【大功率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)(dian)源】大功率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)(dian)源電(dian)(dian)路圖(tu) 大功率(lv)可調(diao)開(kai)關(guan)電(dian)(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)電源(yuan)(yuan)作為(wei)線性穩壓電源(yuan)(yuan)的一(yi)種替(ti)代物出現，其(qi)應用與(yu)實現日益成熟。而集(ji)成化(hua)技術使(shi)電子設(she)備(bei)向小(xiao)型化(hua)、智能化(hua)方向發展(zhan)，新型電子設(she)備(bei)要(yao)求開關(guan)電源(yuan)(yuan)有更小(xiao)的體積(ji)和(he)更低的噪聲干擾(rao)，以便實現集(ji)成一(yi)體化(hua)。對中小(xiao)功(gong)率(lv)開關(guan)電源(yuan)(yuan)來說(shuo)是(shi)實現單(dan)片集(ji)成化(hua)，但在(zai)大(da)功(gong)率(lv)應用領域，因其(qi)功(gong)率(lv)損耗過大(da)，很難(nan)做成單(dan)片集(ji)成，不得(de)不根(gen)據其(qi)拓撲結構在(zai)保證電源(yuan)(yuan)各項(xiang)參數的同時(shi)盡(jin)量縮小(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(zhi)IC（Integrated Circuit）和功(gong)率器(qi)件（功(gong)率MOSFET或IGBT）構成(cheng)，且(qie)符合三(san)個(ge)條件：開(kai)關(guan)（器(qi)(qi)件工作在開(kai)關(guan)非線(xian)性狀態）、高(gao)頻（器(qi)(qi)件工作在高(gao)頻非接近上頻的低頻）和直流（電源(yuan)輸出是(shi)直流而不是(shi)交流）。

2.1控制IC

以MC33060為例介(jie)紹控制IC。

MC33060是由安森美（ON Semi）半(ban)導(dao)體公司生產的一種(zhong)性能優良的電壓驅動型脈寬(kuan)調制(zhi)器件，采用固定頻率的單(dan)端(duan)輸出，能工作(zuo)在-40℃至85℃。其內部結(jie)構(gou)如圖(tu)1所示[1]，主(zhu)要特征如(ru)下：

1）集成了全部的脈寬調制(zhi)電路(lu)；

2）內(nei)置線(xian)性鋸齒波振蕩器，外置元件僅一個(ge)(ge)電阻一個(ge)(ge)電容；

3）內置誤差(cha)放(fang)大器；

4）內置(zhi)5V參考電壓(ya)，1.5%的精度(du)；

5）可調(diao)整(zheng)死區控制；

6）內(nei)置晶體管提供(gong)200mA的驅動(dong)能力；

7）欠壓(ya)鎖定保護(hu)；

圖1 MC33060內部(bu)結構(gou)圖

其工作原理簡述：MC33060是一(yi)個(ge)固定(ding)頻率(lv)的脈(mo)沖寬(kuan)度調制(zhi)電(dian)路，內置線性鋸齒波振蕩(dang)器，振蕩(dang)頻率(lv)可通過(guo)外部的一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)和一(yi)個(ge)電(dian)容進行(xing)調節，其(qi)振蕩(dang)頻率(lv)如(ru)（2-1）式：

輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電(dian)壓與另外兩個控制(zhi)信號進(jin)行比(bi)較來實現。功率管(guan)Q1的(de)輸出受控(kong)于或(huo)非門，即(ji)只有(you)在鋸(ju)齒波電壓大于控(kong)制(zhi)信號期(qi)間輸出才(cai)有(you)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(shu)入補償電壓，它(ta)限制了(le)最小(xiao)輸(shu)出死區時間約(yue)等(deng)于(yu)鋸齒(chi)波周(zhou)期的4%，即輸出(chu)驅動的(de)最大占空比為96%.當把(ba)死區時(shi)間控(kong)制輸入端接上(shang)固定的電壓（范(fan)圍在0-3.3V）即能在輸出脈(mo)沖(chong)上產生附加的死區時間。脈(mo)沖(chong)寬(kuan)度調(diao)(diao)制比較器為誤差放大器調(diao)(diao)節(jie)輸出脈(mo)寬(kuan)提供(gong)了(le)一個(ge)手段：當反饋電壓(ya)從0.5V變化到3.5V時(shi)(shi)，輸(shu)出(chu)的脈沖寬度從被(bei)死區確定的最大導通(tong)百分比時(shi)(shi)間下降到零。兩(liang)個(ge)誤差(cha)放大器(qi)具(ju)有從-0.3V到（Vcc-2.0）的(de)共模輸入(ru)范圍，這(zhe)可從(cong)電源的(de)輸出電壓(ya)和(he)電流察覺(jue)得到。誤差放(fang)大器(qi)的(de)輸出端(duan)常(chang)處于高電平(ping)，它(ta)與脈沖寬度(du)調制器(qi)的(de)反相輸入(ru)端(duan)進行"或"運(yun)算(suan)，正(zheng)是這(zhe)種(zhong)電路結構(gou)，放大器只(zhi)需最小(xiao)的輸出即可支配控(kong)制回路。

