【大功率(lv)開(kai)關電(dian)源】大功率(lv)開(kai)關電(dian)源電(dian)路(lu)圖 大功率(lv)可調開(kai)關電(dian)源設計(ji)方(fang)案

一種大功率可調開關電源的設計方案

1、引言

開(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)作為線性穩(wen)壓電(dian)源(yuan)的一種(zhong)替代物出現，其應用與(yu)實現日益成(cheng)熟。而集(ji)(ji)成(cheng)化(hua)技術(shu)使電(dian)子設備向小(xiao)(xiao)型(xing)化(hua)、智能化(hua)方向發(fa)展，新型(xing)電(dian)子設備要求開(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)有更(geng)(geng)小(xiao)(xiao)的體積(ji)和更(geng)(geng)低的噪聲干擾，以便實現集(ji)(ji)成(cheng)一體化(hua)。對(dui)中小(xiao)(xiao)功(gong)(gong)率(lv)開(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)來說是實現單片(pian)集(ji)(ji)成(cheng)化(hua)，但在(zai)大功(gong)(gong)率(lv)應用領域(yu)，因(yin)其功(gong)(gong)率(lv)損(sun)耗過(guo)大，很難(nan)做(zuo)成(cheng)單片(pian)集(ji)(ji)成(cheng)，不得不根據其拓(tuo)撲結構在(zai)保證電(dian)源(yuan)各項(xiang)參數(shu)的同時盡(jin)量(liang)縮小(xiao)(xiao)系統體積(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IC（Integrated Circuit）和功率(lv)器件(jian)（功率(lv)MOSFET或IGBT）構成，且符合(he)三個條件(jian)：開關（器件(jian)工作在(zai)開關非線性狀態）、高(gao)(gao)頻（器件(jian)工作在(zai)高(gao)(gao)頻非接(jie)近上(shang)頻的低頻）和直(zhi)(zhi)流(liu)（電(dian)源(yuan)輸出是(shi)直(zhi)(zhi)流(liu)而不(bu)是(shi)交流(liu)）。

2.1控制IC

以MC33060為例介紹(shao)控制(zhi)IC。

MC33060是由安森美（ON Semi）半導體公(gong)司生產(chan)的(de)一種性能(neng)優良的(de)電壓驅動(dong)型脈寬調制器件，采(cai)用固定(ding)頻(pin)率的(de)單端輸出(chu)，能(neng)工作(zuo)在(zai)-40℃至85℃。其內部(bu)結構如圖1所示[1]，主(zhu)要特征如下：

1）集成了(le)全部的脈寬調制電路；

2）內置(zhi)線性鋸齒波振蕩器，外置(zhi)元件僅一個(ge)電(dian)阻一個(ge)電(dian)容；

3）內置誤差放大器；

4）內置5V參(can)考電壓，1.5%的精度；

5）可(ke)調整死區控制；

6）內置晶體(ti)管提供200mA的驅(qu)動(dong)能力；

7）欠壓鎖定保護(hu)；

圖1 MC33060內部結構圖

其工作原理簡述：MC33060是一個(ge)固定(ding)頻率(lv)的(de)脈沖寬度調(diao)制電(dian)路，內置線性(xing)鋸齒波(bo)振蕩器，振蕩頻率(lv)可(ke)通(tong)過外部(bu)的(de)一個(ge)電(dian)阻和(he)一個(ge)電(dian)容進行調(diao)節，其振蕩頻率(lv)如（2-1）式：

輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的(de)正(zheng)極性鋸齒波(bo)電壓與另外兩個控制信號進行(xing)比較來實現。功率管Q1的輸出受控于(yu)或(huo)非門，即只(zhi)有在鋸齒(chi)波(bo)電壓(ya)大(da)于(yu)控制信號期間輸出才有效。

