一种适用于中低功率医用射频仪的新型可调开关(2)
电感值计算结果,见表1。
表1 电感值计算结果Table1 Calculation result of inductanceVoutLLmin4...82.
由表1可知,电感最低应取56 μH。
同时,电感的饱和电流(Isat)额定值必须高于负载电流加上电感纹波电流的1/2,公式如下:
式中,IL(peak)为峰值电流;ΔIL为电感纹波电流;Iload(max)为最大输出负载电流,取值为3.5 A。
电感必须足以提供所需的最大输出电流(Iout(max)),公式如下:
式中,Iout(max)为最大输出电流;Ilim为顶部MOS管开关限制电流,在低占空比时为8.2 A,在DC = 0.8时线性降至6.4 A。
电感的纹波电流计算如下:
式中,L为输出电感值56 μH;fSW为开关频率300 KHz;Vin(max)为最大输入电压49 V。
由式(6)可知,当最大输入电压、电感值以及开关频率确定时,纹波电流最大值在输出电压24.5 V时取得最大值为0.73 A。电流具体计算结果,见表2。
表2 电感电流值计算结果Table 2 Calculation results of inductor current valueVoutΔILIL(peak)Iout(max)(Ilim=8.2A)(Ilim=6.4A).
由表2可知,电感选型时,饱和电流应高于3.86 A,最大直流电流应高于8.08 A。
除满足输出的电感值和电流参数外,为保证输出的高效率,输出电感的串联电阻值(DCR)也不宜过高。综上,最终选取电感值为56 uH,最大直流电流为7.8 A,饱和电流为9 A,DCR值为62 mΩ的电感SRP1770TA-560M。
3.1.4输出电压的设定 LT8641的输出电压通过输出和FB管脚之间的电阻分压器进行设置,见式(7):
式中,R2和R3单位为Ω;Vout单位为V。
但本研究是实现0~45 V的可调电压的输出,因此,通过FB管脚的电阻分压器设置输出电压的方式不适用,而采用三运放的反馈方式,首先通过输出与地之间的电阻分压,然后与设置的电压控制信号经过两个1 kΩ电阻分压后,最后产生可调节LT8641输出电压大小的Vfb电压信号。输出电压与控制电压对应关系如下:
式中,Vout单位为V;Vcon为控制电压信号,单位为V。
由式(8)可看出控制电压的0~1.494 V依次对应输出电压的45~3.5 V。为方便调试,控制电压除了可由单片机提供外,也可由变阻器分压得到[10-12]。电路见图3。
图3 可调控制电路Fig.3 Adjustable control circuit
3.1.5稳定性设计 LT8641芯片是高度集成化的电源芯片,本研究使用LTPowerCAD软件进行电源的稳定性输出设计。软件中主要有如下几个参数影响电源的稳定性输出:
PM即相位裕度,是确保电源能够在最恶劣情况下保持环路的稳定性。本研究系统的相位裕度保持在45°以上。
Gain@fsw/2是指电源在开关频率一半处的增益值。根据采样定理,穿越频率必须小于开关频率的一半,否则将出现很大的开关纹波。
Total△Vo是由于负载阶跃和稳态输出纹波引起的输出电压误差的绝对值。
当开关频率固定后,输出电感、输出电容以及反馈环路的前馈电容对电源系统环路稳定性起关键作用。其中输出电感已经确定,需要通过调节输出电容的容值、ESR值以及个数和前馈电容的容值来最终确定整个系统的稳定性。输出电容与电感将为系统提供一个极点,而输出电容的ESR将为系统提供一个零点,前馈电容可以提高电源的响应速度,设置合适的前馈电容值可为系统提供一个零点和极点,将开关频率设置在两者中间可提高系统的相位裕度[13]。
输入与输出电容主要有滤波和储能的功能。陶瓷电容具有较低的ESR,可以提供更好的滤波性能以及瞬态响应,其中X7R或X5R材质的陶瓷电容可在温度和电压变化时拥有更稳定的性能,是陶瓷电容的首选。滤波作用的电容应选择耐压足够且封装较小的电容,同时应尽量放置在所需管脚附近,以减小环路达到最佳的滤波性能,实现更低的EMI。电解电容的容值相对较大,可以在负载需要较大电流时,充当Bulk电容,为负载提供足够的电流,以保证电压的稳定输出。
经过调试,本研究输出电容使用了两个22 uF的陶瓷电容和两个220 uF的电解电容,前馈电容使用了一个10 pF的陶瓷电容。具体稳定性设计参数见表3。
3.2 仿真结果
为验证本研究的可行性,确定LT8641的外围电路,使用ADI公司的LTSpice仿真软件对电路进行了仿真,其中R5为输出负载电阻。电路见图4。
表3 LTPowerCAD主要设计参数Table 3 Main design parameters of LTPowerCAD输出电压(V)PM(deg)Gain@fsw/2(dB)Total△Vo(%).........
图4 LT8641仿真电路图Fig.4 LT8641 simulation circuit diagram
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