基于uc3845的正激式充電電路的設(shè)計

基于uc3845的正激式充電電路的設(shè)計

0室顫及電除顫心臟猝死（scd）是心血管疾病的主要死亡原因，占心血管疾病死亡率的50%以上。造成SCD的原因大部分是在各類心血管病變基礎(chǔ)上發(fā)生的一時性功能障礙和電生理改變,并引起惡性室性心律失常如室性心動過速(VentricularTachycardia-VT簡稱室速)心室纖維顫動(VentricularFibrillation-VF,簡稱室顫)等。研究表明,一旦發(fā)生室顫每延宕一分鐘,除顫成功率將下降10%,室顫發(fā)生10分鐘之后,除顫成功率幾乎為零。在這樣的情況下,最快速的方法是使用除顫器對病人進行電除顫。然而,要將體外除顫器運用在如此緊急的情況下,設(shè)計的除顫器必須在保證電路設(shè)計的電路性能穩(wěn)定和可靠的情況下,首要的盡可能的在短時間(<10s)內(nèi)充到1000V以上的高壓,這樣才能用于電擊除顫。反激式電路的運用該變了傳統(tǒng)正激電路低效和充電慢的特點,其在除顫器中的運用很好的滿足了要求。1反激式充電電路反激式充電電路結(jié)構(gòu)簡單,如圖1所示。屬于非線性電路,工作原理較正激式電路復雜,不需非常高匝數(shù)比就能在短時間內(nèi)充到一千伏以上的高壓,其優(yōu)點正激式電路無法比擬的。利用PWM控制器對開關(guān)管M1周期控制,即正向打開開關(guān)管M1時候,變壓器初級電流自上而下流通,而次級電路由于二級管VD的存在,電流無法反向流通,能量無法釋放出來,就儲存于線圈中,當PWM控制關(guān)斷M1時候,儲存在次級電感中的能量由于電磁感應的作用,釋放出來,對電容進行充電,這便是反激式充電電路工作原理。而正激式電路就是上述圖1基礎(chǔ)上,則是同名端朝一個方向。其電路特點:每次充電時候電壓按照比例線性上升。由于這種線性性導致電路充電時間比較慢,其充電效率無法和反激式電路相似。2電流輸出過快時電路面為零情況如圖1和2所示:整個充電過程經(jīng)歷連續(xù),臨界,不連續(xù)三個工作狀態(tài),這個過程不同與開關(guān)電源的設(shè)計不同。階段1:當開關(guān)管打開時,充電電壓加在初級電感上(此時次級電路受整流電路的影響處于關(guān)斷狀態(tài)),使得初級Np上面的電壓達到最大值Ipmax:Ipmax=UpLp?Ton(1)Ιpmax=UpLp?Τon(1)式中Up—電池電壓,Lp—初級電感,Ton—開關(guān)管的導通時間。Ismax=Ipmax?NpNs(2)Ιsmax=Ιpmax?ΝpΝs(2)式中Ismax—次級電流最大值,Np—初級電感匝數(shù),Ns—次級電感匝數(shù)。當開關(guān)管關(guān)閉的時候,次級線圈的電流is從Ismax開始下降,由于一開始電容上面的電壓Vo比較低,在Toff的時間段內(nèi)沒有降至零,這樣初級線圈的能量沒有完全傳遞過來,但是Toff一結(jié)束開關(guān)管馬上打開,因此電流處于連續(xù)狀態(tài),整個過程如圖3所示。說明在此過程中能量雖然沒有完全傳遞,但是初始電壓低,電流連續(xù),所以充電的速度相對快階段2:隨Vo輸出的增加,在Toff的時間Ismax內(nèi)正好降至零,電路正好處于臨界狀態(tài)。此時電路正好存在臨界點Vca,如圖4所示。階段3:隨Vo不斷增加,在不到Toff的時間Ismax已經(jīng)將達到零了,電路處于不連續(xù)的狀態(tài),如圖5所示,在此過程中能量雖然完全傳遞,其傳輸效率高,但電容上已經(jīng)充電壓,在相同的時間充相同能量,電壓上升速度會越來越慢(電容儲能與電壓平方成比例)。