便携高频止血器应急电源电路的设计与应用

朱兴喜 史兆荣 汤黎明 王星星 戚仕涛 于春华

1 前言

应急UPS（不间断电源Uninterruptible Power Supply）电源整体体积较大，内部使用蓄电池供电使得其整体重量较重，不方便携带，同时UPS电源在蓄电池贮能耗尽时需要交流充电，在无交流电时也不能工作，因此为方便在野外使用便携式高频止血器，我们设计了一款新颖的交、直流充电两用的供电装置，它重量轻，体积小，在有交流电时由交流电供电，在无交流电时由本身锂离子电池或洗车电瓶逆变供电，并且锂离子电池可由交流电、洗车电瓶充电，确保在应急时使用。下面介绍电路的设计原理及应用。

2 电路原理

2.1 交流电供电和充电电路

交流电分为两路，一路直接给便携式高频止血器供电；另一路通过A/D电源转换，为锂离子电池充电。

电源从交流电转换为直流电通常有两种方式，一是直接用变压器降压，然后整流滤波得到直流电压；二是先整流滤波得到300 V的直流电，再通过开关电源电路得到直流电压。前一种方式比较方便直接，但降压变压器体积相对较大，重量偏重，不适合携带。后一种方式电路相对复杂一点，但重量和体积方面较前一种方法相比重量轻、体积小，便于机动。根据实际需求，本文电源转换电路适合采用第二种方式[1-3]。电路如图1所示。

图1 交流转换直流电路图

图1中B1、C1为交流整流滤波元器件，得到300 V左右的直流电压，为M62213FP、T1、Q1等提供工作电源。M62213FP是一种高速开关电源控制器，它由振荡器、PWM比较器、误差放大器、输出电路、过电压保护兼定时闭锁电路、过电流保护电路以及软启动电路等组成，如图2所示。

图2 M62213FP内部结构图

在图2中从Vout输出工作频率为700 kHz的开关信号，输出电流峰值为±1 A，采用推拉输出电路，启动前电路的电流很小，典型值为130 μA，启动开始与停止时电压差较大，启动开始电压为12.5 V，启动停止电压为8.3 V，这样可减小输入平波电容。片内具有欠压锁定（UVLO），高速限流、过压兼定时闭锁（TIMER LATCH）、死区控制兼软启动（SOFT）、光电耦合器直接激励的反馈用误差放大器和防止低电压时输出误动作等功能电路。该电源输出脉冲的导通时间由接在SOFT端的电阻确定，如果与此电阻并联一只电容，那么启动时导通时间逐渐增大，这样就可以实现软启动。另外，COLLECT和EMIT在内部已分别连接VCC和GND。在图1中，300 V的电源经R1和R2分压为M62213FP开始工作时的启动电压，当正常工作时由回扫变压器的一个绕阻经整流二极管D1整流、C3滤波提供，此时的电压与输出电压成比例，因此，还可用于进行反馈控制与过电压检测。为防止噪声引起误动作，接入R10和C7构成的滤波器滤除噪声。C5、R7组成软启动，R8和C6为外接振荡反馈元器件，由R9输出驱动开关电源NMOS场效应管Q1，再经T1连接300 V直流电源，当Q1导通时，300 V直流电源流经T1和R11到地，T1贮能，当Q1截止时，回扫变压器的另一个绕阻经D1整流和C3滤波，在C3上产生直流电压，供集成块工作用电[4]。同时，变压器次级端经D4、C8产生后级工作直流电压。由C9、D6、C10、D7和继电器K1组成交流电和洗车电瓶电源切换电路，当有交流电时，洗车电瓶的a、b连线断开，只由交流电为后级电路提供电源，当无交流电或断开时，洗车电瓶为后级电路提供工作电源（DC OUTPUT）。

