【大功率開關電源(yuan)】大功率開關電源(yuan)電路圖 大功率可調開關電源(yuan)設(she)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)(guan)電(dian)源作為(wei)線性穩壓電(dian)源的(de)一(yi)種替代物(wu)出(chu)現(xian)，其應用與實現(xian)日益成(cheng)(cheng)熟。而集成(cheng)(cheng)化(hua)技術使(shi)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)向小型化(hua)、智(zhi)能化(hua)方(fang)向發展，新型電(dian)子(zi)設(she)備(bei)要(yao)求開關(guan)(guan)電(dian)源有更小的(de)體(ti)積和更低(di)的(de)噪聲干擾，以便實現(xian)集成(cheng)(cheng)一(yi)體(ti)化(hua)。對中(zhong)小功(gong)(gong)率開關(guan)(guan)電(dian)源來說(shuo)是實現(xian)單片集成(cheng)(cheng)化(hua)，但在(zai)大功(gong)(gong)率應用領域，因其功(gong)(gong)率損耗過大，很難做成(cheng)(cheng)單片集成(cheng)(cheng)，不(bu)得不(bu)根據其拓撲結構在(zai)保證(zheng)電(dian)源各項(xiang)參數的(de)同時盡量縮(suo)小系(xi)統體(ti)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）控制IC（Integrated Circuit）和(he)功(gong)(gong)率(lv)器(qi)件(jian)（功(gong)(gong)率(lv)MOSFET或IGBT）構成，且符合三(san)個條(tiao)件：開關(guan)（器(qi)件工作在開關(guan)非線性狀態）、高頻（器(qi)件工作在高頻非接近上頻的低(di)頻）和直流（電(dian)源輸出是直流而不是交(jiao)流）。

2.1控制IC

以MC33060為例介紹控制IC。

MC33060是由安森美（ON Semi）半導體公(gong)司生產的一種性能優(you)良(liang)的電壓驅動型脈寬調制器件，采(cai)用固(gu)定頻(pin)率的單端輸出，能工作(zuo)在-40℃至85℃。其內部(bu)結構(gou)如圖1所示(shi)[1]，主要特征如下：

1）集(ji)成了全部的脈寬調制電路；

2）內(nei)置線性鋸(ju)齒波振蕩(dang)器，外置元件(jian)僅一(yi)個電阻一(yi)個電容；

3）內置誤差放大器；

4）內置5V參考電壓，1.5%的(de)精度；

5）可調(diao)整死區控制；

6）內置晶體管提供200mA的驅動能力(li)；

7）欠壓鎖定保護(hu)；

圖1 MC33060內部結構(gou)圖

其工作原理簡述：MC33060是一(yi)個固(gu)定頻率的(de)脈沖寬度調(diao)制電路，內(nei)置線性(xing)鋸(ju)齒波振(zhen)蕩器，振(zhen)蕩頻率可通過外(wai)部(bu)的(de)一(yi)個電阻和一(yi)個電容(rong)進行調(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上的正極性鋸齒波電壓(ya)與(yu)另外(wai)兩(liang)個控制信(xin)號進行比較來(lai)實現(xian)。功率管Q1的輸(shu)出受控于(yu)(yu)或(huo)非門，即只有(you)在鋸齒(chi)波電壓大于(yu)(yu)控制信(xin)號期間輸(shu)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(bu)償電壓，它(ta)限制了最小輸出死區時間約等于鋸(ju)齒(chi)波周期的4%，即輸出驅(qu)動的(de)最大(da)占(zhan)空比為96%.當把死區時(shi)間(jian)控制輸入端(duan)接上固定的電壓（范圍在0-3.3V）即(ji)能在輸(shu)出脈沖上(shang)產生附加的死(si)區時間。脈沖寬度調制比(bi)較器為誤差放大器調節輸(shu)出脈寬提供了一個手段：當(dang)反饋電壓從0.5V變化到3.5V時，輸出的脈沖寬度(du)從被死區確定的最大導通(tong)百分比時間下降到零(ling)。兩個(ge)誤差放(fang)大器具有從-0.3V到(dao)（Vcc-2.0）的(de)共(gong)模(mo)輸(shu)入范圍(wei)，這可從電(dian)源的(de)輸(shu)出電(dian)壓和電(dian)流察(cha)覺得到。誤差放大器的(de)輸(shu)出端常處(chu)于高電(dian)平，它與脈沖寬度(du)調制器的(de)反相(xiang)輸(shu)入端進(jin)行"或"運算，正是這種(zhong)電路結構，放大(da)器只需最小的(de)輸(shu)出即可支配(pei)控制(zhi)回路。

2.2 DC/DC電源拓撲

DC/DC電源拓撲一般分(fen)為三類：降(jiang)(jiang)壓(ya)、升(sheng)壓(ya)和升(sheng)降(jiang)(jiang)壓(ya)。此處以降(jiang)(jiang)壓(ya)拓撲介紹，簡化效果圖(tu)如下圖(tu)3所示。輸出(chu)與輸入同極性(xing)，輸入電流脈(mo)動(dong)大，輸出(chu)電流脈(mo)動(dong)小，結構簡單。

