【大功(gong)率(lv)(lv)開(kai)(kai)關電(dian)源】大功(gong)率(lv)(lv)開(kai)(kai)關電(dian)源電(dian)路圖 大功(gong)率(lv)(lv)可調開(kai)(kai)關電(dian)源設計(ji)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)作為線(xian)性穩壓電(dian)源(yuan)的(de)一種替代物出現(xian)，其應(ying)用與實現(xian)日(ri)益成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)熟(shu)。而集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)化(hua)技(ji)術(shu)使電(dian)子(zi)設備向(xiang)(xiang)小(xiao)(xiao)型(xing)化(hua)、智能化(hua)方向(xiang)(xiang)發展(zhan)，新(xin)型(xing)電(dian)子(zi)設備要(yao)求開關(guan)電(dian)源(yuan)有更小(xiao)(xiao)的(de)體積和(he)更低的(de)噪聲干擾，以便(bian)實現(xian)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)一體化(hua)。對(dui)中小(xiao)(xiao)功(gong)率(lv)開關(guan)電(dian)源(yuan)來說是實現(xian)單片(pian)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)化(hua)，但在(zai)大功(gong)率(lv)應(ying)用領域，因(yin)其功(gong)率(lv)損(sun)耗過大，很難做成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)單片(pian)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)，不得不根據(ju)其拓(tuo)撲(pu)結(jie)構在(zai)保證(zheng)電(dian)源(yuan)各項參數的(de)同時盡量(liang)縮(suo)小(xiao)(xiao)系統(tong)體積。

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)率(lv)器件（功(gong)率(lv)MOSFET或IGBT）構成，且符(fu)合三(san)個條件(jian)：開關（器件(jian)工作在開關非(fei)線性(xing)狀態(tai)）、高頻(pin)（器件(jian)工作在高頻(pin)非(fei)接近上頻(pin)的(de)低頻(pin)）和(he)直流（電源輸(shu)出是直流而不是交(jiao)流）。

2.1控制IC

以MC33060為例介(jie)紹(shao)控制IC。

MC33060是由(you)安森(sen)美（ON Semi）半導體公司(si)生產的一種性能優良的電(dian)壓(ya)驅(qu)動型脈寬(kuan)調制器件，采用固定頻率(lv)的單端輸出(chu)，能工作(zuo)在-40℃至85℃。其內部(bu)結(jie)構如圖(tu)1所示[1]，主(zhu)要特征如下：

1）集成(cheng)了全部的脈(mo)寬調制電路；

2）內置線(xian)性鋸齒波振蕩器，外置元件僅一(yi)個電阻(zu)一(yi)個電容；

3）內置誤差放大器(qi)；

4）內置5V參考電(dian)壓，1.5%的精度；

5）可調整死區控制；

6）內(nei)置晶體管(guan)提供200mA的驅動(dong)能(neng)力；

7）欠壓鎖(suo)定保護；

圖1 MC33060內部結(jie)構圖

其工作原理簡述：MC33060是一(yi)(yi)個固定(ding)頻率的(de)脈沖寬度調制電(dian)路，內置線性(xing)鋸(ju)齒波振(zhen)(zhen)蕩器，振(zhen)(zhen)蕩頻率可通過外部的(de)一(yi)(yi)個電(dian)阻和一(yi)(yi)個電(dian)容進行調節，其(qi)振(zhen)(zhen)蕩頻率如（2-1）式：

輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的(de)正(zheng)極(ji)性(xing)鋸齒(chi)波電壓與(yu)另(ling)外兩個控制信號進(jin)行(xing)比較來實現。功(gong)率管Q1的輸出受(shou)控于或非門，即(ji)只有在鋸(ju)齒波電(dian)壓大于控制(zhi)信號期間(jian)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(de)輸入補(bu)償電壓(ya)，它(ta)限制了最(zui)小輸出死(si)區時間約等于鋸(ju)齒波周期的(de)4%，即(ji)輸出驅動的最大占(zhan)空(kong)比為96%.當把死區時間控制輸入端接上固定(ding)的(de)電壓（范圍在0-3.3V）即(ji)能(neng)在輸出脈沖上產生(sheng)附加(jia)的死區時間。脈沖寬度(du)調(diao)制比較器為(wei)誤差放(fang)大器調(diao)節(jie)輸出脈寬提(ti)供了一個(ge)手段：當反饋電壓(ya)從(cong)0.5V變(bian)化(hua)到3.5V時(shi)(shi)，輸出的脈沖寬度從(cong)被死區確定(ding)的最大導通百分(fen)比時(shi)(shi)間下(xia)降到零。兩個誤(wu)差放大器具有從(cong)-0.3V到（Vcc-2.0）的(de)共模輸入范圍，這可從電(dian)(dian)源的(de)輸出電(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)流察覺得(de)到(dao)。誤差放大(da)器(qi)(qi)的(de)輸出端(duan)常(chang)處于高(gao)電(dian)(dian)平，它與脈沖寬(kuan)度調制器(qi)(qi)的(de)反相輸入端(duan)進(jin)行"或"運算，正是(shi)這種電(dian)路結構(gou)，放大器只需最小的輸出即(ji)可支配控制(zhi)回路。

2.2 DC/DC電源拓撲

DC/DC電源拓撲一般分為(wei)三類：降(jiang)壓(ya)(ya)、升壓(ya)(ya)和升降(jiang)壓(ya)(ya)。此處(chu)以降(jiang)壓(ya)(ya)拓撲介(jie)紹，簡化(hua)效果(guo)圖如下圖3所示。輸出(chu)與輸入同極性，輸入電(dian)(dian)流脈動大，輸出(chu)電(dian)(dian)流脈動小，結構簡(jian)單。

圖3 Bulk降壓斬波電路

在開關管導通時間ton，輸入(ru)電源給負載和電感供電；開關管斷(duan)開期間toff，電感中存儲(chu)的(de)能量通(tong)過(guo)二極管組成續(xu)流回路，保證輸出的(de)連(lian)續(xu)。負載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(jiang)壓斬波(bo)電路(lu)

MC33060作為主控芯片控制開關管的(de)導通與截止，由其內部結(jie)構功能可知(zhi)，在MC33060內部有(you)一個+5V參(can)考電(dian)(dian)壓(ya)，通常(chang)用(yong)作兩路比較器的反相(xiang)參(can)考電(dian)(dian)壓(ya)，設計中1腳和2腳的(de)比較器用來作為輸出電(dian)壓反饋，13腳和(he)14腳的比(bi)較器用來檢測(ce)開關管的電流(liu)(liu)是否過流(liu)(liu)。電路中2腳(jiao)通過一(yi)個反(fan)相電路(lu)接參考電壓，降(jiang)壓輸出(chu)反(fan)饋經一(yi)同相電路(lu)接MC33060的1腳。當電路處于(yu)工作(zuo)狀態時，1腳和2腳電壓就會(hui)相互比較，根據兩者的差值來調整輸(shu)(shu)出波形脈寬，達到控(kong)制(zhi)和穩定輸(shu)(shu)出的目的。

電路中過流保護采用0.1歐姆額(e)定功率為1W的功率電(dian)(dian)阻(zu)作為采樣電(dian)(dian)阻(zu)，在(zai)電(dian)(dian)流過流點，采樣電(dian)(dian)阻(zu)上(shang)的電(dian)(dian)壓為0.1V.14腳用(yong)作采樣(yang)點(dian)，因(yin)此13腳(jiao)的參(can)考電壓由Vref分壓設定為0.15V，相比0.1V留有一定(ding)余地。當采樣電壓高于設(she)定(ding)值時，MC33060將自(zi)動保護(hu)，關閉PWM輸出。保護(hu)點還和3腳的控(kong)制(zhi)信號有關(guan)，根據(ju)對該腳的功(gong)能分析，選擇積分反饋電(dian)路，使得降壓(ya)電(dian)路在空載或滿載時(shi)，Comp腳(jiao)的(de)電壓始(shi)終(zhong)在正常范圍（0.5V-3.5V）之內。

