【大(da)(da)功率開(kai)(kai)關電源】大(da)(da)功率開(kai)(kai)關電源電路圖(tu) 大(da)(da)功率可調(diao)開(kai)(kai)關電源設計方案

一種大功率可調開關電源的設計方案

1、引言

開(kai)關(guan)電(dian)源作為線性穩壓電(dian)源的一種(zhong)替代物出現(xian)，其應用與實(shi)現(xian)日益成(cheng)(cheng)熟。而集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)化(hua)(hua)技術(shu)使電(dian)子設(she)備(bei)向(xiang)小(xiao)型(xing)化(hua)(hua)、智能化(hua)(hua)方(fang)向(xiang)發展，新型(xing)電(dian)子設(she)備(bei)要求開(kai)關(guan)電(dian)源有更(geng)小(xiao)的體(ti)(ti)積(ji)和更(geng)低的噪聲干擾(rao)，以(yi)便實(shi)現(xian)集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)一體(ti)(ti)化(hua)(hua)。對(dui)中小(xiao)功率開(kai)關(guan)電(dian)源來(lai)說是(shi)實(shi)現(xian)單片集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)化(hua)(hua)，但在(zai)大功率應用領域(yu)，因其功率損耗過大，很難做成(cheng)(cheng)單片集(ji)(ji)成(cheng)(cheng)，不得(de)不根(gen)據其拓撲(pu)結構在(zai)保證電(dian)源各項參數的同時(shi)盡量縮(suo)小(xiao)系統體(ti)(ti)積(ji)。

2、典型開關電源設計

開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM，Pulse Width Modulation）控制(zhi)IC（Integrated Circuit）和(he)功率器件（功率MOSFET或IGBT）構成，且(qie)符(fu)合三個(ge)條件：開關（器件工(gong)作(zuo)在開關非線性狀態）、高頻(pin)（器件工(gong)作(zuo)在高頻(pin)非接近上頻(pin)的低頻(pin)）和直流（電(dian)源輸出是直流而不是交流）。

2.1控制IC

以MC33060為例(li)介紹控制IC。

MC33060是由安森(sen)美(mei)（ON Semi）半導體公司生產的(de)一種性能(neng)優良的(de)電壓驅動(dong)型脈寬調制(zhi)器件，采用固定頻(pin)率的(de)單端輸出，能(neng)工作(zuo)在-40℃至85℃。其內部結構如圖1所示[1]，主要(yao)特征如下：

1）集成了(le)全部的(de)脈(mo)寬調制電路；

2）內置(zhi)線性(xing)鋸齒波振蕩(dang)器，外置(zhi)元件(jian)僅一(yi)個電(dian)阻一(yi)個電(dian)容(rong)；

3）內置誤差放大器(qi)；

4）內置5V參考電壓，1.5%的(de)精度(du)；

5）可調整死區控制；

6）內置晶體(ti)管(guan)提供200mA的驅動能力；

7）欠壓鎖(suo)定(ding)保護(hu)；

圖1 MC33060內部(bu)結(jie)構圖

其工作原理簡述：MC33060是一(yi)(yi)個固定(ding)頻率(lv)的脈沖寬度調制電路(lu)，內置(zhi)線性鋸齒波(bo)振(zhen)蕩(dang)器，振(zhen)蕩(dang)頻率(lv)可通過(guo)外部的一(yi)(yi)個電阻和一(yi)(yi)個電容進行調節，其(qi)振(zhen)蕩(dang)頻率(lv)如（2-1）式：

輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的(de)正極性鋸齒(chi)波電(dian)壓與另外兩(liang)個控制信號進行比較來實(shi)現。功率管Q1的輸(shu)出受控(kong)于或非門(men)，即只有(you)在鋸齒波電壓大于控(kong)制信號期間(jian)輸(shu)出才有(you)效。