圖3 Bulk降壓斬波電路(lu)

在開關管導通時間ton，輸入電源(yuan)給負載和電感(gan)供電；開關管斷開期間toff，電(dian)(dian)感中存儲的能量通過(guo)二(er)極管(guan)組成續流回(hui)路，保證輸(shu)出的連續。負載電(dian)(dian)壓滿足如下(xia)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(de)降壓斬(zhan)波電路

MC33060作為主控芯片控制(zhi)開關(guan)管(guan)的(de)導通與(yu)截止，由其內部結構功(gong)能可知，在MC33060內部(bu)有一(yi)個+5V參考電(dian)壓(ya)，通常用作(zuo)兩路比(bi)較(jiao)器的反相(xiang)參考電(dian)壓(ya)，設(she)計中1腳和2腳的比(bi)較(jiao)器用來作為輸出電(dian)壓反饋，13腳和(he)14腳的比較器用來檢測開關管(guan)的電流是否過流。電路中2腳(jiao)通過(guo)一(yi)個反相電路(lu)接參考電壓，降壓輸出(chu)反饋經(jing)一(yi)同相電路(lu)接MC33060的1腳。當電路處于工作狀態時，1腳(jiao)和2腳電壓就會相互比(bi)較，根(gen)據兩者的差(cha)值來(lai)調整輸出(chu)波形脈(mo)寬，達到控制和穩定輸出(chu)的目的。

電路中過流保護采用0.1歐姆額定功率(lv)為1W的功率電阻(zu)作為采(cai)樣電阻(zu)，在電流(liu)過流(liu)點，采(cai)樣電阻(zu)上的電壓為0.1V.14腳(jiao)用作采(cai)樣點，因此13腳(jiao)的參考電壓由Vref分壓設定(ding)為0.15V，相比0.1V留有一定(ding)余地(di)。當(dang)采(cai)樣電壓高于(yu)設定(ding)值時，MC33060將自動保(bao)護，關閉PWM輸(shu)出。保護點(dian)還和3腳的控(kong)制信號有(you)關(guan)，根據(ju)對該腳的功能分析，選擇積分反饋電路(lu)，使得降壓電路(lu)在(zai)空(kong)載(zai)或滿(man)載(zai)時，Comp腳(jiao)的電壓始終(zhong)在正常范圍（0.5V-3.5V）之內。

輸出PWM波形的頻率(lv)由管腳5的電(dian)容和管腳6的電(dian)阻值來確定，降壓電(dian)路采(cai)用25KHz的(de)波形頻率(lv)，選擇CT值為1nF電容，RT為47K的普通電阻達到設計要求(qiu)。

3、本系統設計

本設計采用的是DC（Direct Current）/DC轉換電(dian)路中的降壓型拓撲結構。輸入為220VAC和0-10V可(ke)調直流電壓(ya)，輸出為0-180V可調，最(zui)大(da)輸出電流能達8A，系(xi)統組成框(kuang)圖(tu)如下圖(tu)5所示。在大功率開關電源設計中，為防止(zhi)在啟動時的高(gao)浪涌電流(liu)沖擊，常(chang)采用軟啟動電路，本(ben)設計不重點介紹(shao)。

圖5 系統(tong)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(shu)出電流要(yao)求最大達到8A，考慮功(gong)率損(sun)耗和(he)一定的余(yu)量(liang)，選(xuan)擇10A的方橋(qiao)KBPC3510和10A的保險管。整流(liu)后的電壓達310V，采用(yong)兩(liang)個250V/100uF電容作濾(lv)波處理。圖(tu)中開(kai)關(guan)S1和電(dian)阻R1并聯為"軟啟動(dong)"部分，此(ci)處未(wei)作詳細講解，詳細軟啟(qi)動(dong)設(she)計見各種開關電源軟啟(qi)動(dong)設(she)計。

圖6 整流電路(lu)。

3.2控制IC與輸入電路

MC33060控(kong)制電路和(he)輸(shu)入調節(jie)電路分別如下(xia)圖7和(he)圖(tu)8所示，選MC33060為(wei)控制(zhi)IC，其外圍器件(jian)選(xuan)擇此處不再贅述，參考典型(xing)電(dian)路設計中參數選(xuan)擇部分(fen)。其中比較器1作電(dian)壓采樣，比較器2作(zuo)電(dian)(dian)流采樣。輸(shu)(shu)入可調(diao)電(dian)(dian)壓(ya)經分壓(ya)跟隨后送入比(bi)較器(qi)的(de)負向端作(zuo)為參考電(dian)(dian)壓(ya)控制電(dian)(dian)源輸(shu)(shu)出大小(xiao)。

