【大(da)功率(lv)(lv)開(kai)關電(dian)源】大(da)功率(lv)(lv)開(kai)關電(dian)源電(dian)路圖 大(da)功率(lv)(lv)可調開(kai)關電(dian)源設計方案

一種大功率可調開關電源的設計方案

1、引言

開關(guan)電(dian)源(yuan)作為(wei)線性穩壓電(dian)源(yuan)的(de)一種替代(dai)物出現(xian)(xian)，其(qi)應用(yong)與實(shi)現(xian)(xian)日益成(cheng)(cheng)熟。而集(ji)成(cheng)(cheng)化技術(shu)使電(dian)子設(she)備(bei)向小(xiao)型化、智能化方(fang)向發展，新型電(dian)子設(she)備(bei)要(yao)求(qiu)開關(guan)電(dian)源(yuan)有(you)更小(xiao)的(de)體(ti)積(ji)和更低(di)的(de)噪聲干(gan)擾，以(yi)便實(shi)現(xian)(xian)集(ji)成(cheng)(cheng)一體(ti)化。對中(zhong)小(xiao)功率(lv)開關(guan)電(dian)源(yuan)來說是實(shi)現(xian)(xian)單片(pian)集(ji)成(cheng)(cheng)化，但在(zai)大功率(lv)應用(yong)領域，因其(qi)功率(lv)損耗過大，很(hen)難做成(cheng)(cheng)單片(pian)集(ji)成(cheng)(cheng)，不得不根(gen)據其(qi)拓(tuo)撲結構在(zai)保證(zheng)電(dian)源(yuan)各項參數的(de)同(tong)時盡量縮小(xiao)系統體(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(kong)制IC（Integrated Circuit）和功(gong)(gong)率器(qi)件(jian)（功(gong)(gong)率MOSFET或IGBT）構成，且符合(he)三(san)個(ge)條件(jian)(jian)：開關（器(qi)(qi)件(jian)(jian)工(gong)作在開關非(fei)線性狀態）、高頻（器(qi)(qi)件(jian)(jian)工(gong)作在高頻非(fei)接近上頻的低頻）和(he)直流(liu)（電(dian)源輸(shu)出是直流(liu)而不是交(jiao)流(liu)）。

2.1控制IC

以MC33060為例(li)介(jie)紹控制(zhi)IC。

MC33060是由(you)安森美（ON Semi）半導(dao)體公司(si)生產的(de)一種性能優良的(de)電壓驅(qu)動型脈寬調制器件，采(cai)用固定頻率的(de)單端輸出，能工作(zuo)在(zai)-40℃至(zhi)85℃。其內部結構如(ru)圖1所示[1]，主要(yao)特征如下：

1）集成了全部的脈(mo)寬(kuan)調制(zhi)電路；

2）內(nei)置線(xian)性(xing)鋸齒波振蕩(dang)器，外置元(yuan)件僅一(yi)個(ge)電阻(zu)一(yi)個(ge)電容；

3）內置誤差(cha)放大器(qi)；

4）內置5V參考(kao)電(dian)壓，1.5%的精度；

5）可(ke)調整死區控制；

6）內置晶(jing)體(ti)管提供200mA的(de)驅動能力(li)；

7）欠壓(ya)鎖定保護；

圖1 MC33060內(nei)部結構(gou)圖

其工作原理簡述：MC33060是一(yi)個(ge)固定(ding)頻(pin)率(lv)的脈沖(chong)寬度調制電(dian)路，內置線性鋸齒波(bo)振蕩(dang)器，振蕩(dang)頻(pin)率(lv)可通過外部的一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)和一(yi)個(ge)電(dian)容進行調節(jie)，其(qi)振蕩(dang)頻(pin)率(lv)如（2-1）式：

輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正(zheng)極性鋸齒波電壓(ya)與另外(wai)兩個控制(zhi)信號進行比(bi)較來實現。功(gong)率管Q1的(de)輸出受(shou)控(kong)于或(huo)非門(men)，即只有在(zai)鋸齒波電(dian)壓大于控(kong)制信號(hao)期(qi)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(xian)制了最小輸出死區時間約(yue)等(deng)于鋸(ju)齒波(bo)周(zhou)期的4%，即(ji)輸出驅動的最大占空比為96%.當把(ba)死區時(shi)間控制輸入端接上(shang)固定的電壓（范圍在0-3.3V）即能在輸出(chu)脈(mo)沖上(shang)產(chan)生附(fu)加的死(si)區(qu)時間。脈(mo)沖寬(kuan)度調(diao)制比較(jiao)器為誤差放大器調(diao)節輸出(chu)脈(mo)寬(kuan)提(ti)供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化(hua)到(dao)3.5V時，輸出(chu)的脈沖寬度從被死區確定的最大導通百分比時間(jian)下(xia)降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸(shu)(shu)入范圍，這可從電(dian)(dian)源(yuan)的輸(shu)(shu)出電(dian)(dian)壓和(he)電(dian)(dian)流(liu)察覺得到。誤(wu)差(cha)放(fang)大器的輸(shu)(shu)出端常處于高電(dian)(dian)平，它與脈(mo)沖寬度調制器的反相輸(shu)(shu)入端進行"或(huo)"運算，正是這種(zhong)電路(lu)結構，放大器(qi)只需最小的輸出(chu)即可(ke)支配控制(zhi)回路(lu)。

2.2 DC/DC電源拓撲

DC/DC電(dian)源拓撲(pu)一(yi)般分為三類：降壓、升壓和(he)升降壓。此處以降壓拓撲(pu)介紹，簡(jian)化(hua)效果圖如下圖3所(suo)示。輸(shu)出(chu)與輸(shu)入同極性，輸(shu)入電(dian)流(liu)脈動大，輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)脈動小，結構簡單(dan)。

圖3 Bulk降(jiang)壓斬波電路

在開關管導通時間ton，輸(shu)入電(dian)源(yuan)給負載(zai)和電(dian)感供電(dian)；開關(guan)管斷開期間(jian)toff，電感中存儲的(de)能量通(tong)過二極管組成續(xu)流回路，保證輸出(chu)的(de)連續(xu)。負載(zai)電壓滿足如下關系式（2-2）：

2.3典型電路與參數設計

典型電路如下圖4所示。

圖4 MC33060的降壓斬(zhan)波(bo)電路(lu)

MC33060作為主控(kong)芯片(pian)控(kong)制開關管的導(dao)通與截止，由其內部(bu)結構功能可(ke)知，在MC33060內部有一(yi)個+5V參考電壓，通常(chang)用作兩(liang)路(lu)比較器的反相(xiang)參考電壓，設計中1腳和2腳的比較器用來作為輸出(chu)電壓反饋(kui)，13腳(jiao)和(he)14腳(jiao)的比較器用來檢測開關(guan)管的電(dian)流是(shi)否過流。電(dian)路中(zhong)2腳通過一個(ge)反相電路接參考電壓(ya)，降壓(ya)輸出反饋經一同相電路接MC33060的(de)1腳。當電路處于工作(zuo)狀態時，1腳和2腳(jiao)電壓就會相(xiang)互比較，根據兩(liang)者的差值來調整輸(shu)出波(bo)形(xing)脈寬，達到(dao)控制和穩定輸(shu)出的目的。

電路中過流保護采用0.1歐姆額定功率為1W的(de)功率電(dian)(dian)阻(zu)作(zuo)為采樣(yang)電(dian)(dian)阻(zu)，在電(dian)(dian)流過流點，采樣(yang)電(dian)(dian)阻(zu)上的(de)電(dian)(dian)壓為0.1V.14腳用作采樣點，因此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(yu)地。當采樣電壓高(gao)于設定值時，MC33060將(jiang)自動保護，關閉(bi)PWM輸出。保護點還和(he)3腳的控制信號有關，根據(ju)對該腳的功能分(fen)(fen)析，選擇積分(fen)(fen)反饋電路(lu)，使(shi)得降壓(ya)電路(lu)在空載或滿載時，Comp腳的電(dian)壓始終在正常范(fan)圍（0.5V-3.5V）之內(nei)。

