【大(da)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)】大(da)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)圖 大(da)功(gong)率(lv)可調開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)設計方(fang)案

一種大功率可調開關電源的設計方案

1、引言

開(kai)(kai)關(guan)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)作為線性穩壓電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)一種替代(dai)物出現，其(qi)應(ying)用(yong)與實(shi)現日(ri)益成熟。而集成化(hua)技術使電(dian)(dian)(dian)子設備向小型化(hua)、智(zhi)能化(hua)方(fang)向發展，新型電(dian)(dian)(dian)子設備要求開(kai)(kai)關(guan)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)有更(geng)小的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)和更(geng)低(di)的(de)(de)(de)噪聲干擾(rao)，以便實(shi)現集成一體(ti)化(hua)。對中小功(gong)(gong)率開(kai)(kai)關(guan)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)來說(shuo)是實(shi)現單片(pian)(pian)集成化(hua)，但在大(da)功(gong)(gong)率應(ying)用(yong)領域，因其(qi)功(gong)(gong)率損耗過大(da)，很難(nan)做成單片(pian)(pian)集成，不(bu)得不(bu)根據其(qi)拓撲結構在保證電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)各項參數(shu)的(de)(de)(de)同時盡量縮小系統體(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）控制IC（Integrated Circuit）和功率(lv)器件（功率(lv)MOSFET或IGBT）構成(cheng)，且符合三個(ge)條件(jian)：開關（器件(jian)工作(zuo)在開關非線性狀(zhuang)態(tai)）、高(gao)頻(pin)(pin)（器件(jian)工作(zuo)在高(gao)頻(pin)(pin)非接近(jin)上頻(pin)(pin)的低頻(pin)(pin)）和(he)直流（電源輸出(chu)是直流而不是交(jiao)流）。

2.1控制IC

以MC33060為例(li)介紹控制IC。

MC33060是由安森美（ON Semi）半導體公司生產的一種性能(neng)優良(liang)的電(dian)壓驅動型脈寬調制器件，采用固定頻(pin)率的單端輸出，能(neng)工(gong)作在-40℃至85℃。其(qi)內部(bu)結構(gou)如圖1所示[1]，主要特征如下：

1）集成了全部(bu)的脈寬調制電路；

2）內置(zhi)線性鋸(ju)齒(chi)波振蕩器，外置(zhi)元(yuan)件僅一(yi)個(ge)電阻一(yi)個(ge)電容；

3）內置誤差放(fang)大器；

4）內置(zhi)5V參考(kao)電壓，1.5%的精(jing)度；

5）可調整(zheng)死(si)區控制；

6）內置晶(jing)體管(guan)提供200mA的驅動能(neng)力(li)；

7）欠壓鎖定保護；

圖1 MC33060內(nei)部結構圖

其工作原理簡述：MC33060是一(yi)(yi)個固(gu)定頻率的(de)脈(mo)沖(chong)寬度(du)調制電(dian)路，內置線性鋸齒波振(zhen)蕩(dang)器，振(zhen)蕩(dang)頻率可通過外(wai)部的(de)一(yi)(yi)個電(dian)阻和一(yi)(yi)個電(dian)容進行調節(jie)，其振(zhen)蕩(dang)頻率如（2-1）式(shi)：

輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正(zheng)極性鋸齒波電壓與(yu)另外兩個控(kong)制(zhi)信(xin)號進(jin)行比較來實(shi)現。功率管Q1的輸出受控(kong)于或非門，即只有在鋸齒波(bo)電(dian)壓大于控(kong)制信號期間輸出才有效(xiao)。

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，它限制了最小輸出死區時間約(yue)等于鋸齒波周期的4%，即輸出驅動的最大(da)占空比(bi)為96%.當把死區時間控(kong)制(zhi)輸入端接(jie)上固定的(de)電壓（范圍在0-3.3V）即能在輸(shu)出脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)上(shang)產生附加的(de)死區時間。脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)寬度調(diao)制比較(jiao)器(qi)為誤差放大器(qi)調(diao)節(jie)輸(shu)出脈(mo)(mo)寬提供了一(yi)個手段：當反饋(kui)電壓從0.5V變化(hua)到3.5V時，輸出的脈沖寬度(du)從被死區確定的最(zui)大導(dao)通(tong)百分比時間下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V到(dao)（Vcc-2.0）的(de)共模輸(shu)(shu)(shu)入范圍，這可從電源的(de)輸(shu)(shu)(shu)出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的(de)輸(shu)(shu)(shu)出端常(chang)處(chu)于高電平，它與脈沖寬(kuan)度(du)調制器的(de)反相輸(shu)(shu)(shu)入端進行"或"運(yun)算，正是這種電路結構，放大(da)器只需最小的輸(shu)出(chu)即可支配(pei)控(kong)制(zhi)回路。