輸出PWM波(bo)形的頻率由(you)管腳(jiao)5的電容和管(guan)腳6的電阻值來確定，降壓電路采用25KHz的波形頻率，選擇CT值為1nF電容，RT為47K的普通電阻達(da)到(dao)設(she)計要(yao)求(qiu)。

3、本系統設計

本設計采用的是DC（Direct Current）/DC轉(zhuan)換電路(lu)中的降壓型(xing)拓(tuo)撲結(jie)構。輸入為220VAC和(he)0-10V可調(diao)直流電壓(ya)，輸(shu)出為0-180V可調(diao)，最大輸出電流能達8A，系統組成(cheng)框圖如下圖5所示。在(zai)大功率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)源設計中(zhong)，為防止在(zai)啟動時的高浪涌(yong)電(dian)流沖擊，常(chang)采用(yong)軟啟動電(dian)路，本(ben)設計不重(zhong)點介紹。

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(suo)示。輸(shu)出電流要求最大達到8A，考慮功率損耗和一定的余量，選擇(ze)10A的方(fang)橋KBPC3510和10A的(de)保險管。整流后的(de)電壓達310V，采用(yong)兩個250V/100uF電容作濾波處理。圖中開關S1和電阻R1并聯(lian)為(wei)"軟啟動"部分(fen)，此處未作詳細(xi)講解，詳細(xi)軟(ruan)啟動設計見各種(zhong)開(kai)關電(dian)源軟(ruan)啟動設計。

圖6 整流(liu)電路。

3.2控制IC與輸入電路

MC33060控制電(dian)(dian)路和輸(shu)入調節電(dian)(dian)路分別如下圖(tu)7和(he)圖8所示，選MC33060為控制(zhi)IC，其外圍器件選擇此處不再贅述，參(can)考典型電路設計中(zhong)參(can)數選擇部分。其中(zhong)比較器1作(zuo)電壓采樣，比較器2作(zuo)電流采樣。輸入(ru)可(ke)調電壓(ya)經分壓(ya)跟隨后送入(ru)比較器的負(fu)向端作(zuo)為參考電壓(ya)控制電源(yuan)輸出大(da)小。

圖7 MC33060控制電路(lu)

圖8 輸入(ru)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)路中驅動(dong)芯片采(cai)用了美國International Rectifier（IR）公司的IR2110.它(ta)不(bu)僅包括(kuo)基本的(de)(de)開關單元和驅(qu)動電(dian)路(lu)，還具有(you)與外電(dian)路(lu)結(jie)合(he)的(de)(de)保護控制功能(neng)。其懸浮(fu)溝道(dao)的(de)(de)設計使其可以驅(qu)動工(gong)作在母線電(dian)壓不(bu)高于600V的開關(guan)管，其(qi)內部具(ju)有欠壓(ya)(ya)保護功(gong)能，與外(wai)電路(lu)結(jie)合，可以(yi)方(fang)便地設(she)計出過(guo)電流，過(guo)電壓(ya)(ya)保護，因(yin)此不(bu)需要額(e)外(wai)的過(guo)壓(ya)(ya)、欠壓(ya)(ya)、過(guo)流等(deng)保護電路(lu)，簡化(hua)了電路(lu)的設(she)計。

圖8 反相延時驅動(dong)電(dian)路(lu)

