【大功(gong)(gong)率開關電(dian)源(yuan)(yuan)】大功(gong)(gong)率開關電(dian)源(yuan)(yuan)電(dian)路圖(tu) 大功(gong)(gong)率可(ke)調(diao)開關電(dian)源(yuan)(yuan)設計方案

一種大功率可調開關電源的設計方案

1、引言

開(kai)(kai)關電(dian)源作為線性(xing)穩壓電(dian)源的一種替代物出現(xian)(xian)(xian)，其(qi)(qi)應用與實(shi)現(xian)(xian)(xian)日益(yi)成(cheng)(cheng)(cheng)熟。而集成(cheng)(cheng)(cheng)化技術使(shi)電(dian)子設(she)備向(xiang)小(xiao)(xiao)(xiao)型化、智(zhi)能化方向(xiang)發(fa)展，新型電(dian)子設(she)備要(yao)求開(kai)(kai)關電(dian)源有更小(xiao)(xiao)(xiao)的體積(ji)(ji)和更低的噪聲干擾，以便實(shi)現(xian)(xian)(xian)集成(cheng)(cheng)(cheng)一體化。對中小(xiao)(xiao)(xiao)功率開(kai)(kai)關電(dian)源來說是實(shi)現(xian)(xian)(xian)單片(pian)集成(cheng)(cheng)(cheng)化，但(dan)在(zai)大(da)功率應用領(ling)域，因其(qi)(qi)功率損耗過大(da)，很難(nan)做成(cheng)(cheng)(cheng)單片(pian)集成(cheng)(cheng)(cheng)，不得不根據其(qi)(qi)拓撲結構在(zai)保證電(dian)源各(ge)項(xiang)參(can)數(shu)的同(tong)時盡(jin)量(liang)縮小(xiao)(xiao)(xiao)系統(tong)體積(ji)(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）和功率器件（功率MOSFET或IGBT）構成，且符合三(san)個條件(jian)(jian)(jian)：開關（器件(jian)(jian)(jian)工作(zuo)(zuo)在(zai)開關非(fei)線性狀態）、高(gao)頻(pin)（器件(jian)(jian)(jian)工作(zuo)(zuo)在(zai)高(gao)頻(pin)非(fei)接近(jin)上(shang)頻(pin)的(de)低頻(pin)）和(he)直(zhi)流（電源(yuan)輸出是直(zhi)流而(er)不是交(jiao)流）。

2.1控制IC

以MC33060為例(li)介紹控制(zhi)IC。

MC33060是由安森美（ON Semi）半導體公(gong)司生(sheng)產的(de)一種(zhong)性能(neng)優良的(de)電壓驅動型(xing)脈寬調制(zhi)器(qi)件，采用固定(ding)頻率的(de)單端輸(shu)出，能(neng)工作在-40℃至85℃。其內部(bu)結構如圖1所示[1]，主要特(te)征如下：

1）集成了全部(bu)的脈(mo)寬調制(zhi)電路；

2）內置線性鋸齒波振(zhen)蕩器(qi)，外置元件僅一個(ge)電(dian)阻(zu)一個(ge)電(dian)容；

3）內(nei)置(zhi)誤差放大器；

4）內(nei)置5V參考(kao)電(dian)壓，1.5%的精度(du)；

5）可調整死(si)區控制；

6）內置晶(jing)體(ti)管提供200mA的驅動(dong)能(neng)力；

7）欠壓鎖(suo)定保(bao)護；

圖1 MC33060內(nei)部結構圖

其工作原理簡述：MC33060是一個(ge)固(gu)定頻率的脈(mo)沖寬度調(diao)制電(dian)路，內置線性鋸齒波(bo)振(zhen)蕩器，振(zhen)蕩頻率可(ke)通過外部的一個(ge)電(dian)阻和一個(ge)電(dian)容(rong)進(jin)行調(diao)節，其振(zhen)蕩頻率如（2-1）式：

輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸(ju)齒波電(dian)壓(ya)與另外兩個控制信號進(jin)行比較來(lai)實現。功(gong)率管(guan)Q1的輸出受(shou)控(kong)于或非門，即(ji)只有(you)在鋸齒波電壓大于控(kong)制信號期間(jian)輸出才有(you)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(chang)電壓，它(ta)限制了最小輸出死區(qu)時間約等(deng)于鋸齒波周期的4%，即輸(shu)出(chu)驅動(dong)的最(zui)大占空(kong)比為(wei)96%.當把死(si)區時間控(kong)制輸入端接上固定的(de)電壓(ya)（范圍在(zai)0-3.3V）即能在輸(shu)出脈(mo)沖上產生(sheng)附加的死區時間。脈(mo)沖寬度調(diao)制比較器為誤差放大器調(diao)節輸(shu)出脈(mo)寬提供了一個(ge)手段：當反(fan)饋電(dian)壓從0.5V變化(hua)到3.5V時，輸(shu)出(chu)的脈沖(chong)寬度從被死區確定的最大導通百分比時間下降(jiang)到零。兩個誤差放(fang)大器具(ju)有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入(ru)(ru)范圍，這可從電(dian)(dian)(dian)源的輸出電(dian)(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)(dian)流察覺得到。誤差放大器(qi)的輸出端常處于高電(dian)(dian)(dian)平，它(ta)與(yu)脈沖(chong)寬度調制器(qi)的反相輸入(ru)(ru)端進(jin)行(xing)"或"運算，正是(shi)這種電路結構，放大器(qi)只需最小(xiao)的輸出即可支(zhi)配(pei)控制回(hui)路。

2.2 DC/DC電源拓撲

DC/DC電源拓撲一般分(fen)為(wei)三類：降壓(ya)(ya)、升壓(ya)(ya)和(he)升降壓(ya)(ya)。此處以降壓(ya)(ya)拓撲介紹(shao)，簡化效果圖如下(xia)圖3所示(shi)。輸(shu)(shu)出與輸(shu)(shu)入同(tong)極(ji)性，輸(shu)(shu)入電(dian)流(liu)(liu)脈動(dong)大，輸(shu)(shu)出電(dian)流(liu)(liu)脈動(dong)小，結(jie)構簡單。

圖3 Bulk降壓斬波電路

在開關管導通時間ton，輸(shu)入電源給(gei)負載和電感供電；開(kai)關管斷(duan)開(kai)期間(jian)toff，電感中存儲的(de)能(neng)量通過二極管組成續流回路，保(bao)證輸出的(de)連續。負載電壓滿足如下關(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(jiang)壓斬(zhan)波(bo)電路

MC33060作為主(zhu)控芯片控制開關管的導通與截止(zhi)，由其內部(bu)結構功能(neng)可知，在MC33060內(nei)部有一個+5V參(can)考電壓，通常用作兩路比較(jiao)器的反相參(can)考電壓，設計中1腳和2腳的比較器用(yong)來作為輸出電壓(ya)反饋，13腳和14腳的比較器用來檢測開關(guan)管的電流是否過流。電路中2腳(jiao)通過一個(ge)反相電(dian)路(lu)接參考電(dian)壓，降壓輸(shu)出反饋經一同相電(dian)路(lu)接MC33060的1腳。當電路處于工(gong)作(zuo)狀態(tai)時，1腳和(he)2腳電壓就會(hui)相(xiang)互比較，根據兩者的(de)差值(zhi)來調整輸出波(bo)形脈寬，達(da)到控制和(he)穩(wen)定輸出的(de)目的(de)。

