大功率可調(diào)開關(guān)電源的一種設(shè)計方案

一種大功率可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計方案
一種大功率可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計方案
摘 要：本文給出了一種新型大功率可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計方案。采用Buck 型開關(guān)電源拓撲，以帶單路PWM 輸出和電流電壓反饋檢測MC33060 為控制IC,配以雙路輸出IR2110 驅(qū)動芯片，設(shè)計了一種可調(diào)高電壓大功率的開關(guān)電源，有效解決了普通開關(guān)電源在非隔離拓撲結(jié)構(gòu)下輸出電壓和功率不能達到很高的**，并帶有過流保護等電路。文中以MC33060 的應(yīng)用為基礎(chǔ)介紹了可調(diào)開關(guān)電源設(shè)計的方法，然后詳細講解了本系統(tǒng)的組成以及各個部分的作用，文章最后總結(jié)了該系統(tǒng)的特點。
1.引言
開關(guān)電源作為線性穩(wěn)壓電源的一種替代物出現(xiàn)，其應(yīng)用與實現(xiàn)日益成熟。而集成化技術(shù)使電子設(shè)備向小型化、智能化方向發(fā)展，新型電子設(shè)備要求開關(guān)電源有更小的體積和更低的噪聲干擾，以便實現(xiàn)集成一體化。對中小功率開關(guān)電源來說是實現(xiàn)單片集成化，但在大功率應(yīng)用領(lǐng)域，因其功率損耗過大，很難做成單片集成，不得不根據(jù)其拓撲結(jié)構(gòu)在保證電源各項參數(shù)的同時盡量縮小系統(tǒng)體積。
2.典型開關(guān)電源設(shè)計
開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM,Pulse Width Modulation）控制IC（Integrated Circuit）和功率器件（功率MOSFET 或IGBT）構(gòu)成，且符合三個條件：開關(guān)（器件工作在開關(guān)非線性狀態(tài)）、高頻（器件工作在高頻非接近上頻的低頻）和直流（電源輸出是直流而不是交流）。
2.1 控制IC
以MC33060 為例介紹控制IC。
MC33060 是由安森美（ON Semi）半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器件，采用固定頻率的單端輸出，能工作在-40℃至85℃。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1],主要特征如下：
1） 集成了全部的脈寬調(diào)制電路；
2） 內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置元件僅一個電阻一個電容；
3） 內(nèi)置誤差放大器；
4） 內(nèi)置 5V 參考電壓，1.5%的精度；
5） 可調(diào)整死區(qū)控制；
6） 內(nèi)置晶體管提供200mA 的驅(qū)動能力；
7） 欠壓鎖定保護；

圖1 MC33060 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其工作原理簡述：MC33060 是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如（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與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率管Q1 的輸出受控于或非門，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間輸出才有效。
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 時序圖

控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV 的輸入補償電壓，它**了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的4%,即輸出驅(qū)動的最大占空比為96%.當把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在0-3.3V）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V 變化到3.5V 時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時間下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V 到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進行"或"運算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。
2.2 DC/DC 電源拓撲
DC/DC 電源拓撲一般分為三類：降壓、升壓和升降壓。此處以降壓拓撲介紹，簡化效果圖如下圖3 所示。輸出與輸入同極性，輸入電流脈動大，輸出電流脈動小，結(jié)構(gòu)簡單。

圖 3 Bulk 降壓斬波電路

在開關(guān)管導(dǎo)通時間ton,輸入電源給負載和電感供電；開關(guān)管斷開期間toff,電感中存儲的能量通過二極管組成續(xù)流回路，保證輸出的連續(xù)。負載電壓滿足如下關(guān)系式（2-2）：

2.3 典型電路與參數(shù)設(shè)計
典型電路如下圖4 所示。

                                                     圖 4 MC33060 的降壓斬波電路

MC33060 作為主控芯片控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能可知，在MC33060內(nèi)部有一個+5V 參考電壓，通常用作兩路比較器的反相參考電壓，設(shè)計中1 腳和2 腳的比較器用來作為輸出電壓反饋，13 腳和14 腳的比較器用來檢測開關(guān)管的電流是否過流。電路中2 腳通過一個反相電路接參考電壓，降壓輸出反饋經(jīng)一同相電路接MC33060 的1 腳。當電路處于工作狀態(tài)時，1 腳和2 腳電壓就會相互比較，根據(jù)兩者的差值來調(diào)整輸出波形脈寬，達到控制和穩(wěn)定輸出的目的。
電路中過流保護采用0.1 歐姆額定功率為1W 的功率電阻作為采樣電阻，在電流過流點，采樣電阻上的電壓為0.1V.14 腳用作采樣點，因此13 腳的參考電壓由Vref 分壓設(shè)定為0.15V,相比0.1V 留有一定余地。當采樣電壓高于設(shè)定值時，MC33060 將自動保護，關(guān)閉PWM 輸出。保護點還和3 腳的控制信號有關(guān)，根據(jù)對該腳的功能分析，選擇積分反饋電路，使得降壓電路在空載或滿載時，Comp 腳的電壓始終在正常范圍（0.5V-3.5V）之內(nèi)。
輸出 PWM 波形的頻率由管腳5 的電容和管腳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 的普通電阻達到設(shè)計要求。
3.本系統(tǒng)設(shè)計
本設(shè)計采用的是DC（Direct Current）/DC 轉(zhuǎn)換電路中的降壓型拓撲結(jié)構(gòu)。輸入為220VAC和0-10V 可調(diào)直流電壓，輸出為0-180V 可調(diào)，最大輸出電流能達8A,系統(tǒng)組成框圖如下圖5 所示。在大功率開關(guān)電源設(shè)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(shè)計不重點介紹。