輸出PWM波形的頻率(lv)由(you)管腳(jiao)5的(de)電容(rong)和管腳6的電(dian)阻值來確定，降(jiang)壓電(dian)路采用(yong)25KHz的波(bo)形頻(pin)率(lv)，選擇CT值為1nF電容，RT為47K的普通電(dian)阻達到設計要求。

3、本系統設計

本設計采用的是DC（Direct Current）/DC轉換電路中的降壓型(xing)拓撲結構(gou)。輸入為220VAC和(he)0-10V可調(diao)直(zhi)流電壓，輸出為0-180V可(ke)調(diao)，最大輸出電流能達8A，系統組成框圖如下圖5所(suo)示。在(zai)大(da)功(gong)率開關電源設(she)計中，為防(fang)止(zhi)在(zai)啟動時的高浪涌電流(liu)沖擊(ji)，常采用軟啟動電路，本設(she)計不重(zhong)點介紹(shao)。

圖5 系(xi)統組成框圖(tu)

3.1整流濾波電路

采用全橋整流電路，如下圖6所示。輸出(chu)電流要求最大達到8A，考慮功率損耗和一定的(de)余量(liang)，選擇10A的方橋KBPC3510和10A的保險管。整流后(hou)的電壓達310V，采(cai)用兩個250V/100uF電容作濾波處理。圖中開關S1和電阻R1并(bing)聯為"軟啟動(dong)"部分，此處(chu)未作詳細講解，詳細軟(ruan)啟動設(she)計見各種開關電源軟(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(dian)路(lu)和輸入調節(jie)電(dian)路(lu)分(fen)別如下圖7和圖8所示，選MC33060為控制IC，其外圍器(qi)件選擇此處不(bu)再贅(zhui)述，參考典型(xing)電(dian)路設計中參數選擇部分。其中比較器(qi)1作電壓采樣，比(bi)較(jiao)器2作電流采樣。輸(shu)入可調電壓(ya)經(jing)分壓(ya)跟(gen)隨后(hou)送入比(bi)較器的負向端作為參(can)考(kao)電壓(ya)控制電源輸(shu)出大(da)小。

圖7 MC33060控制(zhi)電路

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。電路(lu)中(zhong)驅動(dong)芯片(pian)采用了美國International Rectifier（IR）公司的IR2110.它不(bu)僅(jin)包括基本的(de)開關(guan)單元和驅動(dong)電(dian)(dian)路，還具有(you)與(yu)外電(dian)(dian)路結合的(de)保護控制功能。其懸浮溝(gou)道(dao)的(de)設計使其可以驅動(dong)工作(zuo)在母線電(dian)(dian)壓不(bu)高(gao)于(yu)600V的開關(guan)管，其內部具有欠壓保護(hu)功能，與外電(dian)路(lu)結合，可(ke)以方便地(di)設(she)(she)計(ji)出過(guo)(guo)電(dian)流，過(guo)(guo)電(dian)壓保護(hu)，因(yin)此(ci)不(bu)需要額外的過(guo)(guo)壓、欠壓、過(guo)(guo)流等保護(hu)電(dian)路(lu)，簡化了電(dian)路(lu)的設(she)(she)計(ji)。