圖7 MC33060控制電路

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(shi)。電路中(zhong)驅動(dong)芯片采用了美國International Rectifier（IR）公司的IR2110.它不僅包括基(ji)本的(de)開(kai)關單元(yuan)和(he)驅動電(dian)路，還(huan)具(ju)有與(yu)外電(dian)路結合的(de)保護控制(zhi)功能(neng)。其懸浮(fu)溝道的(de)設計使其可以(yi)驅動工作在(zai)母線(xian)電(dian)壓不高(gao)于600V的(de)(de)開關管(guan)，其內部具有欠壓(ya)保護(hu)功能，與外電(dian)路結合(he)，可以方便地設計(ji)出(chu)過電(dian)流，過電(dian)壓(ya)保護(hu)，因此(ci)不(bu)需要(yao)額外的(de)(de)過壓(ya)、欠壓(ya)、過流等保護(hu)電(dian)路，簡化了電(dian)路的(de)(de)設計(ji)。

圖8 反相延(yan)時(shi)驅動電路

該芯片為而輸出高壓柵極驅動器，14腳雙列直(zhi)插，驅動(dong)信(xin)號延時為ns級，開(kai)關頻率可從幾(ji)十赫茲(zi)到幾(ji)百千赫茲(zi)。IR2110具(ju)有(you)二(er)(er)路(lu)(lu)輸入信(xin)號和二(er)(er)路(lu)(lu)輸出信(xin)號，其中二(er)(er)路(lu)(lu)輸出信(xin)號中的一路(lu)(lu)具(ju)有(you)電(dian)平轉換功能(neng)，可直接驅(qu)動(dong)高壓側的功率器(qi)件。該驅(qu)動(dong)器(qi)可與主電(dian)路(lu)(lu)共地運行(xing)，且只(zhi)需一路(lu)(lu)控(kong)制電(dian)源，克服了常規(gui)驅(qu)動(dong)器(qi)需要多路(lu)(lu)隔離(li)電(dian)源的缺點，大大簡化了硬件設計。IR2110就簡易(yi)真(zhen)值圖如下圖9所示。

圖9 IR2110簡易真值圖。

IR2110有2個輸出(chu)驅動器，其信(xin)(xin)號(hao)取自輸入信(xin)(xin)號(hao)發(fa)生器，發(fa)生器提供2個輸出(chu)，低側的驅動信(xin)號(hao)(hao)直(zhi)接取自信(xin)號(hao)(hao)發(fa)生器LO，而高側驅動信號HO則必須通(tong)過(guo)電平轉(zhuan)換方能用于(yu)高側輸出驅(qu)動(dong)器。本系統中(zhong)驅(qu)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輸出只有一路信號，則(ze)在(zai)控制IC輸出(chu)和驅動之間(jian)需加(jia)入反(fan)相延(yan)時電(dian)路，將控制IC輸出的一路PWM經同(tong)相(xiang)和反相(xiang)比較(jiao)器后，經電阻R29和R30的上拉分別對電容C12、C13充電產生延時，使得兩路PWM具(ju)有對稱互補(bu)性且具(ju)有一定的(de)死區間隔，保證主回(hui)路(lu)中(zhong)兩開關(guan)管(guan)不會同時導通。在電路(lu)中(zhong)HIN和LIN標號端(duan)得到的波(bo)形圖(tu)如下圖(tu)10所(suo)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(shi)，采(cai)用(yong)半橋(qiao)開關電路。

圖11 主(zhu)回(hui)路(lu)

根據整流后的電壓和輸入電流參數，選擇IRF840為高頻開關管，其最大耐壓(ya)VDS為500V，最大能承(cheng)受(shou)的導通電流(liu)ID為8A，滿足(zu)設計要求。工作在高頻工作狀(zhuang)態的續流二極管一般選用快恢復的二極管，此處選擇HFA25TB60，能承受600V的反向(xiang)壓降，最大導通(tong)電流(liu)為(wei)25A，且恢(hui)復時間僅為35ns，輸出部分通過兩個電(dian)阻分壓至(zhi)電(dian)壓采樣(yang)電(dian)路，如下圖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(guo)流檢(jian)測(ce)電路。

在主回路的上端串聯一個0.33歐姆10W的功率電阻作為(wei)采樣電阻，當電流過大時，光耦(ou)中光敏(min)三極管(guan)導通，檢測電路(lu)輸出高電平到IR2110的(de)SD端，由于SD是低電(dian)(dian)平有效(xiao)、高電(dian)(dian)平關斷(duan)點，因此電(dian)(dian)流過大時能很好地保護電(dian)(dian)路。且如前所(suo)述(shu)，IR2110自身(shen)帶有各種保護電(dian)路(lu)，故外(wai)圍(wei)的電(dian)流電(dian)壓保護電(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(lou)極和(he)源極導通電阻）等參數來(lai)計(ji)算，實際中應(ying)(ying)留有一(yi)定的余量值。系統運(yun)行基(ji)本穩定，可考慮應(ying)(ying)用于工業電源設計(ji)中。