專利名稱：一種用于除顫起搏電源中的升降壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源升降壓變換器，尤其涉及一種用于除顫,起搏電源中的升降壓變換器。
背景技術(shù)：
除顫監(jiān)護(hù)儀具有無創(chuàng)起搏功能，能夠通過病人胸部表面的電極施加電刺激，對(duì)除顫之后的心動(dòng)過緩進(jìn)行緊急治療。對(duì)于除顫起搏而言，需要施加在電極上的電壓可控(即受控制電壓控制)，且在一較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，即在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，輸出電壓可能高于或低于輸入電壓。由于電極直接作用于人體，施加在電極上的輸出電壓需要和輸入電壓隔離，保證使用安全。
目前，寬輸出電壓的實(shí)現(xiàn)方案主要采用BUCK-BOOST變換器，該變換器既可以實(shí)現(xiàn)升壓功能，又可以實(shí)現(xiàn)降壓功能。圖l是一種BUCK-BO()ST電路，此變換器中Q1、 Q2同時(shí)開通或同時(shí)關(guān)斷。當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，Q1的作用和BUCK開關(guān)一樣，Dl作續(xù)流二極管。Ql、 Q2同時(shí)開通時(shí)，輸入電壓加到電感兩端，電感電流上升；Ql、 Q2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，電感電流換到D1上，D2自動(dòng)正向?qū)?，和BUCK變換器工作模式相同。當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，Q2的作用類似于反激式開關(guān)，同樣Q1、 Q2同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)，電感電流換到D2上，Dl自動(dòng)導(dǎo)通。從而可以實(shí)現(xiàn)升壓功能。相同的主電路，不經(jīng)過工作模式轉(zhuǎn)換，
4既可以實(shí)現(xiàn)升壓功能又可-以實(shí)現(xiàn)降壓功能，逸過調(diào)整控制電壓，完成寬范圍電壓的輸出。
但在除顫起搏應(yīng)用環(huán)境中采用現(xiàn)有的技術(shù)的BUCK-BOOST變換器，具有以下的缺點(diǎn)
1 )主電路不能實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的隔離，BUCK-BOOST電路輸入輸出共地，不能滿足起搏電源輸入和輸出必須隔離的要求。
2) BUCK-BOOST雖然能夠?qū)崿F(xiàn)更大的輸出電壓范圍，但是當(dāng)輸出電壓變化范圍大時(shí)，比如在輸出從10V到150V變化時(shí)，電路會(huì)在電流斷續(xù)模式、電流臨界模式和電流連續(xù)模式之間轉(zhuǎn)換，因此，變換器環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)變得非常困難，不能夠保證在三種工作模式下，電路都是穩(wěn)定的。
3) 驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。電路中需要有2個(gè)開關(guān)管Q1、 Q2, Ql需要采用高邊驅(qū)動(dòng)，Q2采用低邊驅(qū)動(dòng)，通常采用門極驅(qū)動(dòng)變壓器來實(shí)現(xiàn)，增加了驅(qū)動(dòng)電路的梯級(jí)、成本和復(fù)雜性，更重要的是，由于驅(qū)動(dòng)變壓器需要有復(fù)位時(shí)間，使得電路的最大占空比受到限制，同時(shí)輸出電壓受到限制。
因此，由于現(xiàn)有技術(shù)存在上述缺陷，需要提供一種適用于除顫起搏電源中的升降壓變換器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種適用于除顫—起搏電源中的升降壓變換器。該升降壓變換器可以在一定的輸入直流電壓下，通過控制電壓，實(shí)現(xiàn)低于或高于輸入電壓的大范圍變化的連續(xù)輸出電壓，并且輸入和輸出相互隔離。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種用于除顫起搏電源中的升降壓變換器，包括一反激變換器，一PWM控制器，以及隔喬反饋電塔，
所述反激變換器中變壓器的原邊繞組串接開關(guān)管后作為該反激變換器的輸入端，其副邊繞組串接整流二極管后作為該反激變換器的輸出
端；
