一种基于频率同步的低噪声电源适配器设计*

包尔恒,何 玲,高 军,周小义

(1.广东水利电力职业技术学院自动化工程系,广州 510925;2.深圳麦格米特电气股份有限公司,广东 深圳 518057)

一种基于频率同步的低噪声电源适配器设计*

包尔恒1*,何 玲1,高 军2,周小义2

(1.广东水利电力职业技术学院自动化工程系,广州 510925;2.深圳麦格米特电气股份有限公司,广东 深圳 518057)

针对电源适配器高频开关信号的噪声干扰对某些精密仪器性能(如B超机显示清晰度)的影响问题,提出通过适配器开关频率和系统设备工作频率同步方式解决噪声干扰的设计思路。以便携式B超机电源适配器设计实践为例,介绍了同步电路的设计方法、功率电路拓扑和辅助电源方案。同步功能通过实验验证,采用该方案的电源适配器已成功应用于某全球知名B超机产品。

噪声干扰;频率同步;B超机;不对称半桥

精密仪器通常采用电源适配器供电,适配器的高频开关噪声对仪器性能的影响一直倍受关注,尤其是B超机类影像设备,来自电源适配器的高频开关信号对其显示清晰度的影响是该类设备制造商关注的关键问题[1];由于开关电源对系统设备的干扰信号频率通常是开关频率或其谐波频率,基于通信理论频率同步机理[2],若开关电源开关频率和系统工作频率相同或者为系统工作频率的整数倍分频,则从根源上可以解决相互的干扰。基于上述思路,本文提出一种通过两者频率同步解决干扰问题的设计方案,以便携式B超机适配器设计实践为例,详细分析了同步电路设计方法并介绍了电源拓扑选择和辅助电源方案,经验证取得良好效果并成功应用于某全球知名B超机产品。

1 原理与设计

1.1 频率同步的设计思路及分频电路

本文以某便携式B超机电源适配器设计实践为例,其规格要求:通用输入85 V～264 V AC;输出150 W/24 V;运行环境温度10 ℃～50 ℃;壳温不超过71 ℃;具有频率同步功能(B超系统工作频率450 kHz～500 kHz)[3]。

将B超系统的实时工作频率信号通过两者的连接电缆引入适配器内部,由于B超系统常规的工作频率为450 kHz～500 kHz左右[4-5],对开关电源来说,从开关器件的开关速度和开关损耗考虑,该频率作为开关频率就会太高。本文的处理方案是将来自B超系统的频率信号进行分频,通过适当的电路设计,使开关频率和分频后的频率相同,当B超系统的工作频率实时变化时,开关频率跟随变化且始终保持为系统频率的分频频率,以消除或降低相互的干扰。设计要求上要做到未连接系统时适配器以自身设置的开关频率工作,一旦接入系统,则开关频率跟随系统频率,基本原理如图1所示。

图2为实际设计的分频电路,以12位二进制串行计数器CD4040[6]作为分频器,根据其原理,管脚6为Q3,即23=8分频信号,管脚7为Q2即22=4分频信号,来自B超系统的工作频率信号SYNC经分频器CD4040分频后,通过双通道高速光耦HCPL2630[7]隔离后送至适配器原边作为PFC(功率因数校正,Power Factor Correction)和DC-DC变换的频率同步信号SYNC1和SYNC2。

图1 频率同步设计思路

图2 分频电路

1.2 功率因数校正(PFC)及同步电路设计

PFC主电路采用常规Boost电路(图3),考虑到二极管反向恢复电流造成开关损耗和EMI问题[8],这里采用反向恢复电流极小的3 A/600 V碳化硅二极管;考虑和系统频率的同步,控制芯片采用具有同步功能引脚(SYNC)的PFC专用控制芯片L4981A[9-10],PFC开关频率采用B超系统工作频率的8分频频率,即:(450 kHz～500 kHz)/8=56.25 kHz～62.5 kHz。同步要求SYNC脚的信号频率必须高于芯片外围参数设置的振荡频率,所以无同步时开关频率设置为50 kHz,取Rt=39 kΩ,Ct=1 nF,实测设置的固有频率为49 kHz。具体电路设计如图4所示。