當控制信號增大時，輸出脈沖的寬度將減小，具體時序參見如下圖2

圖2 MC33060時(shi)序圖

控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區時間比較器具有120mV的(de)輸入(ru)補(bu)償電壓(ya)，它限(xian)制了最小輸出死(si)區時間約等于鋸齒波周(zhou)期的(de)4%，即輸出(chu)驅動(dong)的最大占空比為(wei)96%.當(dang)把(ba)死區時間控(kong)制輸入端接上固定(ding)的電壓（范圍在0-3.3V）即能在輸出脈(mo)(mo)沖(chong)上產生(sheng)附加(jia)的死區時間。脈(mo)(mo)沖(chong)寬(kuan)度調(diao)制比較器(qi)(qi)為(wei)誤差放(fang)大(da)器(qi)(qi)調(diao)節輸出脈(mo)(mo)寬(kuan)提供了(le)一個手段：當反饋(kui)電壓從(cong)0.5V變化(hua)到3.5V時(shi)，輸出的脈沖寬度(du)從被死(si)區確(que)定(ding)的最(zui)大導通百分(fen)比時(shi)間下降到零。兩個誤差放(fang)大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共(gong)模輸(shu)入(ru)范(fan)圍(wei)，這可從電(dian)源的輸(shu)出電(dian)壓和電(dian)流察覺得到。誤差放大器(qi)的輸(shu)出端(duan)常處于(yu)高(gao)電(dian)平，它與脈(mo)沖寬度調制器(qi)的反相輸(shu)入(ru)端(duan)進行"或"運算，正是這種(zhong)電路結構，放大器只需最小(xiao)的(de)輸出即(ji)可(ke)支(zhi)配控制回路。

2.2 DC/DC電源拓撲

DC/DC電(dian)源拓(tuo)撲(pu)一般(ban)分為三類：降(jiang)壓、升(sheng)(sheng)壓和升(sheng)(sheng)降(jiang)壓。此處(chu)以降(jiang)壓拓(tuo)撲(pu)介紹，簡化效果圖(tu)如下(xia)圖(tu)3所示。輸出與輸入同極(ji)性，輸入電流脈動大，輸出電流脈動小，結構簡單。

圖3 Bulk降壓斬波電(dian)路

在開關管導通時間ton，輸入電(dian)(dian)(dian)源給負載和(he)電(dian)(dian)(dian)感(gan)供電(dian)(dian)(dian)；開(kai)關管斷(duan)開(kai)期(qi)間(jian)toff，電(dian)感(gan)中存(cun)儲的能量(liang)通過二極管組成續流回路，保證輸出的連續。負載(zai)電(dian)壓滿足如下關系式（2-2）：

2.3典型電路與參數設計

典型電路如下圖4所(suo)示。

圖4 MC33060的(de)降壓斬(zhan)波電路(lu)

MC33060作為主控芯片控制開關管(guan)的導(dao)通與截(jie)止(zhi)，由其內部結構功能(neng)可知(zhi)，在MC33060內部有(you)一個+5V參考(kao)(kao)電壓，通(tong)常用作兩路比較(jiao)器的(de)反相參考(kao)(kao)電壓，設計中1腳和2腳的(de)比較器用(yong)來作為輸出(chu)電壓反饋，13腳和14腳的(de)比較器用來檢測開關管(guan)的(de)電流是否過流。電路中(zhong)2腳通過一(yi)個反相電(dian)路接參考電(dian)壓，降(jiang)壓輸(shu)出反饋經一(yi)同(tong)相電(dian)路接MC33060的1腳。當電路處于(yu)工(gong)作狀態時(shi)，1腳(jiao)和2腳(jiao)電壓就會相互比較，根據兩者(zhe)的(de)(de)差值來調整輸出(chu)(chu)波形脈寬，達到控制和穩定輸出(chu)(chu)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)。

電路中過流保護采用0.1歐姆額定(ding)功率(lv)為1W的功(gong)率電阻(zu)作為(wei)采樣電阻(zu)，在(zai)電流過流點，采樣電阻(zu)上的電壓為(wei)0.1V.14腳(jiao)用(yong)作采樣點(dian)，因此13腳(jiao)的(de)參(can)考(kao)電壓由Vref分壓設定為0.15V，相(xiang)比0.1V留有一定余地。當采樣電壓高于設定值時，MC33060將(jiang)自(zi)動保護，關閉PWM輸出。保護點(dian)還和(he)3腳的(de)(de)控(kong)制(zhi)信號有關，根據(ju)對該腳的(de)(de)功能分析，選(xuan)擇積分反(fan)饋電路，使(shi)得降壓電路在(zai)空載(zai)或滿載(zai)時，Comp腳的電壓(ya)始終在正常范(fan)圍（0.5V-3.5V）之內(nei)。