圖8 反相延時驅(qu)動(dong)電路

該芯片為而輸出高壓柵極驅動器，14腳雙(shuang)列(lie)直插(cha)，驅動信號(hao)延時為ns級(ji)，開關(guan)頻率可從幾十(shi)赫茲到(dao)幾百(bai)千(qian)赫茲。IR2110具(ju)有(you)(you)二(er)路(lu)(lu)(lu)輸入(ru)信號(hao)和(he)二(er)路(lu)(lu)(lu)輸出信號(hao)，其(qi)中二(er)路(lu)(lu)(lu)輸出信號(hao)中的(de)一(yi)路(lu)(lu)(lu)具(ju)有(you)(you)電(dian)平(ping)轉換功(gong)能(neng)，可直接驅(qu)動高壓側(ce)的(de)功(gong)率(lv)器(qi)(qi)件。該(gai)驅(qu)動器(qi)(qi)可與主電(dian)路(lu)(lu)(lu)共地運行(xing)，且只(zhi)需一(yi)路(lu)(lu)(lu)控制電(dian)源(yuan)，克服(fu)了(le)常規驅(qu)動器(qi)(qi)需要(yao)多路(lu)(lu)(lu)隔離電(dian)源(yuan)的(de)缺點，大大簡化了(le)硬件設(she)計。IR2110就簡(jian)易真值(zhi)圖如下圖9所(suo)示。

圖9 IR2110簡易真值(zhi)圖。

IR2110有2個輸(shu)出(chu)驅動器(qi)，其信(xin)號取自(zi)輸(shu)入信(xin)號發(fa)生器(qi)，發(fa)生器(qi)提(ti)供2個輸出，低側的驅動信號直(zhi)接取自(zi)信號發生(sheng)器(qi)LO，而高側驅動信號(hao)HO則必須通(tong)過(guo)電平轉換方能(neng)用于高側輸出驅動(dong)(dong)器。本系(xi)統中驅動(dong)(dong)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(shu)出只有(you)一路信號，則(ze)在控制IC輸出和驅動之間需加入反相延時電(dian)路，將控制(zhi)IC輸出的一路PWM經(jing)同相和反相比較器后，經(jing)電阻(zu)R29和(he)R30的上拉分別對電(dian)容C12、C13充電產生延時，使得兩路PWM具有(you)對(dui)稱互(hu)補性且具有(you)一(yi)定的死區間隔，保證主回路中兩開關管(guan)不會同(tong)時導通。在電路中HIN和LIN標號端得到(dao)的波形圖(tu)如(ru)下圖(tu)10所(suo)示。

圖10 反(fan)相后(hou)驅動波形

3.4主回路與輸出采樣

主回路如圖11所示，采(cai)用(yong)半橋(qiao)開關電路。

圖11 主(zhu)回路

根據整流后的電壓和輸入電流參數，選擇IRF840為高頻開關管，其最大耐(nai)壓VDS為(wei)500V，最大能承受(shou)的導通電流(liu)ID為(wei)8A，滿足設計要求。工作(zuo)在高頻工作(zuo)狀態的續流二(er)極(ji)管一般選(xuan)用快恢復的二(er)極(ji)管，此處選(xuan)擇HFA25TB60，能承(cheng)受600V的(de)反向壓(ya)降，最大導通電流為(wei)25A，且恢復時間僅為35ns，輸出部分通(tong)過兩個電(dian)阻分壓至電(dian)壓采樣電(dian)路，如下(xia)圖12所示。

圖12 電壓采樣(yang)電路

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)檢測電(dian)路。

在主回路的上端串聯一個0.33歐姆(mu)10W的功率電阻(zu)作為采樣電阻(zu)，當(dang)電流過大時(shi)，光(guang)耦中光(guang)敏三(san)極(ji)管導通，檢測電路輸出高電平(ping)到IR2110的SD端，由于SD是低電(dian)(dian)平有效(xiao)、高(gao)電(dian)(dian)平關斷(duan)點(dian)，因此(ci)電(dian)(dian)流過(guo)大時能很好地(di)保護電(dian)(dian)路。且如前所述，IR2110自身帶有各種保護電路(lu)，故(gu)外(wai)圍的電流電壓保護電路(lu)可以大(da)大(da)簡化(hua)。

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(yuan)極導通(tong)電阻）等參數來計算，實際中應留有一定的余量值。系統運行(xing)基本穩定，可考慮應用于工業電源(yuan)設計中。