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(xu)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的輸入補償電壓，它限制(zhi)了最小輸出死區時間約等(deng)于鋸齒波(bo)周期(qi)的4%，即(ji)輸出驅(qu)動的最大占空(kong)比為96%.當把死區時間控制輸(shu)入端接(jie)上固定的電(dian)壓(ya)（范(fan)圍在0-3.3V）即能在輸(shu)出脈沖(chong)上(shang)產(chan)生(sheng)附加(jia)的死(si)區時間。脈沖(chong)寬(kuan)度調制比較器為誤差(cha)放大器調節輸(shu)出脈寬(kuan)提供了一個(ge)手段：當(dang)反饋電壓從0.5V變化到(dao)3.5V時，輸出的脈(mo)沖寬度從被死區確(que)定的最大導(dao)通(tong)百分比時間下降到零。兩個(ge)誤差放大器(qi)具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的(de)共模輸入(ru)范圍，這可從電(dian)源(yuan)的(de)輸出(chu)電(dian)壓和電(dian)流察覺得到。誤差放大器的(de)輸出(chu)端常(chang)處于高電(dian)平，它與脈(mo)沖寬度調(diao)制器的(de)反相輸入(ru)端進行"或(huo)"運算，正是這種電路結構，放大器(qi)只需最(zui)小的(de)輸出即(ji)可支配控(kong)制回(hui)路。

2.2 DC/DC電源拓撲

DC/DC電源拓撲一(yi)般分為(wei)三(san)類(lei)：降(jiang)壓(ya)、升壓(ya)和升降(jiang)壓(ya)。此處以(yi)降(jiang)壓(ya)拓撲介紹(shao)，簡化效果圖如下圖3所示。輸(shu)出與輸(shu)入同(tong)極性，輸(shu)入電流脈(mo)動大，輸(shu)出電流脈(mo)動小，結構(gou)簡(jian)單。

圖3 Bulk降壓斬波電路

在開關管導通時間ton，輸入(ru)電(dian)源給負載和(he)電(dian)感供(gong)電(dian)；開(kai)關管(guan)斷開(kai)期間toff，電感中存儲(chu)的能量通過二極管(guan)組(zu)成續(xu)流回路，保證輸出的連續(xu)。負載電壓滿(man)足如下關(guan)系式（2-2）：

2.3典型電路與參數設計

典型電路如下圖4所示。

圖4 MC33060的降壓斬波電路

MC33060作為主控芯片控制開(kai)關管(guan)的導通(tong)與截止(zhi)，由其內(nei)部結(jie)構(gou)功能可知，在MC33060內部有一個+5V參(can)(can)考電壓(ya)(ya)，通常用(yong)作兩路比較器的反相(xiang)參(can)(can)考電壓(ya)(ya)，設計中1腳和2腳的(de)比(bi)較(jiao)器用來作為輸出(chu)電壓反饋(kui)，13腳和14腳的比較器(qi)用來檢測開關管(guan)的電流(liu)是否過流(liu)。電路中(zhong)2腳通過一個反(fan)相(xiang)電(dian)路(lu)接(jie)(jie)參考電(dian)壓，降壓輸出反(fan)饋經一同相(xiang)電(dian)路(lu)接(jie)(jie)MC33060的(de)1腳(jiao)。當(dang)電路處于工(gong)作狀態時，1腳和(he)2腳電壓就會相互比較，根據兩者的差值來調整輸出(chu)波形脈寬，達到控(kong)制和穩(wen)定輸出(chu)的目的。

電路中過流保護采用0.1歐姆額定功率(lv)為1W的功率電(dian)阻作為采(cai)樣(yang)電(dian)阻，在(zai)電(dian)流(liu)過流(liu)點，采(cai)樣(yang)電(dian)阻上的電(dian)壓為0.1V.14腳用(yong)作采樣點，因(yin)此13腳的參考電壓由Vref分(fen)壓設(she)定為0.15V，相比0.1V留有一定余地(di)。當采(cai)樣電(dian)壓高于設定值時，MC33060將自動保護(hu)，關閉PWM輸(shu)出(chu)。保護點還和3腳的控(kong)制信(xin)號有關，根(gen)據對該(gai)腳的功能(neng)分(fen)析，選擇積分(fen)反饋(kui)電(dian)路(lu)(lu)，使(shi)得降壓電(dian)路(lu)(lu)在空載或滿載時(shi)，Comp腳的電壓始終在(zai)正(zheng)常范圍（0.5V-3.5V）之內。