所述隔離反饋電路的 一輸入端連接所述反激變換器輸出端，其另一輸入端接一控制信號(hào)，所述隔離反饋電路用于將反激變換器輸出電壓的采樣信號(hào)和所述控制信號(hào)進(jìn)行疊加，并輸出一調(diào)整電壓作用于所述PWM控制器的反^t電壓端；所述PWM控制器才艮據(jù)該調(diào)整電壓控制所述開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，使反激變換器輸出電壓變化。
所述的升降壓變換器，其中所述控制信號(hào)為電流控制信號(hào)，并且所述升降壓變換器還包括一可調(diào)恒流源，所述可調(diào)恒流源用于將一控制電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的所述電流控制信號(hào)，使反激變換器輸出電壓和所述控制電壓成線性關(guān)系。
所述的升降壓變換器，其中所述PWM控制器為工作在臨界電流模式的PWM控制器，包括有零電流檢測端，其門信號(hào)輸出端連接所述開關(guān)管的控制端，其反饋電壓端連接所述隔離反饋電路輸出端；所述升降壓變換器還包括一零電流檢測電路，用于檢測流經(jīng)所述整流二極管的電流，且當(dāng)流經(jīng)所述整流二極管的電流為零時(shí)，給出零信號(hào)作用于所述零電流檢測端，用于重新置位工作在臨界電流模式的PWM控制器的輸出，使所述開關(guān)管開始新一周期的導(dǎo)通。
所述的升降壓變換器，其中所述零電流檢測電路包括一輔助繞組和檢測電阻，所述輔助繞組的一端經(jīng)所述檢測電阻連接所述零電流檢測端，其另一端接地，所述輔助繞組通過與所述副邊繞組的耦合，獲得與所述輸出電壓成比例的輔助電壓，當(dāng)流經(jīng)所述整流二極管的電流為零時(shí)，所述輔助電壓下降到零，通過所述檢測電阻作用于零電流檢測端為零信號(hào)。
所述的升降壓變換器，其中所述隔離反饋電路包括一光耦合器、三端可調(diào)穩(wěn)壓器，以及取樣電路；所述取樣電路包括第四和第三電阻，二者串接在反激變換器輸出電壓端和地之間，第三電阻為取樣電阻；所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器串接在光耦合器的發(fā)光二極管陰極與地之間，其調(diào)整端連接所述第四和第三電阻的節(jié)點(diǎn)，所述光耦合器的光電管輸出所述調(diào)整電壓。
所述的升降壓變換器，其中所述可調(diào)恒流源包括一誤差放大器，以及電流調(diào)整管，所述誤差放大器的正輸入端施加所述控制電壓，其負(fù)輸入端與所述電流調(diào)整管的射極相連后經(jīng)第二電阻接地，其輸出端經(jīng)第五電阻連接所述電流調(diào)整管的控制端，所述電流調(diào)整管的集電極連接所述隔離反饋電路第四和第三電阻的節(jié)點(diǎn)。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明的升降壓變換器由于主電路是反激變換器(FLYBACK變換器)，實(shí)現(xiàn)了輸入輸出之間的隔離，保證了系統(tǒng)的安全，并且由于FLYBACK變換器只需要一個(gè)開關(guān)管，可采用低邊驅(qū)動(dòng)，PWM控制器不需要附加額外的電路，可直接驅(qū)動(dòng)，電路簡單可靠，輸出電壓可在低于或高于輸入電壓的大范圍連續(xù)變化。
又因本發(fā)明的FLYBACK變換器工作于臨界電流工作模式，和固定開關(guān)頻率工作模式相比，在相同功率條件下，由于臨界電流工作模式?jīng)]有死區(qū)時(shí)間，其峰值電流較低，電路的功耗較低，并且在輸出電壓變化范圍較大的情況下，由于只存在一種臨界電流工作模式，變換器環(huán)路的穩(wěn)定性更加直接簡單，便于電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。
同時(shí)本發(fā)明由于采用可調(diào)恒流源來調(diào)整輸出電壓，實(shí)現(xiàn)控制電壓對(duì)輸出電壓的線性比例控制關(guān)系，可提高輸出電壓的調(diào)整精度。
7

圖1為i見有4支術(shù)的BUCK-BOOST電路原理圖； 圖2為本發(fā)明升降壓變換器原理框圖； 圖3為本發(fā)明升降壓變換器具體實(shí)現(xiàn)方式的原理圖； 圖4為本發(fā)明隔離反饋電路和可調(diào)電流源原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明
如圖2、 3所示，本發(fā)明的升降壓變換器包括4部分電路，分別為 反激變換器(FLYBACK變換器)、脈寬調(diào)制控制器(PWM控制器)、隔 離反饋電路(Isolated Feedback)和可調(diào)電流源。