2.2 直流充电和逆变供电电路

2.2.1 充电电路

锂离子电池需要充电电路，其充电电源由图1输出（DC OUTPUT）提供。锂离子电池的充电电路如图3所示。

图3 锂离子电池充电电路图

接入DC output输出电压为24 V，经过D8和F2（保险丝）输入到充电电路。由于锂离子电池对充电比较苛刻，比蓄电池、镍氢/镍镉电池的充电控制要严格的多，因此在电路设计上要考虑：①对深度放电的锂离子电池要涓流充电；②在正常情况下应先恒流充电然后再恒压充电，防止过充；③在电压低于某一值时应自动能充电，防止过放；④电池充电达到一定值时要结束充电；⑤电流放电过大要保护电池，防止过流；⑥要有电源指示、充电指示和充满指示；⑦尽量缩小空间和使用精小元器件，减少体积和重量。CN3704是脉宽调制集成块，当VCC管脚电压大于低压锁存阈值，并且大于电池电压时，充电器正常工作，DRV驱动Q2对电池充电。如果电池电压低于11.2 V，充电器自动进入涓流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的5%。当电池电压大于11.2 V，充电器进入恒流充电模式，此时充电电流由内部的200 mV基准电压和一个外部电阻RCS设置，即充电电流为200 mV/ RCS。当电池电压继续上升接近恒压充电电压时，充电器进入恒压充电模式，充电电流逐渐减小。在图3中，当充电电流减小到EOC管脚电阻设置的值时，充电结束，DRV管脚输出高电平。漏极开路输出管脚内部的晶体管关断，输出为高阻态；另一个漏极开路输出管脚内部的晶体管接通，输出低电平，以指示充电结束状态。充电时D12亮，充电结束时D11亮，便于观察。在充电结束状态，如果断开输入电源，再重新接入，将开始一个新的充电周期，如果电池电压下降到再充电阈值16 V，那么也将自动开始新的充电周期。当输入电压掉电时，CN3704自动进入睡眠模式，内部电路被关断，这样可以减少电池的电流消耗，延长待机时间[5-7]。其它各元器件的参数如表1所示。

2.2.2 逆变电路

锂离子电池输出电压，为逆变电路提供电源，如图4所示。

表1 各元器件的参数

图4 逆变电路图

在电路中，采用TL494脉宽调制集成块进行逆变，第1、2脚构成稳压取样、误差放大系统，正相输入端1脚输入逆变器次级取样绕组由D13、D14整流，C25滤波输出的15 V直流电压，经R21、R22分压，使第1脚在逆变器正常工作时有近4.7～5.6 V取样电压。反相输入端2脚输入5 V基准电压(由14脚输出)。当输出电压降低时，1脚电压降低，误差放大器输出低电平，通过PWM电路使输出电压升高。正常时1脚电压值为5.4 V，2脚电压值为5 V，3脚电压值为0.1 V。第4脚外接R26、R24、C22设定死区时间。正常电压值为0.01 V。第5、6脚外接C23、R25，设定振荡器三角波频率为100 Hz。第7脚为共地。第8、11脚为内部驱动输出三极管集电极，第12脚为TL494前级供电端，此三端通过开关S3控制TL494的启动/停止，作为逆变器的控制开关。当S3关断时，TL494无输出脉冲，因此开关管Q3、Q4无任何电流。S3接通时，此三脚电压值为蓄电池的正极电压。第9、10脚为内部驱动级三极管发射极，输出两路时序不同的正脉冲。第13、14、15脚其中14脚输出5 V基准电压，使13脚有5 V高电平，控制门电路，触发器输出两路驱动脉冲，用于推挽开关电路。第15脚外接5 V电压，构成误差放大器反相输入基准电压，以使同相输入端16脚构成高电平保护输入端。此接法中，当第16脚输入大于5 V的高电平时，可通过稳压作用降低输出电压，或关断驱动脉冲而实现保护。在它激逆变器中输出超压的可能性几乎没有，故该电路中第16脚未用，由电阻R18接地。振荡器的频率由f=1.1/ R25×C23计算可得频率为100 Hz。变压器输出端接C26、L4、C27，此三个元器件组成波形校正和低通滤波器，因为变压器输出为方波，需要进行正弦校正，同时防止高频谐波输出到下一级电路。其参数由公式L4=RZ/πfG和C27=1/πfGRZ而定，其中fG取500 Hz，RZ后级负载，取220 Ω。

3 应用分析

从交流转换直流电路、充电电路和逆变电路的结构来看，外接很少元件，就可构成功能较为完善的应急电源。在图1中设定直流输出为24 V，在调试时将输出端连接5 Ω左右的负载，可以改变R4、R5的电阻值，也可以改变R8、C6，改变振荡频率来实现。图2中D9、D10要选用肖特基二极管，输出电流设定值为4 A，决定电流的主要元器件除CN3704外，RCS、L3和Q2也要选定好，Q2要选用电流大于4 A以上的PMOS管，RCS直接决定充电电流的大小，要精心计算选定。图3中，该电路几乎不经多大调试即可正常工作。当C25正极端电压为12 V时，R1可在3.6～4.7 kΩ之间选择，本电路选用10 kΩ电位器调整，使输出电压为额定值。如果输出的频率偏离50 Hz较大，就需要调整R25和C23的值，在调试时应将R25换为变阻器，使输出频率在50 Hz左右时，再测量阻值，将接近的电阻值电阻更换便可。如将此逆变器输出功率增大，可选用多个MOS管并联，而不选用单只IDS大于50 A的开关管，其原因一是价格较高，二是驱动太困难。在逆变输出时其波形虽然是交流电，在后级可以正常使用，但波形不是标准的正弦波，虽然进行了波形整形以及低通滤波的处理，却与民用交流电的波形有些偏差，有待于改进。

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