電路中過流保護采用0.1歐(ou)姆額定(ding)功率為1W的功率電阻作為采樣(yang)電阻，在電流(liu)過流(liu)點，采樣(yang)電阻上的電壓(ya)為0.1V.14腳用作采樣(yang)點，因此(ci)13腳的參(can)考電壓由Vref分壓設定為(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(shi)，MC33060將自動保護(hu)，關(guan)閉PWM輸(shu)出。保護(hu)點還和3腳的控制(zhi)信號有關，根(gen)據對該腳的功能分析，選(xuan)擇積分反饋電路，使得降壓電路在(zai)空載或(huo)滿載時，Comp腳(jiao)的電(dian)壓始終在正(zheng)常范(fan)圍（0.5V-3.5V）之內。

輸出PWM波形的頻率由管腳5的電容和管腳6的電阻值來(lai)確定，降壓電路(lu)采用25KHz的波形頻率(lv)，選(xuan)擇CT值為1nF電(dian)容，RT為47K的普通(tong)電阻(zu)達到(dao)設計(ji)要(yao)求。

3、本系統設計

本設計采用的是DC（Direct Current）/DC轉換電路(lu)中的降壓型拓撲結構。輸入(ru)為220VAC和(he)0-10V可調直(zhi)流電壓，輸(shu)出為0-180V可(ke)調(diao)，最大輸出電流能(neng)達8A，系統(tong)組成框圖(tu)如下圖(tu)5所示。在大(da)功(gong)率開關電(dian)(dian)源設計中，為防止在啟動(dong)時的(de)高浪(lang)涌電(dian)(dian)流(liu)沖(chong)擊，常采用軟啟動(dong)電(dian)(dian)路(lu)，本設計不重點(dian)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。輸出電流要求最大(da)達到8A，考慮功率損耗和一定的余量，選(xuan)擇(ze)10A的(de)方橋KBPC3510和10A的(de)(de)保險管。整流后(hou)的(de)(de)電(dian)壓達310V，采(cai)用兩個(ge)250V/100uF電容作濾波(bo)處理。圖中開(kai)關S1和電阻R1并聯為"軟(ruan)啟動"部分，此處(chu)未(wei)作詳細講解(jie)，詳細軟(ruan)啟(qi)動設計(ji)見各種開關電源軟(ruan)啟(qi)動設計(ji)。

圖6 整流電路。

3.2控制IC與輸入電路

MC33060控制(zhi)電(dian)路和(he)輸入調(diao)節電(dian)路分別(bie)如下圖7和圖(tu)8所示，選MC33060為(wei)控(kong)制(zhi)IC，其外圍(wei)器(qi)件選擇(ze)此處不再贅述，參考典型電路(lu)設計中參數選擇(ze)部分。其中比較器(qi)1作電(dian)壓采樣，比較器2作(zuo)電流采樣。輸(shu)入可調電壓經(jing)分壓跟隨后送入比較器(qi)的負(fu)向端作(zuo)為參(can)考電壓控制電源輸(shu)出大小。

圖7 MC33060控制電路

圖8 輸入調節電(dian)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。電路中驅動芯片采用了美國International Rectifier（IR）公(gong)司的IR2110.它(ta)不僅包括基(ji)本的開關單(dan)元和驅(qu)動電路(lu)(lu)，還具有與(yu)外電路(lu)(lu)結合的保護控制功(gong)能。其懸浮(fu)溝道的設計使其可以驅(qu)動工作(zuo)在母(mu)線電壓(ya)不高于600V的開關管，其(qi)內部(bu)具有(you)欠壓保(bao)護功能，與(yu)外(wai)電(dian)(dian)路結合，可以方便地(di)設計出過(guo)(guo)電(dian)(dian)流，過(guo)(guo)電(dian)(dian)壓保(bao)護，因此不需要額外(wai)的過(guo)(guo)壓、欠壓、過(guo)(guo)流等保(bao)護電(dian)(dian)路，簡化了電(dian)(dian)路的設計。

圖8 反相延時驅動(dong)電路(lu)