FLYBACK變換器包括變壓器Tl 、開關(guān)管Q2、整流二極管Dl及電 容Cl,變壓器原邊繞組N1串接開關(guān)管Q2后作為FLYBACK變換器的 輸入端，變壓器其副邊繞組N2串接整流二極管D1后作為該FLYBACK 變換器的輸出端，電容C1并聯(lián)在FLYBACK變換器輸出端。FLYBACK 變換器作為本發(fā)明升降變換器的主電路，用以實(shí)現(xiàn)電壓變換和輸入輸出 之間的電氣隔離。
隔離反饋電路用以實(shí)現(xiàn)輸出與輸入的閉環(huán)控制，并達(dá)到安全隔離的 目的。隔離反饋電路具有兩個(gè)輸入端和一輸出端，其中一輸入端連接 FLYBACK變換器的輸出電壓VOUT端，另一輸入端接一控制信號(hào)，該 控制信號(hào)可以是電壓控制信號(hào)，也可以是電流控制信號(hào)。隔離反饋電路 的工作原理是將FLYBACK變換器輸出電壓釆樣信號(hào)和控制信號(hào)進(jìn)行疊 加處理后，輸出一調(diào)整電壓作用于PWM控制器的反饋電壓端(FB端)， 調(diào)整PWM控制器的FB端電壓。而PWM控制器的FB端電壓直接決定 了開關(guān)管Q2的導(dǎo)通時(shí)間ton, Q2導(dǎo)通時(shí)FLYBACK變換器的變壓器T1
8儲(chǔ)存能量，當(dāng)Q2截止時(shí)，:-變壓器3:1儲(chǔ)務(wù)的能量經(jīng)Dl傳送到電容Cl 和負(fù)栽，此時(shí)繞組N2上電壓近似等于輸出電壓VOUT。 PWM控制器根 據(jù)隔離反饋電路輸出的調(diào)整電壓，控制開關(guān)管Q2的導(dǎo)通時(shí)間，從而控 制FLYBACK變換器占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)FLYBACK變換器輸出電壓VOUT 大范圍的調(diào)整。
為了提高輸出電壓的調(diào)整精度，本發(fā)明采用了可調(diào)電流源，用于將 一控制電壓Vc轉(zhuǎn)換成與之成比例的電流控制信號(hào)，并使電流控制信號(hào) 作用于隔離反饋電路的輸入端，實(shí)現(xiàn)控制電壓Vc對(duì)輸出電壓VOUT的 線性比例控制關(guān)系。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)FLYBACK變換器工作于臨界電流工 作模式，F(xiàn)LYBACK變換器的驅(qū)動(dòng)由工作于臨界電流模式的PWM控制 器U4實(shí)現(xiàn)。工作在臨界電流模式的PWM控制器具有零電流檢測端 (ZCD端一zero current detection )，并且需要增加一零電流檢測電路，該 零電流檢測電路用于檢測流經(jīng)FLYBACK變換器整流二極管Dl的電流， 當(dāng)變壓器T1能量完全傳送完畢，流經(jīng)整流二極管Dl的電流為零時(shí)，零 電流檢測電路給出零信號(hào)作用于ZCD端，用于重新置位工作在臨界電 流模式的PWM控制器U4的輸出，使開關(guān)管Q2開始新一個(gè)周期的導(dǎo)通， 從而實(shí)現(xiàn)FLYBACK變換器臨界電流模式的控制。
零電流檢測電路可以采用多種電路實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的優(yōu)選方案包括一 輔助繞組N3和檢測電阻Rl，輔助繞組N3作為FLYBACK變換器原邊 的一繞組，其一端經(jīng)檢測電阻Rl連接工作在臨界電流模式的PWM控 制器U4的ZCD端，另 一端接地，輔助繞組N3通過與副邊繞組N2的 耦合，使得N3同名端也產(chǎn)生與輸出電壓VOUT成比例的輔助電壓，當(dāng) 變壓器T1能量完全傳送完畢后，N3同名端電壓降為零，相當(dāng)于通過電 阻Rl給ZCD端一零信號(hào)，工作在臨界電流模式的PWM控制器U4的 ZCD端檢測到該電壓降為零后則重新置位U4的輸出，通過其門信號(hào)輸 出端(GATE端)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管Q2,使Q2開始新一個(gè)周期的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)FLYBACK變提器臨界電流模式的控'科。在這種工作模式下，反激 電流幾乎沒有死區(qū)時(shí)間，因此其峰值電流較低，電路的功耗較低。
隔離反饋電路和可調(diào)恒流源可以采用多種電路模式實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明采