2.2 DC/DC電源拓撲

DC/DC電(dian)源拓撲一般分為(wei)三類：降(jiang)(jiang)壓、升壓和升降(jiang)(jiang)壓。此處以降(jiang)(jiang)壓拓撲介(jie)紹，簡化效果圖(tu)如(ru)下圖(tu)3所示(shi)。輸出(chu)(chu)與輸入同極性，輸入電流脈動(dong)大，輸出(chu)(chu)電流脈動(dong)小，結構簡單。

圖3 Bulk降壓斬(zhan)波電路

在開關管導通時間ton，輸入電源給負載(zai)和電感供電；開(kai)關管斷開(kai)期間(jian)toff，電(dian)感中存儲的(de)能(neng)量通過二(er)極管(guan)組成(cheng)續(xu)(xu)流(liu)回路，保證輸出(chu)的(de)連續(xu)(xu)。負載電(dian)壓滿足如下關系式(shi)（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(de)降壓斬波電路

MC33060作為主控芯片控制開關管(guan)的導通與截止，由其內部(bu)結構功能可知，在MC33060內部有一個+5V參(can)考電壓，通常用作兩路比較器的反相參(can)考電壓，設計中1腳和2腳的(de)比較器用來(lai)作為輸出(chu)電壓反(fan)饋，13腳(jiao)和14腳(jiao)的(de)比較器(qi)用來(lai)檢測開關管的(de)電流是否過流。電路(lu)中2腳通過一個反相電路(lu)接參考電壓(ya)，降壓(ya)輸出反饋經一同相電路(lu)接MC33060的1腳。當電路處于工作(zuo)狀態時，1腳(jiao)和(he)2腳電壓就會相(xiang)互比較，根據兩者的差值(zhi)來(lai)調整輸(shu)出(chu)波形脈寬，達到(dao)控(kong)制和穩(wen)定輸(shu)出(chu)的目的。

電路中過流保護采用0.1歐姆額定(ding)功率為1W的功(gong)率(lv)電(dian)阻作為(wei)采樣(yang)電(dian)阻，在電(dian)流過流點(dian)，采樣(yang)電(dian)阻上的電(dian)壓為(wei)0.1V.14腳用作采樣點(dian)，因此13腳的參考電壓由(you)Vref分壓設定為(wei)0.15V，相(xiang)比0.1V留有一定余地。當采(cai)樣電壓高于設定值(zhi)時(shi)，MC33060將自動保護，關閉PWM輸(shu)出。保護點(dian)還和3腳的(de)控制信號有關，根據對該腳的(de)功能分(fen)析，選(xuan)擇積(ji)分(fen)反饋電路，使得降(jiang)壓電路在空載或滿載時，Comp腳的電壓始終在正常范圍(wei)（0.5V-3.5V）之(zhi)內(nei)。

輸出PWM波(bo)形的頻(pin)率由管腳5的(de)電容(rong)和管(guan)腳6的電阻(zu)值(zhi)來確定，降壓電路采用25KHz的波形頻率(lv)，選擇(ze)CT值為(wei)1nF電(dian)容，RT為(wei)47K的普(pu)通(tong)電阻達到設計(ji)要求。

3、本系統設計

本設計采用的是DC（Direct Current）/DC轉換(huan)電路中的降(jiang)壓型拓撲結(jie)構(gou)。輸入(ru)為220VAC和0-10V可(ke)調直流電壓，輸出為0-180V可調，最大輸出電流能達8A，系統組成框(kuang)圖(tu)如下圖(tu)5所示(shi)。在大(da)功率開關電源設(she)(she)計中，為防止在啟動時的高浪涌電流沖擊，常采用軟啟動電路，本設(she)(she)計不重(zhong)點介紹。

圖5 系統(tong)組(zu)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。輸出電流要求最大(da)達到8A，考慮功率損耗和(he)一定的余量，選擇10A的方橋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電容作濾(lv)波處理。圖中開關S1和電阻R1并(bing)聯為"軟啟動"部(bu)分，此處未作詳細講解，詳細軟(ruan)(ruan)啟動設計見各種開關電源軟(ruan)(ruan)啟動設計。

圖6 整(zheng)流電路。

3.2控制IC與輸入電路

MC33060控制電(dian)路和(he)輸入調節電(dian)路分(fen)別如下圖(tu)7和圖8所示，選MC33060為控(kong)制IC，其外圍器件選(xuan)擇此處(chu)不再贅述，參(can)考典型電路設計中參(can)數選(xuan)擇部分。其中比較器1作電壓采樣，比(bi)較(jiao)器2作電(dian)流(liu)采樣。輸(shu)入(ru)可調電(dian)壓(ya)經分(fen)壓(ya)跟(gen)隨(sui)后送入(ru)比較(jiao)器(qi)的負向端作為(wei)參考電(dian)壓(ya)控制電(dian)源輸(shu)出大(da)小(xiao)。