該芯片為而輸出高壓柵極驅動器，14腳雙列(lie)直插，驅動信號延(yan)時為ns級，開(kai)關頻率(lv)可(ke)從(cong)幾(ji)十(shi)赫茲(zi)到幾(ji)百千赫茲(zi)。IR2110具有二路(lu)輸(shu)入信(xin)號和二路(lu)輸(shu)出(chu)信(xin)號，其(qi)中二路(lu)輸(shu)出(chu)信(xin)號中的(de)一路(lu)具有電(dian)(dian)平轉換功能，可(ke)直接(jie)驅(qu)動高壓側的(de)功率器(qi)(qi)件。該驅(qu)動器(qi)(qi)可(ke)與主電(dian)(dian)路(lu)共地運行，且只需一路(lu)控制電(dian)(dian)源，克服了常規驅(qu)動器(qi)(qi)需要多路(lu)隔離電(dian)(dian)源的(de)缺點，大大簡化了硬件設(she)計。IR2110就簡易(yi)真值圖如(ru)下圖9所示。

圖9 IR2110簡易真值圖(tu)。

IR2110有2個輸(shu)出驅動(dong)器(qi)，其信號取自輸(shu)入信號發(fa)生器(qi)，發(fa)生器(qi)提(ti)供2個輸(shu)出(chu)，低側(ce)的驅動信號直接取自信號發生器LO，而高側驅動(dong)信(xin)號(hao)HO則(ze)必須通過電平(ping)轉換方能用于高(gao)側輸出驅(qu)動(dong)器。本系統中(zhong)驅(qu)動(dong)雙管需一片IR2110即(ji)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(ze)在(zai)控制IC輸出和驅動之(zhi)間需加入(ru)反相(xiang)延時電路，將控制IC輸出的(de)一路PWM經同相(xiang)和反相(xiang)比較器后，經電阻R29和R30的上拉分別對電容C12、C13充(chong)電(dian)產生延時，使得兩路PWM具(ju)有(you)(you)對稱(cheng)互補性且具(ju)有(you)(you)一定的死(si)區間隔，保證主(zhu)回路中兩開關管不會同時導通。在(zai)電路中HIN和LIN標(biao)號端(duan)得到的波形圖(tu)(tu)如(ru)下圖(tu)(tu)10所示。

圖10 反相后驅動波形

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(kai)關電路。

圖11 主回路(lu)

根據整流后的電壓和輸入電流參數，選擇IRF840為高頻(pin)開(kai)關(guan)管，其最(zui)大耐壓(ya)VDS為500V，最大能承受的(de)導(dao)通(tong)電(dian)流(liu)ID為8A，滿足設計要求。工(gong)作在高頻工(gong)作狀態的續流(liu)二極管一般選用快(kuai)恢復的二極管，此處(chu)選擇HFA25TB60，能(neng)承受600V的反向壓降，最大(da)導(dao)通(tong)電流為25A，且恢復時間僅(jin)為35ns，輸(shu)出部(bu)分(fen)(fen)通過兩(liang)個電阻分(fen)(fen)壓至(zhi)電壓采(cai)樣電路(lu)，如下圖12所示(shi)。

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歐姆(mu)10W的功率電阻(zu)(zu)作(zuo)為采樣電阻(zu)(zu)，當電流過大時，光耦中(zhong)光敏三極管導通，檢測(ce)電路輸出高(gao)電平到IR2110的SD端(duan)，由(you)于(yu)SD是低電(dian)(dian)平有(you)效、高電(dian)(dian)平關斷點，因此電(dian)(dian)流過(guo)大時(shi)能很好地保護電(dian)(dian)路。且如前所述，IR2110自身(shen)帶有各種保護電(dian)(dian)路(lu)，故外圍的電(dian)(dian)流電(dian)(dian)壓(ya)保護電(dian)(dian)路(lu)可以大(da)大(da)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(dao)通電阻(zu)）等(deng)參數(shu)來計算，實(shi)際中應(ying)留有一定的余量值。系統運行基本穩定，可考慮(lv)應(ying)用于工業電源設計中。