用的優(yōu)選實(shí)施電路如圖3、 4所示。隔離反饋電路采用光耦反饋實(shí)現(xiàn)， 光耦反饋是開關(guān)電源通常采用的最為可靠經(jīng)濟(jì)的一種方案，并且具有安 全隔離的功能。U3為光耦合器，U2為三端可調(diào)穩(wěn)壓器ZR431,第四電 阻R4和第三電阻R3串聯(lián)組成取樣電路，R4的另一端接FLYBACK變 換器輸出電壓VOUT端，R3另一端接地。三端可調(diào)穩(wěn)壓器U2串接在光 耦合器U3的發(fā)光二極管陰極與地之間，U2的調(diào)整端接電阻R4和R3 的節(jié)點(diǎn)，由于輸出電壓可達(dá)150V,超過了三端可調(diào)穩(wěn)壓器ZR431可接 受電壓范圍，因此需要獨(dú)立的+5V參考電壓通過電阻R6為U2提供偏置 電流。光耦合器U3的光電管作為隔離反饋電路的輸出端，輸出調(diào)整電 壓至臨界電流模式PWM控制器U4的FB端。恒流源由誤差放大器Ul, 電流調(diào)整管Ql,以及第二電阻R2、第五電阻R5構(gòu)成。控制電壓Vc作 用于誤差放大器U1的正輸入端，Ul的負(fù)輸入端與電流調(diào)整管Q的發(fā) 射極相連，并經(jīng)電阻R2接地，Ul的輸出端經(jīng)電阻R5連接Ql的控制 端，電流調(diào)整管Ql的集電極連接隔離反饋電路電阻R4和R3的節(jié)點(diǎn)。 隔離反饋電路的電阻R4、 R3和由U1、 Ql、 R2、 R5構(gòu)成的可調(diào)電流源， 提供了可調(diào)的直流輸出電壓控制，控制電壓Vc變化會(huì)引起三端可調(diào)穩(wěn)
壓器U2的參考電壓V43iref出現(xiàn)微小變化，并引起FB端電壓變化，從而
改變FLYBACK變換器的占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓V0UT。
以下是針對(duì)圖3所示的本發(fā)明升降壓變換器電路作進(jìn)一步定量分析 說明
1、 FLYBACK變換器，由于隔離變壓器的存在，可實(shí)現(xiàn)輸入和輸出 的隔離。FLYBACK變換器工作于臨界導(dǎo)通模式，依據(jù)伏秒平衡原理， 可以得出以下等式
10因此， ^^K,^-^
卜D
其中N是匝比，N=N2:N1, D為FLYBACK變換器工作占空比，V1N 為FLYBACK變換器輸入電壓，V。uT為FLYBACK變換器輸出電壓。
由上式可以看出，在固定變壓器匝比N的條件下，調(diào)整FLYBACK 變換器工作占空比D,其輸出電壓V。uT既可大于輸入電壓Vw,也能夠小
于輸入電壓VjN。
2、如圖3所示的可調(diào)恒流源電路，實(shí)現(xiàn)的主要功能是把控制電壓 Vc轉(zhuǎn)換為恒電流Ir，以控制輸出電壓。根據(jù)圖3電路，可以得到控制電 壓Vc與輸出電壓V0UT之間的關(guān)系^o。
1 + &
^吋+厶A-------------------公式l
>丄——------------------............--................-公式2
把公式2代入公式1，可得
^,丌-(l+，F(xiàn)術(shù)e,+，^---------------------------------公式3
其中V43化f為三端可調(diào)穩(wěn)壓器U2的參考電壓，Vc為控制電壓；
由公式3可以看出，通過選擇合適的電阻值和參考電壓V43^f,就可
以實(shí)現(xiàn)控制電壓Vc與輸出電壓VouT U0V-150V輸出)成線性關(guān)系。
通過上述定量分析說明，進(jìn)一步證明本發(fā)明的升降壓變換器通過工 作于臨界電流模式的FLYBACK電路，實(shí)現(xiàn)了隔離BUCK-BOOST電路的
功能，通過可調(diào)恒流源電路實(shí)現(xiàn)了控制電壓Vc對(duì)輸出電壓VouT的線性比
例控制關(guān)系，非常適用于除蘿瓦起—搏電源的應(yīng)用環(huán)境。
可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技 術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng) 屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
1權(quán)利要求