3變壓器初級-線圈的確定體外除顫器的放電電壓一般要高達1000V以上,并且充電時間要求小于10s以內(nèi)。根據(jù)設(shè)計體外除顫器的要求,在雙向指數(shù)波放電的電路中除顫器需要的放電能量為100J(相當于單向波200J放電能量),根據(jù)實驗中采用120μf大于電容,以及公式Q=12CU2Q=12CU2便可以計算出需要充電的電壓近似為1300V,考慮到能量的損耗,實際充電電壓要求到1350V左右。當然也不能過充,可以選擇合適的分壓比,分出2.5V的電壓反饋到UC3845的2引腳,來關(guān)斷電路,如圖6所示,這樣就能有效防止電壓過充。由于充電時間<10s,在這樣高速充電中,需要選擇合適的臨界點Vca,使連續(xù)和不連續(xù)的狀態(tài)達到合理比例,這樣就能達到設(shè)計要求。下面來計算變壓器的初級砸數(shù):根據(jù)臨界情況下的,如圖5上所示???????????????Ipmax=UpLp?TonIpmax?Np=Ismax?NsIsmax=VcaLs?ToffLpLs=Np2Ns2(2){Ιpmax=UpLp?ΤonΙpmax?Νp=Ιsmax?ΝsΙsmax=VcaLs?ΤoffLpLs=Νp2Νs2(2)這樣化簡得Vca=TonToff?LpLS?Up(3)Vca=ΤonΤoff?LpLS?Up(3)對于上述公式,Ton和Toff是由UC3845內(nèi)部參數(shù)決定的,選定RT=12KΩ,CT=1500pF,此時f=1.72/RC=96khz,輸出的PWM信號頻率正好是一半,為48KHz,由最大占空比為47%,則Ton=9.8us,Toff=11.0us,因此可知Ton:Toff=0.89。在上圖2中{U8?U3R4=U3?USR5(IR5?IR)Us=Ipmax?R(4){U8-U3R4=U3-USR5(ΙR5?ΙR)Us=Ιpmax?R(4)其中U8,U3分別表示UC3845的8和3引腳的輸出電壓值,當初級電流到Ipmax的時候,U8和U3的電壓值分別為5V和1V,R4=1.52K,R5=0.21K這樣便可以計算出Ipmax約為8.95A。由公式(1)可以計算出初級電感Lp為15.3μH。對于變壓器選定了EI28型磁芯,磁芯截面積Sm為85mm2,飽和磁通密度Bm高于3000GS。由經(jīng)驗定空氣隙的厚度約為Ig=0.3mm×2=0.6mm。根據(jù)公式(6)Al≈0.4*π*Sm/Ig(Ig?Sm???√)(6)Al≈0.4*π*Sm/Ιg(Ιg?Sm)(6)可得電感系數(shù)Al約為178nH/T2。再由Lp=Al·Np2,便得到初級匝數(shù)Np為9匝。再確定次級線圈,由公式(3)看出,必須還得知道Vca,而考慮到充電速度(<10s)的問題,選取臨界點Vca的值應該取相對較小,根據(jù)多次實驗和經(jīng)驗取Vca150V左右,這樣由公式(3),求得次級線圈匝數(shù)Ns為108匝。此時IRF250上面的最大承受電壓為:Vp=VoNs?Np+UpVp=VoΝs?Νp+Up,得到Vp=127V,小于200V的標稱耐壓符合電路設(shè)計要求。4快速充電f根據(jù)上述的設(shè)計要求,實現(xiàn)了高速的充電要求,多次實驗測試結(jié)果在5.8s左右電容上的電壓可以達到1350V,完全符合設(shè)計要求。如果充電電容的容值較大,其遠遠大于120μf時,其充電時間也要相應的成比例上升,如果在這樣的情況下,還需要使其充電時間(〈10s)時,需要該變臨界點Vca,同時相應降低變壓器的次級砸數(shù),這樣仍然可以達到快速充電的目的?？傊?將反激式充電電路運用于