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(shi)為ns級，開關(guan)頻率可(ke)從幾十赫(he)茲(zi)到幾百千赫(he)茲(zi)。IR2110具(ju)有二路(lu)輸(shu)入信號和二路(lu)輸(shu)出信號，其中二路(lu)輸(shu)出信號中的一(yi)路(lu)具(ju)有電(dian)(dian)平(ping)轉換功(gong)能，可(ke)直(zhi)接驅動(dong)(dong)高壓側的功(gong)率器件。該驅動(dong)(dong)器可(ke)與主電(dian)(dian)路(lu)共地運(yun)行，且(qie)只需(xu)一(yi)路(lu)控制電(dian)(dian)源，克服(fu)了常規(gui)驅動(dong)(dong)器需(xu)要多路(lu)隔離電(dian)(dian)源的缺(que)點，大(da)大(da)簡化了硬件設(she)計(ji)。IR2110就簡易(yi)真值圖如下(xia)圖9所示。

圖9 IR2110簡易真值圖。

IR2110有2個輸(shu)出驅動器(qi)，其信(xin)號取自(zi)輸(shu)入信(xin)號發(fa)生器(qi)，發(fa)生器(qi)提供(gong)2個(ge)輸出，低側的(de)驅(qu)動信號(hao)直接取自信號(hao)發生器LO，而高側驅動(dong)信(xin)號HO則必須通過電平轉換方能用于高(gao)側(ce)輸出(chu)驅動(dong)器(qi)。本系(xi)統中(zhong)驅動(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輸出只有一路(lu)信號，則在控(kong)制IC輸出(chu)和驅動(dong)之(zhi)間需加(jia)入反相(xiang)延時電(dian)路(lu)，將控制IC輸出(chu)的(de)一路PWM經同相和(he)反相比較器(qi)后，經電阻R29和(he)R30的上拉分別對(dui)電(dian)容C12、C13充(chong)電產(chan)生延時(shi)，使(shi)得兩路PWM具(ju)有對(dui)稱互補性且具(ju)有一定(ding)的(de)死(si)區(qu)間隔，保證主回路中兩開關(guan)管不會(hui)同時導通(tong)。在電路中HIN和(he)LIN標號端得(de)到(dao)的波形圖如(ru)下圖10所示。

圖10 反相后(hou)驅動(dong)波形

3.4主回路與輸出采樣

主回路如圖11所示，采用半(ban)橋(qiao)開關電(dian)路。

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(gao)頻開關管，其最大耐壓VDS為500V，最大能(neng)承(cheng)受的(de)導(dao)通電(dian)流(liu)ID為8A，滿足設計要求(qiu)。工作(zuo)在高(gao)頻工作(zuo)狀態的續流二極管一般選用快恢復的二極管，此處(chu)選擇HFA25TB60，能承(cheng)受600V的反向壓降，最大導(dao)通電流為25A，且恢復時間(jian)僅為35ns，輸出(chu)部分(fen)通過兩個電阻分(fen)壓至電壓采樣電路，如下(xia)圖12所(suo)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(ce)電路。

在主回路的上端串聯一個0.33歐姆10W的功(gong)率電(dian)(dian)(dian)阻作為采樣電(dian)(dian)(dian)阻，當電(dian)(dian)(dian)流(liu)過(guo)大時，光耦中光敏三極管導通，檢(jian)測電(dian)(dian)(dian)路輸出高電(dian)(dian)(dian)平(ping)到IR2110的(de)SD端，由于SD是低電(dian)(dian)平有(you)效、高電(dian)(dian)平關(guan)斷(duan)點，因此電(dian)(dian)流過大時能(neng)很好地(di)保護電(dian)(dian)路。且(qie)如(ru)前所述，IR2110自身帶有各種保(bao)護電(dian)路(lu)，故外圍的電(dian)流(liu)電(dian)壓保(bao)護電(dian)路(lu)可以大大簡化。

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(he)源極導通電(dian)阻）等參數來計(ji)(ji)算，實(shi)際中(zhong)應留有一(yi)定的余量值。系(xi)統(tong)運行基本穩(wen)定，可(ke)考慮應用于工(gong)業電(dian)源設計(ji)(ji)中(zhong)。