1、一種用于除顫起搏電源中的升降壓變換器，其特征在于包括一反激變換器，一PWM控制器，以及隔離反饋電路；所述反激變換器中變壓器的原邊繞組串接開關(guān)管后作為該反激變換器的輸入端，其副邊繞組串接整流二極管后作為該反激變換器的輸出端；所述隔離反饋電路的一輸入端連接所述反激變換器輸出端，其另一輸入端接一控制信號(hào)，所述隔離反饋電路用于將反激變換器輸出電壓的采樣信號(hào)和所述控制信號(hào)進(jìn)行疊加，并輸出一調(diào)整電壓作用于所述PWM控制器的反饋電壓端；所述PWM控制器根據(jù)該調(diào)整電壓控制所述開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，使反激變換器輸出電壓變化。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的升降壓變換器，其特征在于所述控制 信號(hào)為電流控制信號(hào)，并且所述升降壓變換器還包括一可調(diào)恒流源，所 述可調(diào)恒流源用于將一控制電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的所述電流控制信 號(hào)，使反激變換器輸出電壓和所述控制電壓成線性關(guān)系。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的升降壓變換器，其特征在于所述 PWM控制器為工作在臨界電流模式的PWM控制器，包括有零電流檢 測端，其門信號(hào)輸出端連接所述開關(guān)管的控制端，其反饋電壓端連接所 述隔離反饋電路輸出端；所述升降壓變換器還包括一零電流檢測電路， 用于檢測流經(jīng)所述整流二極管的電流，且當(dāng)流經(jīng)所述整流二極管的電流 為零時(shí)，給出零信號(hào)作用于所述零電流檢測端，用于重新置位所述工作 在臨界電流模式的PWM控制器的輸出，使所述開關(guān)管開始新一周期的 導(dǎo)通。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3~所述的升降壓變抶器，其特征在于所述零電 流檢測電路包括一輔助繞組和檢測電阻，所述輔助繞組的一端經(jīng)所述檢 測電阻連接所述零電流檢測端，其另一端接地，所述輔助繞組通過與所 述副邊繞組的耦合，獲得與所述輸出電壓成比例的輔助電壓，當(dāng)流經(jīng)所 述整流二極管的電流為零時(shí)，所述輔助電壓下降到零，通過所述檢測電 阻作用于零電流檢測端為零信號(hào)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的升降壓變換器，其特征在于所述隔離 反饋電路包括一光耦合器、三端可調(diào)穩(wěn)壓器，以及取樣電路；所述取樣 電路包括第四和第三電阻，二者串接在反激變換器輸出電壓端和地之 間，第三電阻為取樣電阻；所述三端可調(diào)穩(wěn)壓器串接在光耦合器的發(fā)光 二極管陰極與地之間，其調(diào)整端連接所述第四和第三電阻的節(jié)點(diǎn)，所述 光耦合器的光電管輸出所述調(diào)整電壓。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的升降壓變換器，其特征在于所述可調(diào) 恒流源包括一誤差放大器，以及電流調(diào)整管，所述誤差放大器的正輸入 端施加所述控制電壓，其負(fù)輸入端與所述電流調(diào)整管的射極相連后經(jīng)第 二電阻接地，其輸出端經(jīng)第五電阻連接所述電流調(diào)整管的控制端，所述 電流調(diào)整管的集電極連接所述隔離反饋電路的第四和第三電阻的節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
一種用于除顫起搏電源中的升降壓變換器，包括反激變換器，工作在臨界電流模式的PWM控制器，可調(diào)恒流源以及隔離反饋電路。反激變換器用于實(shí)現(xiàn)電壓變換，可調(diào)恒流源用于將一控制電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的電流控制信號(hào)，隔離反饋電路的兩輸入端分別連接反激變換器輸出電壓端和電流控制信號(hào)，將反激變換器輸出電壓和電流控制信號(hào)進(jìn)行疊加，并輸出一調(diào)整電壓作用于工作在臨界電流模式的PWM控制器的反饋電壓端，PWM控制器根據(jù)該調(diào)整電壓控制反激變換器的開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，使反激變換器輸出電壓變化。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了變換器輸入輸出之間的隔離，輸出電壓可在低于或高于輸入電壓的大范圍連續(xù)變化，以及控制電壓V_C對(duì)輸出電壓成線性比例控制關(guān)系。
文檔編號(hào)A61N1/372GK101461983SQ20071007735
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者皖 張, 邵安岑 申請(qǐng)人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司