輸出PWM波形的頻(pin)率由(you)管腳5的電容(rong)和管(guan)腳6的電阻(zu)值來確定，降壓電路采用25KHz的(de)波(bo)形頻率，選(xuan)擇CT值為1nF電容，RT為(wei)47K的普通(tong)電阻(zu)達到設計要求(qiu)。

3、本系統設計

本設計采用的是DC（Direct Current）/DC轉換電(dian)路(lu)中的降壓型拓(tuo)撲結構。輸入(ru)為220VAC和0-10V可調(diao)直流電壓，輸出為0-180V可調，最大輸出(chu)電流(liu)能達8A，系統(tong)組成框圖(tu)如下(xia)圖(tu)5所(suo)示。在大功率開(kai)關電源設計(ji)(ji)中，為防(fang)止在啟(qi)動時的高浪涌電流沖擊，常(chang)采用軟啟(qi)動電路，本設計(ji)(ji)不重點介(jie)紹。

圖5 系統組成框圖

3.1整流濾波電路

采用全橋整流電路，如下圖6所示(shi)。輸出電流要求最大達到8A，考慮功率損耗和一定(ding)的余(yu)量(liang)，選擇10A的方橋KBPC3510和10A的保險管。整流(liu)后(hou)的電壓達310V，采用(yong)兩個250V/100uF電(dian)容(rong)作濾(lv)波(bo)處理。圖中開關S1和(he)電阻R1并(bing)聯為(wei)"軟(ruan)啟動"部分，此處(chu)未作詳細講(jiang)解，詳細軟啟動設計見各種開關(guan)電源軟啟動設計。

圖6 整流電路。

3.2控制IC與輸入電路

MC33060控制電(dian)路和輸入調節電(dian)路分(fen)別如下圖7和圖8所示，選(xuan)MC33060為(wei)控制(zhi)IC，其(qi)(qi)外圍器件選擇此(ci)處不再(zai)贅述，參(can)考典型(xing)電路設計中參(can)數選擇部分。其(qi)(qi)中比(bi)較器1作(zuo)電壓采樣，比較器2作電(dian)流采樣。輸入可調電(dian)壓經分壓跟隨后送入比較器(qi)的負向端(duan)作為參考電(dian)壓控制電(dian)源輸出大小。

圖7 MC33060控(kong)制電路(lu)

圖8 輸入調節電路

3.3反相延時驅動電路

反相延時驅動電路如下圖8所示。電(dian)路中(zhong)驅動芯片采用了美國International Rectifier（IR）公(gong)司的IR2110.它不僅包括(kuo)基(ji)本的開(kai)關單元和(he)驅動電路，還具有與外電路結合(he)的保護控制功(gong)能(neng)。其懸(xuan)浮溝道的設計使其可(ke)以驅動工作在母線電壓不高(gao)于600V的(de)開關管，其內部具有欠壓(ya)保護(hu)功(gong)能(neng)，與外電路結合(he)，可以方便地設(she)計出過(guo)電流(liu)，過(guo)電壓(ya)保護(hu)，因(yin)此不需要額外的(de)過(guo)壓(ya)、欠壓(ya)、過(guo)流(liu)等保護(hu)電路，簡化了(le)電路的(de)設(she)計。

圖8 反相延時驅動電路(lu)