2.2 DC/DC電源拓撲

DC/DC電源拓(tuo)撲一般分(fen)為三類：降壓、升壓和升降壓。此處以降壓拓(tuo)撲介紹(shao)，簡化效果圖如下圖3所示。輸(shu)出(chu)(chu)與輸(shu)入(ru)同(tong)極性，輸(shu)入(ru)電(dian)流脈動大，輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)流脈動小，結構簡單。

圖3 Bulk降(jiang)壓(ya)斬波電(dian)路

在開關管導通時間ton，輸(shu)入(ru)電(dian)源給負載和電(dian)感供(gong)電(dian)；開關(guan)管(guan)斷開期間toff，電感(gan)中(zhong)存儲(chu)的(de)能量通過二極(ji)管(guan)組成續(xu)流回路，保證輸出的(de)連續(xu)。負(fu)載電壓滿(man)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的降(jiang)壓斬(zhan)波電路

MC33060作為(wei)主控(kong)芯片(pian)控(kong)制(zhi)開關(guan)管的(de)導通(tong)與截(jie)止，由其內部結構功能可(ke)知，在(zai)MC33060內部有一個(ge)+5V參考(kao)電壓(ya)，通(tong)常(chang)用作兩路比(bi)較器的(de)反相參考(kao)電壓(ya)，設計中1腳和(he)2腳的比較器用來作(zuo)為輸出電壓反饋，13腳和14腳的比較(jiao)器用(yong)來(lai)檢測開關管的電流是(shi)否過流。電路中(zhong)2腳通過一個反相電路接(jie)參(can)考電壓(ya)，降壓(ya)輸出反饋經一同相電路接(jie)MC33060的1腳。當電路(lu)處(chu)于工作狀(zhuang)態(tai)時，1腳(jiao)和2腳電壓就會(hui)相互比較，根(gen)據(ju)兩者的(de)(de)差(cha)值來調整(zheng)輸(shu)出波形脈寬，達(da)到控(kong)制(zhi)和穩定輸(shu)出的(de)(de)目的(de)(de)。

電路中過流保護采用0.1歐(ou)姆額定功率為1W的功率電(dian)阻作(zuo)為采樣電(dian)阻，在電(dian)流過流點，采樣電(dian)阻上(shang)的電(dian)壓為0.1V.14腳用(yong)作采樣點，因此13腳的參考電壓由(you)Vref分壓設定(ding)為(wei)0.15V，相比0.1V留有一(yi)定余地(di)。當采樣電壓高于設定值時，MC33060將自(zi)動保護(hu)，關閉(bi)PWM輸出。保護點還和3腳的控制信號有(you)關，根據對該腳的功能(neng)分(fen)析(xi)，選擇積分(fen)反饋(kui)電路(lu)，使(shi)得降壓電路(lu)在空(kong)載或(huo)滿(man)載時，Comp腳的電壓始終在(zai)正常范圍（0.5V-3.5V）之內(nei)。

輸出PWM波形的頻率由管腳5的電容(rong)和(he)管(guan)腳6的(de)電阻值來確定，降(jiang)壓電路采用25KHz的波形頻率，選擇CT值為1nF電容，RT為47K的普通電阻達到設計要(yao)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(ya)型拓撲結(jie)構。輸入(ru)為220VAC和(he)0-10V可調直流(liu)電壓，輸出為0-180V可(ke)調(diao)，最大輸出電流能達(da)8A，系統組成框圖如下(xia)圖5所示。在大功率(lv)開關(guan)電源(yuan)設計中(zhong)，為防止(zhi)在啟動時(shi)的高浪涌電流(liu)沖擊，常采用軟啟動電路，本設計不重點介紹。

圖5 系統組成框圖(tu)

3.1整流濾波電路

采用全橋整流電路，如下圖6所示(shi)。輸出電(dian)流要(yao)求(qiu)最大達到8A，考慮功率損(sun)耗和一定的(de)余量，選(xuan)擇10A的方橋KBPC3510和10A的保險管(guan)。整流后的電壓達310V，采用兩個(ge)250V/100uF電容作濾波處理(li)。圖中開關S1和(he)電阻R1并聯為(wei)"軟啟動"部分，此處未作詳細(xi)講解，詳細(xi)軟啟動設計見各種開關電源軟啟動設計。