圖7 MC33060控(kong)制電路

圖8 輸入(ru)調節(jie)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(suo)示。電路中驅動芯片(pian)采用了美國(guo)International Rectifier（IR）公(gong)司的IR2110.它不僅包(bao)括基(ji)本(ben)的(de)開關單元和驅(qu)動電(dian)路，還具有與(yu)外(wai)電(dian)路結合(he)的(de)保護控制功能。其懸浮溝道的(de)設(she)計使其可以驅(qu)動工作在母線電(dian)壓不高于600V的開關(guan)管(guan)，其(qi)內部具(ju)有欠(qian)(qian)壓(ya)保護(hu)功(gong)能，與外(wai)電(dian)路(lu)結合，可(ke)以方便地設計(ji)出過(guo)電(dian)流(liu)，過(guo)電(dian)壓(ya)保護(hu)，因此不需要額外(wai)的過(guo)壓(ya)、欠(qian)(qian)壓(ya)、過(guo)流(liu)等保護(hu)電(dian)路(lu)，簡(jian)化了電(dian)路(lu)的設計(ji)。

圖8 反相延時驅動電(dian)路

該芯片為而輸出高壓柵極驅動器，14腳雙列直(zhi)插，驅動信(xin)號延時為ns級，開關頻率可從幾十赫茲到幾百千赫茲。IR2110具(ju)有(you)二路(lu)輸入信號和(he)二路(lu)輸出信號，其(qi)中(zhong)二路(lu)輸出信號中(zhong)的一路(lu)具(ju)有(you)電(dian)平轉換(huan)功(gong)能(neng)，可(ke)直接(jie)驅(qu)(qu)(qu)動高壓側的功(gong)率器件。該驅(qu)(qu)(qu)動器可(ke)與(yu)主(zhu)電(dian)路(lu)共地運行，且只需一路(lu)控制電(dian)源(yuan)，克服了(le)常(chang)規驅(qu)(qu)(qu)動器需要(yao)多路(lu)隔(ge)離電(dian)源(yuan)的缺(que)點(dian)，大大簡化了(le)硬件設計。IR2110就簡(jian)易真值圖如下圖9所示。

圖9 IR2110簡(jian)易真值圖。

IR2110有2個(ge)輸(shu)出驅動器，其信號取自輸(shu)入信號發生(sheng)器，發生(sheng)器提(ti)供2個輸(shu)出，低側的(de)驅動信號直(zhi)接(jie)取自(zi)信號發(fa)生器LO，而高側驅動信號HO則必須通過電平(ping)轉換方能用于(yu)高側(ce)輸出驅動器。本系統中驅動雙(shuang)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)出只有一路信號，則在控(kong)制IC輸出和驅動之間需加入反(fan)相延時電路，將控制(zhi)IC輸(shu)出(chu)的一路PWM經(jing)同相和反相比較器(qi)后(hou)，經(jing)電阻R29和R30的上拉分別(bie)對電容C12、C13充電產生延(yan)時，使得(de)兩路PWM具有(you)對(dui)稱互補性且具有(you)一定的死區間(jian)隔，保證主回路中兩(liang)開(kai)關管不會同時導通。在電(dian)路中HIN和LIN標號端(duan)得到的波(bo)形圖(tu)如下圖(tu)10所示。

圖10 反相后(hou)驅動波形

3.4主回路與輸出采樣

主回路如圖11所示(shi)，采用半橋開關電路(lu)。

圖11 主回路

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(da)耐(nai)壓VDS為500V，最大能(neng)承受的(de)導通電(dian)流ID為8A，滿足設計要求。工(gong)作在高頻工(gong)作狀態的(de)續(xu)流二極管一般選用快恢復(fu)的(de)二極管，此處選擇(ze)HFA25TB60，能(neng)承受600V的反向壓(ya)降(jiang)，最大導通電流為25A，且恢復時間(jian)僅為35ns，輸(shu)出部分通過兩個電阻(zu)分壓至電壓采樣電路，如下圖(tu)12所示。

圖12 電壓采樣電路

3.5過流保護電路

過流保護電路如下圖13所示。

圖13 過流檢測電路。

在主回路的上端串聯一個0.33歐(ou)姆10W的功率電(dian)阻作(zuo)為采樣(yang)電(dian)阻，當電(dian)流過大(da)時，光耦中光敏三極(ji)管導通，檢測(ce)電(dian)路輸(shu)出(chu)高(gao)電(dian)平(ping)到(dao)IR2110的SD端，由于SD是低電(dian)平有效(xiao)、高電(dian)平關斷(duan)點，因此電(dian)流(liu)過大時能很(hen)好地保(bao)護電(dian)路。且如前所述，IR2110自身(shen)帶有各種(zhong)保(bao)護(hu)電路(lu)(lu)，故外圍的電流電壓保(bao)護(hu)電路(lu)(lu)可以大大簡化(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(lou)極和源極導通電阻）等參數來計算，實(shi)際中應留有一定的余量(liang)值。系統運行基本穩定，可考慮應用于工業電源設計中。