图3 交流输入及PFC主电路

图4 PFC控制芯片及同步电路

1.3 DC-DC变换及同步电路设计

1.3.1 DC-DC变换拓扑选择及控制方案

由于要求开关频率跟随实时变化的B超系统工作频率,DC-DC变换拓扑只能采用脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)调制而不能选择脉冲频率调制PFM(Pulse Frequency Modulation)调制模式,比如目前常用的LLC谐振拓扑在此不适用,因为其频率随着负载和输入输出变化而不受外来频率的控制;另外,由于对适配器壳温的限制(该适配器要求环境温度50 ℃且低压输入满载工作时壳温不超过71 ℃),故所选拓扑应具有高效率的特点,从功率等级和成本等综合考虑,选择具有ZVS软开关特性的不对称半桥作为DCDC变换的拓扑[11-12](见图5)。从不对称半桥电路偏磁引起变压器饱和角度考虑[13-14],占空比不能大于50%,这里选用UC3845[15]配合半桥专用驱动芯片L6384[16]作为控制及驱动方案(见图6)。

图5 不对称半桥DC-DC变换拓扑

图6 DC-DC变换方案

图7 UC3845同步控制电路

1.3.2 UC3845同步电路设计

UC3845没有专门的频率同步功能引脚,但通过恰当的外围电路(图7)可以实现同步功能,方法是电容C6(CT)不直接接地,而是同过一个小电阻接地,当有外部同步脉冲信号输入时,电阻上的压降负责将4脚C6电压在同步脉冲出现时刻提升至高于振荡器的内部上门限值,引发C6电容在该时刻放电(放电斜率不变),达到振荡频率和同步脉冲频率一致,具体原理见图8。由于UC3845具有一个由振荡器驱动的内部二分频触发器以控制最大占空比小于50%,因此必须将其振荡器的运行频率设定为期望的电源开关频率的两倍[13],这里以系统频率的4分频信号作为其同步信号,即:(450 kHz～500 kHz)/4=112.5 kHz～125 kHz,则同步后对应的开关频率为56.25 kHz～62.5 kHz。根据上述同步原理,UC3845固有的振荡频率必须低于同步信号频率才能完成同步,所以将固有的振荡频率设置为低于100 kHz,这里设置为约90 kHz,取RT、CT(R18、C6)分别为8.6 kΩ和2 200 pF,具体的同步电路及参数如图6。同步电路设计需注意:(1)电路参数设计要确保同步信号脉冲具有一定的幅值,使得在VCT三角波的任何时刻叠加同步脉冲后都能达到振荡器内部上门限值才能确保同步的实现;(2)电容CT(C6)的值不能小于1 000 pF以免该脚受噪声干扰。

图8 UC3845同步控制原理

图9 辅助电源

1.4 辅助电源方案

考虑和系统频率的同步,辅助电源不能采用常规反激变换器,否则需增加和辅助电源开关频率同步的电路导致设计复杂化,原边辅助电源方案如图9所示。将输入整流桥后直流电压Vdc引入,经恒压源方式提供VCC1供电源启动,启动后辅助电源由PFC电感副绕组电压经倍压整流和线性稳压后提供,当V1电压达到一定值后关闭恒压源。

副边辅助电源方案如DC-DC主电路(图5)所示,采用从输出滤波电感L2副绕组取电,经78L05稳压为5 V,主要为副边的分频器等控制电路提供工作电源。

2 实验

实验测试采用从单片机发出450 kHz～500 kHz的同步信号(模拟连接B超系统时来自系统的工作频率)送入适配器的方法进行,测试波形如图10、图11所示。CH1:PFC开关管驱动波形;CH2:DCDC开关管下管驱动波形;CH3:分频后经隔离光耦送到原边的同步信号波形SYNC2(取4分频信号测试);CH4:模拟B超系统的工作频率脉冲(492 kHz下测试)。