圖6 整流電路。

3.2控制IC與輸入電路

MC33060控制(zhi)電(dian)(dian)路和輸(shu)入調節電(dian)(dian)路分(fen)別如下圖(tu)7和(he)圖8所示，選MC33060為控制(zhi)IC，其(qi)(qi)外圍器件選擇此處不再贅(zhui)述，參考典型電路設計(ji)中參數選擇部分。其(qi)(qi)中比較器1作電壓(ya)采樣(yang)，比較器2作電流采樣。輸(shu)入可調電壓(ya)(ya)(ya)經分壓(ya)(ya)(ya)跟隨(sui)后送入比較器的(de)負(fu)向端作為(wei)參考電壓(ya)(ya)(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(qu)動芯片采(cai)用了美國International Rectifier（IR）公(gong)司的IR2110.它不(bu)僅包(bao)括基本(ben)的開(kai)關單(dan)元和驅動電(dian)(dian)路，還具有與外電(dian)(dian)路結合的保(bao)護(hu)控制(zhi)功能。其(qi)懸浮溝(gou)道的設計使其(qi)可以驅動工作在(zai)母線電(dian)(dian)壓不(bu)高(gao)于600V的開關管，其內部具有欠(qian)壓保護功(gong)能(neng)，與外(wai)電(dian)路結合(he)，可以方便地設(she)(she)計出過電(dian)流(liu)，過電(dian)壓保護，因(yin)此不需(xu)要額(e)外(wai)的過壓、欠(qian)壓、過流(liu)等保護電(dian)路，簡化了電(dian)路的設(she)(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(jiao)雙列直插，驅動信號延時為ns級，開關頻率可從幾(ji)十赫(he)(he)茲(zi)到幾(ji)百千赫(he)(he)茲(zi)。IR2110具(ju)有二路(lu)(lu)輸入信(xin)號(hao)和二路(lu)(lu)輸出信(xin)號(hao)，其中(zhong)二路(lu)(lu)輸出信(xin)號(hao)中(zhong)的(de)一(yi)路(lu)(lu)具(ju)有電平轉換功能，可(ke)直接驅(qu)動高壓側(ce)的(de)功率器件。該驅(qu)動器可(ke)與主電路(lu)(lu)共地運行，且(qie)只需一(yi)路(lu)(lu)控(kong)制電源，克服(fu)了(le)常規驅(qu)動器需要多路(lu)(lu)隔離電源的(de)缺點，大大簡化了(le)硬件設計(ji)。IR2110就簡易真值圖(tu)如下圖(tu)9所示(shi)。

圖9 IR2110簡易真值圖。

IR2110有2個輸出驅動器，其(qi)信號(hao)取自輸入信號(hao)發生(sheng)器，發生(sheng)器提(ti)供2個輸出，低側的(de)驅動信號(hao)直(zhi)接取自信號(hao)發生器LO，而高(gao)側驅動信號HO則必須通過電(dian)平轉換(huan)方能用于高側輸(shu)出驅(qu)動(dong)器(qi)。本系統(tong)中驅(qu)動(dong)雙管需(xu)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(xin)號，則在控制IC輸出(chu)和驅(qu)動(dong)之間需加入反相(xiang)延時(shi)電(dian)路，將控制IC輸出的(de)一(yi)路(lu)PWM經同相和(he)反(fan)相比較器后，經電阻R29和R30的上拉分別對(dui)電(dian)容C12、C13充電(dian)產生延時，使得兩(liang)路PWM具有對稱互補性且具有一定的死區間隔，保證主回(hui)路(lu)(lu)中兩開關管不(bu)會同時(shi)導通。在(zai)電路(lu)(lu)中HIN和LIN標號(hao)端得到的(de)波(bo)形圖如(ru)下圖10所示。

圖10 反相后(hou)驅動(dong)波(bo)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(guan)電路(lu)。

圖11 主回(hui)路(lu)

根據整流后的電壓和輸入電流參數，選擇IRF840為高(gao)頻開關管，其(qi)最大耐壓VDS為500V，最大能承(cheng)受(shou)的導通(tong)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(de)續流(liu)二極(ji)(ji)管一般選用快(kuai)恢復的(de)二極(ji)(ji)管，此處(chu)選擇HFA25TB60，能承受600V的反向(xiang)壓降(jiang)，最大(da)導通電流為25A，且(qie)恢復時間僅為35ns，輸(shu)出部分(fen)通過兩個電(dian)阻分(fen)壓至電(dian)壓采樣電(dian)路，如(ru)下圖(tu)12所示。

圖12 電(dian)(dian)壓采樣(yang)電(dian)(dian)路

3.5過流保護電路

過流保護電路如下圖13所示(shi)。

圖13 過流檢測電路。

在主回路的上端串聯一個0.33歐姆10W的功率電(dian)阻作為采樣電(dian)阻，當電(dian)流(liu)過大時(shi)，光(guang)(guang)耦中光(guang)(guang)敏三極(ji)管導(dao)通(tong)，檢(jian)測電(dian)路輸出高(gao)電(dian)平(ping)到IR2110的SD端(duan)，由于SD是低電(dian)平有(you)效、高電(dian)平關斷點，因此電(dian)流(liu)過(guo)大時能很好地保(bao)護(hu)電(dian)路。且如前(qian)所述，IR2110自身帶有各種保護(hu)電路(lu)，故(gu)外圍的(de)電流電壓保護(hu)電路(lu)可以大(da)(da)大(da)(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管漏極和源極導通電阻）等參數來計算，實際中(zhong)應留有一(yi)定(ding)的余量(liang)值(zhi)。系統運行基本穩定(ding)，可考慮(lv)應用于(yu)工(gong)業(ye)電源設計中(zhong)。