一种适用于中低功率医用射频仪的新型可调开关(3)
为验证本研究的正确性,进行了仿真模拟,主要仿真了输出最大功率(控制电压0 V,输出电压45 V,输出电流2 A,输出功率为90 W)的情况,结果见图5。
由图5可知,输出电压为44.48 V,输出电流为1.97 A,电源稳定时间为11.48 ms,经计算误差绝对值约为1.12%。因此,电源可以实现稳定输出,符合设计要求。
图5 LT8641仿真结果图Fig.5 LT8641 simulation results
3.3 LT8641芯片外围电路电路图
经过以上电路设计以及仿真结果,最终确定可调电源的外围电路,见图6。
图6 LT8641设计电路图Fig.6 LT8641 design circuit diagram
4 电源性能测试结果及分析
本研究测试了空载状况下,不同控制电压时的输出电压情况,见表4。
表4 可调电源输出电压Table 4 Adjustable power supply output voltage控制电压(V)理论输出电压(V)实际输出电压(V)误差绝对值(%)..52.50..20.80..51.670..51.560..61.710..71..90.22
测试结果显示,输出电压误差绝对值在10%以内,符合设计要求。低电压时误差绝对值较大是可接受的,因为应用时射频设备开关电源输出不必过于精确,一般均在10 V以上,且后期可通过MCU控制输出以提高精度。
通过外接功率电阻,测试了电源最大电压(输出电压45 V,输出电流1.125 A)、最大电流(输出电压25 V,输出电流3.5 A)以及最大功率(输出电压45 V,输出电流2 A)三种不同的输出情况的上升时间和输出效率。测试时最大电压、最大电流和最大功率分别使用了40、7、20 Ω的电阻,结果见图7。
由图7可知,最大电压测试时输出电压为44.8 V,上升时间为48.7 ms;最大电流测试时输出电压为25.4 V,上升时间为17.8 ms;最大功率测试时输出电压为44 V,上升时间为65.1 ms。图5的仿真结果与图7的测试结果存在较大差异,其原因可能是实际电路中各个元器件存在容差,而仿真是在较为理想的状况下进行的。例如TR/SS引脚可设置电源软启动功能,引脚处的电容容差较大,实际电容容值相对理论值较大时,可能会使电源启动时上升时间变长。
在测试电源上升时间的同时,进行了电源效率的实验。为提高实验的准确性,效率实验中的电压以及电阻值都是通过同一万用表测量。结果见表5。
表5 可调电源输出效率Table 5 Adjustable power output efficiency输入电压(V)输入电流(A)输入功率(W)输出电压(V)负载电阻(Ω)输出功率(W)效率(%)..37.578..3147.92...
由以上测试可知,电源可以实现安全稳定高效的输出,效率最高可达到93.93 %,符合设计要求。为防止电源启动时的浪涌电流和输出电压过冲,本研究应用芯片的软启动功能使电压出现了阶梯状上升的图线,电压相对平稳上升。其中功率最大时的上升时间为65.1 ms,符合设计要求。实物见图8。
图8 LT8641可调电源实物图Fig.8 LT8641 adjustable power supply physical map
5 结论
本研究采用LT8641芯片,实现了0~45 V可调节电压的稳定输出。首先根据芯片说明进行了部分元器件参数计算,然后应用LTPowerCAD软件进行稳定性设计,并用LTSpice仿真软件进行仿真分析,最终确定了元器件选型和电路设计。经最终实物焊接和测试验证得出,本研究可以实现安全稳定高效的输出,输出电压为0~45 V,输出最大电流为3.5 A,最大功率接近100 W,上升时间最长65.1 ms,工作效率最高能达到93.93%,误差绝对值在6%以下,满足中低功率的医用射频设备要求。验证了本研究方法具有标准性和实用价值。
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