图10 无同步信号时PFC和DC-DC开关管驱动波形

图11 同步信号及开关管驱动波形

从测试波形可以看出,无同步信号时PFC和DCDC按照各自设置的开关频率工作,分别为49 kHz和45.4 kHz;当接入同步信号后(492 kHz),PFC和DCDC都以同步信号的8分频频率工作(61.5 kHz)。当同步信号设置为450 kHz～500 kHz频段其他频率时,实验测试同样具有同步功能,这里从略。

另外,由于采用软开关方案,适配器具有较高的变换效率(额定态为90.2%),所以壳温满足要求;适配器用于某全球知名便携式B超机,其显示清晰度明显改善(无同步和同步对比测试)。

3 结论

本文提出并设计的具有同步功能的电源适配器可解决电源适配器对某些精密仪器的噪声干扰问题,适配器开关频率和外频率的同步功能通过实验验证,已成功应用于某全球知名便携式B超机系统,设计思路对噪声干扰敏感型仪器的电源适配器设计具有参考借鉴价值。

[1] 房媛媛. 电磁干扰对医疗电子设备影响的研究[J]. 生命科学仪器,2013(6):23-25.

[2] 冯穗力. 数字通信原理[M]. 北京:电子工业出版社,2012.

[3] Bao Erheng. The Design Specifications of 150 W Portable B Ultrasound Machine Power Adapter[Z]. Shenzhen:Shenzhen MEGMEET Electric Co.,Ltd.,2012.

[4] 邱武义. 东芝彩色B超原理探讨[J]. 云南大学学报,2000(S2):68-69.

[5] 仇傲,周山宏,刘春梅. 数字化B超中的频率补偿滤波[J]. 电子科技大学学报,2007,36(4):798-800.

[6] CD4040B CMOS Ripple-Carry Binary Counter/Dividers Datasheet[EB/OL]. 2006. http//www.ti.com.

[7] HCPL2630 Dual-Channel High Speed 10MBit/s Logic Gate Optocoupler[EB/OL]. 2008. http//www.fairchildsemi.com.

[8] 徐德鸿,李睿,刘昌金,等. 现代整流器技术-有源功率因数校正技术[M]. 北京:机械工业出版社,2013.

[9] 张浩,许龙虎. 有源功率因数校正技术及控制方式分析[J]. 上海电力学院学报,2009,25(3)201-207.

[10] L4981 Power Factor Corrector datasheet[EB/OL]. 2009. http//www.st.com.

[11] CD Davidson. Zero Voltage Switching Asymmetrical Half-Bridge Converter Topology[C]//IEEE International Telecommunications Energy Conference,2008:1-6.

[12] 任凌,钟钧宇,王志强. 不对称半桥谐振变换器[J]. 电力电子技术,2006,40(1):68-69.

[13] Choi B,Lim W. Current-Mode Control to Enhance Closed-Loop Performance of Asymmetrical Half-Bridge DC-DC Converters[J]. IEEE Proceedings-Electric Power Applications,2005,152(2):416-422.

[14] Wu Y F. The Technology Study of New Asymmetrical Half-Bridge Converter[J]. Advanced Materials Research,2014,986-987:1884-1887.

[15] UC3845 Current Mode PWM Controller Datasheet[EB/OL]. 2007. http//www.ti.com.

[16] L6384 High-Voltage Half Bridge Driver Datasheet[EB/OL]. 2000. http//www.st.com.

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

项目来源:广东水利电力职业技术学院“一流高职”科学研究和社会服务能力建设项目(cy060402y02)

2016-10-26修改日期2016-12-07

TM46

A

1005-9490(2017)05-1126-04

包尔恒(1971-),男,汉族,甘肃定西人,硕士,高级工程师,研究方向为电力电子变流装置,beh880825@126.com。