輸出PWM波(bo)形的頻率由管腳(jiao)5的(de)電容和(he)管腳6的電阻值來確定(ding)，降(jiang)壓電路采用25KHz的波(bo)形(xing)頻率，選擇CT值為(wei)1nF電容，RT為(wei)47K的普通(tong)電阻達到設計要求。

3、本系統設計

本設計采用的是DC（Direct Current）/DC轉換(huan)電(dian)路(lu)中的降壓(ya)型拓撲結(jie)構。輸(shu)入為220VAC和0-10V可(ke)調直流電壓，輸出(chu)為(wei)0-180V可調，最(zui)大(da)輸(shu)出電流能(neng)達8A，系統組成框圖如下圖5所示。在大功(gong)率(lv)開關(guan)電(dian)源設(she)計(ji)中，為防止在啟動時的高浪涌電(dian)流沖擊(ji)，常采用(yong)軟啟動電(dian)路(lu)，本設(she)計(ji)不重(zhong)點介紹。

圖5 系統組成框(kuang)圖

3.1整流濾波電路

采用全橋整流電路，如下圖6所示。輸(shu)出電流要求(qiu)最大達到(dao)8A，考慮功率損耗和一定的余量，選擇10A的方橋(qiao)KBPC3510和10A的(de)保險管。整流后的(de)電壓達(da)310V，采(cai)用兩個250V/100uF電(dian)容作濾波處理。圖中開關(guan)S1和電阻(zu)R1并聯為"軟啟(qi)動(dong)"部分，此處未作詳細(xi)講(jiang)解，詳細(xi)軟(ruan)(ruan)啟動設(she)計見各種開關電(dian)源軟(ruan)(ruan)啟動設(she)計。

圖6 整流電路。

3.2控制IC與輸入電路

MC33060控制電路和(he)輸入調節電路分(fen)別(bie)如下(xia)圖(tu)7和圖(tu)8所示，選(xuan)MC33060為控制IC，其(qi)外圍器件(jian)選(xuan)擇此(ci)處不再贅述，參考(kao)典型電路設計中參數選(xuan)擇部分。其(qi)中比較器1作電壓(ya)采樣，比較器2作(zuo)電(dian)流采樣。輸入可調(diao)電(dian)壓(ya)經分壓(ya)跟隨后送入比較器的負向端作(zuo)為(wei)參考電(dian)壓(ya)控制電(dian)源輸出(chu)大(da)小。

圖7 MC33060控制電路

圖8 輸(shu)入調節電路

3.3反相延時驅動電路

反相延時驅動電路如下圖8所示(shi)。電路中(zhong)驅動芯片采用了美國International Rectifier（IR）公司的IR2110.它不僅(jin)包括基(ji)本的開關單元和(he)驅(qu)動(dong)電(dian)路，還具(ju)有與(yu)外電(dian)路結合的保護(hu)控制功能。其(qi)懸浮溝道的設計使(shi)其(qi)可以驅(qu)動(dong)工作在(zai)母線電(dian)壓(ya)不高于600V的開關管，其內部具(ju)有欠(qian)(qian)壓(ya)(ya)保護(hu)(hu)功能(neng)，與外(wai)電路(lu)結合，可(ke)以方便(bian)地設(she)計出(chu)過(guo)(guo)(guo)電流，過(guo)(guo)(guo)電壓(ya)(ya)保護(hu)(hu)，因此不需要額外(wai)的過(guo)(guo)(guo)壓(ya)(ya)、欠(qian)(qian)壓(ya)(ya)、過(guo)(guo)(guo)流等保護(hu)(hu)電路(lu)，簡(jian)化了(le)電路(lu)的設(she)計。

圖8 反相延時驅動電路

該芯片為而輸出高壓柵極驅動器，14腳雙列直插(cha)，驅動信號延時為ns級，開關頻率(lv)可從幾十赫茲到幾百千赫茲。IR2110具有二路(lu)輸入(ru)信號(hao)和二路(lu)輸出(chu)(chu)信號(hao)，其中(zhong)二路(lu)輸出(chu)(chu)信號(hao)中(zhong)的(de)一路(lu)具有電平轉換功(gong)能(neng)，可直接驅(qu)動高(gao)壓側的(de)功(gong)率器(qi)件。該驅(qu)動器(qi)可與主電路(lu)共(gong)地運行，且只(zhi)需一路(lu)控(kong)制電源(yuan)，克服了常(chang)規驅(qu)動器(qi)需要(yao)多路(lu)隔離電源(yuan)的(de)缺點，大大簡化了硬件設計(ji)。IR2110就簡(jian)易真值圖(tu)如下圖(tu)9所示。

