用從單片機發出450 kHz～500 kHz的同步信號(模擬連接B超系統時來自系統的工作頻率)送入適配器的方法進行,測試波形如圖10、圖11所示。CH1:PFC開關管驅動波形;CH2:DCDC開關管下管驅動波形;CH3:分頻后經隔離光耦送到原邊的同步信號波形SYNC2(取4分頻信號測試);CH4:模擬B超系統的工作頻率脈沖(492 kHz下測試)。

圖10 無同步信號時PFC和DC-DC開關管驅動波形

圖11 同步信號及開關管驅動波形

從測試波形可以看出,無同步信號時PFC和DCDC按照各自設置的開關頻率工作,分別為49 kHz和45.4 kHz;當接入同步信號后(492 kHz),PFC和DCDC都以同步信號的8分頻頻率工作(61.5 kHz)。當同步信號設置為450 kHz～500 kHz頻段其他頻率時,實驗測試同樣具有同步功能,這里從略。

另外,由于采用軟開關方案,適配器具有較高的變換效率(額定態為90.2%),所以殼溫滿足要求;適配器用于某全球知名便攜式B超機,其顯示清晰度明顯改善(無同步和同步對比測試)。

3 結論

本文提出并設計的具有同步功能的電源適配器可解決電源適配器對某些精密儀器的噪聲干擾問題,適配器開關頻率和外頻率的同步功能通過實驗驗證,已成功應用于某全球知名便攜式B超機系統,設計思路對噪聲干擾敏感型儀器的電源適配器設計具有參考借鑒價值。

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ALowNoisePowerAdapterDesignwithFrequencySynchronization*

BAOErheng1*,HELing1,GAOJun2,ZHOUXiaoyi2

(1.Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering,Guangzhou 510925,China;2.Shenzhen MEGMEET Electrical Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong 518057,China)

Based on the problem that noise interference from high-frequency switching signal of power adapter affects the performance of some precision instruments such as B ultrasound machine display clarity,a design idea of frequency synchronization between the adapter switching frequency and system operating frequency is presented. By portable B ultrasonic machine power adapter design as an example,the design method of synchronizing circuit and design schemes of power circuit topology and auxiliary power are introduced. By test,the power adapter has the frequency synchronization function and has been successfully applied to the world-famous B ultrasound machine products.

noise interference;frequency synchronization;Bultrasonic machine;asymmetrical half-bridge

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.015

項目來源:廣東水利電力職業技術學院“一流高職”科學研究和社會服務能力建設項目(cy060402y02)

2016-10-26修改日期2016-12-07

TM46

A

1005-9490(2017)05-1126-04

包爾恒(1971-),男,漢族,甘肅定西人,碩士,高級工程師,研究方向為電力電子變流裝置,beh880825@126.com。