                                                                                              圖 5 系統(tǒng)組成框圖

3.1 整流濾波電路

采用全橋整流電路，如下圖6 所示。輸出電流要求最大達到8A,考慮功率損耗和一定的余量，選擇10A 的方橋KBPC3510 和10A 的保險管。整流后的電壓達310V,采用兩個250V/100uF 電容作濾波處理。圖中開關(guān)S1 和電阻R1 并聯(lián)為"軟啟動"部分，此處未作詳細講解，詳細軟啟動設(shè)計見各種開關(guān)電源軟啟動設(shè)計。

                                    圖 6 整流電路。

3.2 控制IC 與輸入電路
MC33060 控制電路和輸入調(diào)節(jié)電路分別如下圖7 和圖8 所示，選MC33060 為控制IC,其外圍器件選擇此處不再贅述，參考典型電路設(shè)計中參數(shù)選擇部分。其中比較器1 作電壓采樣，比較器2 作電流采樣。輸入可調(diào)電壓經(jīng)分壓跟隨后送入比較器的負向端作為參考電壓控制電源輸出大小。

圖 7 MC33060 控制電路

圖 8 輸入調(diào)節(jié)電路

3.3 反相延時驅(qū)動電路
反相延時驅(qū)動電路如下圖8 所示。電路中驅(qū)動芯片采用了美國International Rectifier（IR）公司的IR2110.它不僅包括基本的開關(guān)單元和驅(qū)動電路，還具有與外電路結(jié)合的保護控制功能。其懸浮溝道的設(shè)計使其可以驅(qū)動工作在母線電壓不高于600V 的開關(guān)管，其內(nèi)部具有欠壓保護功能，與外電路結(jié)合，可以方便地設(shè)計出過電流，過電壓保護，因此不需要額外的過壓、欠壓、過流等保護電路，簡化了電路的設(shè)計。

                         圖 8 反相延時驅(qū)動電路

該芯片為而輸出高壓柵極驅(qū)動器，14 腳雙列直插，驅(qū)動信號延時為ns 級，開關(guān)頻率可從幾十赫茲到幾百千赫茲。IR2110 具有二路輸入信號和二路輸出信號，其中二路輸出信號中的一路具有電平轉(zhuǎn)換功能，可直接驅(qū)動高壓側(cè)的功率器件。該驅(qū)動器可與主電路共地運行，且只需一路控制電源，克服了常規(guī)驅(qū)動器需要多路隔離電源的缺點，大大簡化了硬件設(shè)計。IR2110 就簡易真值圖如下圖9 所示。

圖 9 IR2110 簡易真值圖。

IR2110 有2 個輸出驅(qū)動器，其信號取自輸入信號發(fā)生器，發(fā)生器提供2 個輸出，低側(cè)的驅(qū)動信號直接取自信號發(fā)生器LO,而高側(cè)驅(qū)動信號HO 則必須通過電平轉(zhuǎn)換方能用于高側(cè)輸出驅(qū)動器。本系統(tǒng)中驅(qū)動雙管需一片IR2110 即可。
因驅(qū)動雙管，且雙管不能同時導(dǎo)通，控制IC 輸出只有一路信號，則在控制IC 輸出和驅(qū)動之間需加入反相延時電路，將控制IC 輸出的一路PWM 經(jīng)同相和反相比較器后，經(jīng)電阻R29 和R30 的上拉分別對電容C12、C13 充電產(chǎn)生延時，使得兩路PWM 具有對稱互補性且具有一定的死區(qū)間隔，保證主回路中兩開關(guān)管不會同時導(dǎo)通。在電路中HIN 和LIN 標號端得到的波形圖如下圖10 所示。

圖 10 反相后驅(qū)動波形

3.4 主回路與輸出采樣
主回路如圖 11 所示，采用半橋開關(guān)電路。

圖 11 主回路

根據(jù)整流后的電壓和輸入電流參數(shù)，選擇IRF840 為高頻開關(guān)管，其最大耐壓VDS 為500V,最大能承受的導(dǎo)通電流ID 為8A,滿足設(shè)計要求。工作在高頻工作狀態(tài)的續(xù)流二極管一般選用快恢復(fù)的二極管，此處選擇HFA25TB60,能承受600V 的反向壓降，最大導(dǎo)通電流為25A,且恢復(fù)時間僅為35ns.輸出部分通過兩個電阻分壓至電壓采樣電路，如下圖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(lián)一個0.33 歐姆10W 的功率電阻作為采樣電阻，當電流過大時，光耦中光敏三極管導(dǎo)通，檢測電路輸出高電平到IR2110 的SD 端，由于SD 是低電平有效、高電平關(guān)斷點，因此電流過大時能很好地保護電路。且如前所述，IR2110 自身帶有各種保護電路，故外圍的電流電壓保護電路可以大大簡化。
4. 總結(jié)
本設(shè)計給出了在非隔離拓撲下一種設(shè)計大功率開關(guān)電源的方法，電路結(jié)構(gòu)簡單。在主回路中采用半橋電路替代傳統(tǒng)的單管開關(guān)電路，在上管關(guān)閉時，下管的開通能更好地保證輸出續(xù)流的穩(wěn)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(jù)電路中輸出電流、電壓和開關(guān)管的RDS（MOSFET 管漏極和源極導(dǎo)通電阻）等參數(shù)來計算，實際中應(yīng)留有一定的余量值。系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定，可考慮應(yīng)用于工業(yè)電源設(shè)計中。