該芯片為而輸出高壓柵極驅動器，14腳雙列(lie)直插(cha)，驅動信號延時為ns級，開關(guan)頻率可從幾十(shi)赫(he)茲到幾百千(qian)赫(he)茲。IR2110具(ju)有二路(lu)輸入信號(hao)和(he)二路(lu)輸出信號(hao)，其中(zhong)二路(lu)輸出信號(hao)中(zhong)的(de)一(yi)路(lu)具(ju)有電(dian)平轉換功能，可(ke)直接(jie)驅(qu)動高(gao)壓側的(de)功率器(qi)件。該(gai)驅(qu)動器(qi)可(ke)與主電(dian)路(lu)共地運(yun)行，且(qie)只需(xu)一(yi)路(lu)控制電(dian)源，克服(fu)了常規驅(qu)動器(qi)需(xu)要多路(lu)隔離(li)電(dian)源的(de)缺點(dian)，大大簡化了硬件設(she)計。IR2110就簡易真值圖如(ru)下圖9所示。

圖9 IR2110簡易真(zhen)值(zhi)圖。

IR2110有2個(ge)輸出驅動器(qi)(qi)，其信號取自(zi)輸入信號發生器(qi)(qi)，發生器(qi)(qi)提供(gong)2個(ge)輸出(chu)，低側的驅動信(xin)號(hao)直(zhi)接取自信(xin)號(hao)發生器(qi)LO，而(er)高側(ce)驅動信號HO則必須(xu)通過電(dian)平轉換方(fang)能用于(yu)高側(ce)輸出驅(qu)動器。本(ben)系統(tong)中驅(qu)動雙管需一片(pian)IR2110即可。

因驅動雙管，且雙管不能同時導通，控制IC輸出只有一(yi)路信號，則在控制IC輸(shu)出和驅動之間需加入反(fan)相延時電路，將控(kong)制IC輸(shu)出的一路PWM經同(tong)相和(he)反(fan)相比較(jiao)器后，經電阻R29和R30的上拉分別對電容C12、C13充(chong)電產生(sheng)延(yan)時(shi)，使得兩(liang)路PWM具有(you)對稱互補性且(qie)具有(you)一(yi)定的死區(qu)間(jian)隔(ge)，保(bao)證主(zhu)回路中(zhong)兩(liang)開關管不會同時導通。在電路中(zhong)HIN和LIN標號端(duan)得(de)到的波(bo)形圖如(ru)下圖10所示。

圖10 反相(xiang)后驅動波形

3.4主回路與輸出采樣

主回路如圖11所示，采用半橋開關電路(lu)。

圖11 主回(hui)路

根據整流后的電壓和輸入電流參數，選擇IRF840為高(gao)頻(pin)開(kai)關管，其最(zui)大耐壓(ya)VDS為500V，最大能(neng)承受的導通電流(liu)ID為8A，滿足設(she)計要求。工作在高頻工作狀(zhuang)態(tai)的續(xu)流二極(ji)管一般(ban)選用(yong)快恢復的二極(ji)管，此處選擇HFA25TB60，能承受600V的反向壓降，最大導通電流(liu)為25A，且(qie)恢復(fu)時間僅為35ns，輸出部分通過兩個電(dian)阻分壓(ya)至(zhi)電(dian)壓(ya)采樣電(dian)路(lu)，如(ru)下圖12所示(shi)。

圖12 電壓采樣電路(lu)

3.5過流保護電路

過流保護電路如下圖13所示。

圖13 過(guo)流(liu)檢測電路。

在主回路的上端串聯一個0.33歐姆10W的功率電阻作(zuo)為采樣電阻，當電流過大時(shi)，光(guang)耦中(zhong)光(guang)敏三極管導通(tong)，檢(jian)測(ce)電路輸出高(gao)電平(ping)到IR2110的SD端，由于SD是低電(dian)平有(you)效、高電(dian)平關斷點(dian)，因此電(dian)流過大時(shi)能很好地保護電(dian)路。且如前所述，IR2110自(zi)身帶有(you)各種保護電路(lu)，故外圍的電流電壓保護電路(lu)可以大(da)大(da)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(guan)漏(lou)極和源極導(dao)通電阻）等參(can)數來(lai)計算，實際中(zhong)應留有(you)一(yi)定的余量值。系統運行基本(ben)穩定，可考(kao)慮(lv)應用于(yu)工業電源設計中(zhong)。