圖9 IR2110簡易真值圖。

IR2110有2個(ge)輸(shu)出驅動器，其信(xin)號取自輸(shu)入信(xin)號發生器，發生器提供2個輸(shu)出，低側(ce)的驅(qu)動信號直接取自信號發生(sheng)器LO，而高側(ce)驅動信(xin)號HO則必須(xu)通(tong)過電(dian)平轉換(huan)方能用于高(gao)側輸出驅動器。本(ben)系統(tong)中驅動雙管需一片IR2110即可。

因驅動雙管，且雙管不能同時導通，控制IC輸出只有(you)一路信號，則在控制IC輸(shu)出和驅(qu)動之間(jian)需加(jia)入反相延時電路，將控制IC輸出的一路PWM經同相(xiang)和反(fan)相(xiang)比較器(qi)后，經電阻R29和R30的上(shang)拉分別對(dui)電容C12、C13充電產生延(yan)時，使得兩路PWM具有對稱(cheng)互補性且具有一定的死(si)區(qu)間隔，保證主回(hui)路(lu)中(zhong)兩(liang)開關管不會同(tong)時導通(tong)。在電路(lu)中(zhong)HIN和(he)LIN標號端得(de)到的波形圖(tu)如下(xia)圖(tu)10所示。

圖10 反相后驅動波形

3.4主回路與輸出采樣

主回路如圖11所示(shi)，采用(yong)半橋開關電路(lu)。

圖11 主(zhu)回路(lu)

根據整流后的電壓和輸入電流參數，選擇IRF840為高頻開(kai)關管，其最大耐(nai)壓VDS為500V，最大能承受(shou)的(de)導(dao)通電流ID為8A，滿足(zu)設(she)計(ji)要(yao)求。工作在高頻工作狀(zhuang)態的(de)續流二(er)極(ji)管(guan)一般選用快恢復的(de)二(er)極(ji)管(guan)，此處選擇HFA25TB60，能承受600V的反(fan)向壓降，最大(da)導(dao)通電流為25A，且恢復時間僅為35ns，輸出部分通過兩個電阻分壓至(zhi)電壓采樣電路，如(ru)下圖12所示(shi)。

圖12 電(dian)壓采樣電(dian)路(lu)

3.5過流保護電路

過流保護電路如下圖13所示。

圖13 過流(liu)檢(jian)測電路。

在主回路的上端串聯一個0.33歐姆(mu)10W的(de)功率(lv)電(dian)(dian)阻(zu)作為采樣電(dian)(dian)阻(zu)，當(dang)電(dian)(dian)流過大時，光耦中(zhong)光敏三極管導通，檢測電(dian)(dian)路輸出(chu)高電(dian)(dian)平到IR2110的SD端，由于SD是低電(dian)平(ping)(ping)有(you)效、高電(dian)平(ping)(ping)關斷(duan)點，因(yin)此電(dian)流過大(da)時能很好地保護(hu)電(dian)路(lu)。且(qie)如前所述，IR2110自身帶有各種保(bao)(bao)護(hu)電(dian)(dian)路，故外圍的電(dian)(dian)流電(dian)(dian)壓(ya)保(bao)(bao)護(hu)電(dian)(dian)路可以大大簡(jian)化。

4、總結

本設計給出了在非隔離拓撲下一種設計大功率開關電源的方法，電路結構簡單。在主回路中采用半橋電路替代傳統的單管開關電路，在上管關閉時，下管的開通能更好地保證輸出續流的穩定性，且保證功率的輸出。文中并未給出電感量的計算方法，因不是討論重點，可根據電路中輸出電流、電壓和開關管的RDS（MOSFET管漏極和源極導通電阻(zu)）等(deng)參數(shu)來(lai)計(ji)算，實(shi)際中(zhong)應留有(you)一定的余量值。系統運行基本穩(wen)定，可考慮應用于工業(ye)電源設(she)計(ji)中(zhong)。