一種大功率可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

一、開關(guān)電源介紹

作為線性穩(wěn)壓電源的替代方案，開關(guān)電源在使用和實(shí)現(xiàn)方面變得越來(lái)越復(fù)雜。集成技術(shù)推動(dòng)電子設(shè)備變得更小、更智能。新的電子設(shè)備需要更小尺寸和更低噪聲干擾的開關(guān)電源，以實(shí)現(xiàn)集成和集成。對(duì)于中小功率開關(guān)電源是單片集成，但在大功率應(yīng)用領(lǐng)域，由于其功率損耗太大，很難做到單片集成，不得不根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)保證功率的各種參數(shù)盡量減小系統(tǒng)尺寸。

以下是有關(guān)大功率開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)的一些信息。大功率開關(guān)電源主要用于高頻電源系統(tǒng)的開關(guān)電源，技術(shù)指標(biāo)必須非常高且準(zhǔn)確。

確定的技術(shù)指標(biāo)如下，在此附上大功率可調(diào)開關(guān)電源的實(shí)例型號(hào)技術(shù)特性圖。

1.輸入電壓：380_+20%;

2.電網(wǎng)頻率：50Hz_+10%;

3.功率因數(shù)：0.93以上;

4.輸入過(guò)壓報(bào)警：437V_+5V;

5.輸入掉電報(bào)警：320V_+5V;

6.輸出標(biāo)稱電壓：220V;

7.輸出電壓范圍：176-286V;

8.輸出紋波電壓：10mV;

9.輸出額定電流：5A;

10.輸出過(guò)壓保護(hù)：325V+_5V;

11.輸出欠壓保護(hù)：195V+_5V;

1.1 大功率電源特性

穩(wěn)壓電源技術(shù)指標(biāo)可分為兩類：一類是特性指標(biāo)，如輸出電壓、輸出電流和穩(wěn)壓范圍;另一個(gè)是質(zhì)量指標(biāo)，反映了穩(wěn)壓電源的優(yōu)缺點(diǎn)，包括穩(wěn)定性、等效內(nèi)阻（輸出電阻）、紋波電壓和溫度系數(shù)。

1.2 直流電源指標(biāo)特性

（1）最大輸出電流。它取決于最大允許工作電流和變壓器容量以及二極管整流器最大電流的主要調(diào)節(jié)。

（2）輸出電壓和電壓調(diào)節(jié)范圍。這可以根據(jù)用戶的要求來(lái)確定。對(duì)于需要恒定電源的設(shè)備，穩(wěn)壓電源的調(diào)節(jié)范圍最好更小。而且一旦電壓值調(diào)整好了，最好不要再改變。對(duì)于可調(diào)輸出電壓電源，輸出范圍從大多數(shù)零伏調(diào)節(jié)，通常需要更大范圍的穩(wěn)壓器，并且連續(xù)可調(diào)。

（3）保護(hù)功能。在直流電源中，當(dāng)負(fù)載電流過(guò)載或短路時(shí)，穩(wěn)壓器會(huì)損壞。因此，必須使用快速響應(yīng)的過(guò)流保護(hù)電路。另外，當(dāng)穩(wěn)壓電流失效時(shí)，輸出會(huì)出現(xiàn)電壓過(guò)高的現(xiàn)象，對(duì)負(fù)載有害。因此，還需要過(guò)壓保護(hù)電路。

（4）效率。穩(wěn)壓電源是換能器，因此也存在能量轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題。提高效率主要是降低調(diào)節(jié)管的功耗。

二、典型開關(guān)電源設(shè)計(jì)

開關(guān)電源一般由脈寬調(diào)制（PWM）控制IC（集成電路）和功率器件（功率MOSFET或IGBT）組成。它滿足三個(gè)條件：開關(guān)（設(shè)備在開關(guān)非線性狀態(tài)下工作）、高頻（設(shè)備工作在高頻非接近低頻的高頻上限）和直流（功率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是由安森美半導(dǎo)體制造的高性能、電壓驅(qū)動(dòng)脈寬調(diào)制器，工作溫度范圍為-40°C至85°C，具有單端固定頻率輸出。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］，主要特點(diǎn)如下：

1） 集成脈寬調(diào)制電路

2）內(nèi)置線性鋸齒振蕩器，外部元件只需一個(gè)電阻一個(gè)電容;

3）內(nèi)置誤差放大器;

4）內(nèi)置5V基準(zhǔn)電壓，精度1.5%;

5）可調(diào)盲區(qū)控制;

6）內(nèi)置晶體管提供200mA驅(qū)動(dòng)能力;

7） 欠壓鎖定保護(hù)

圖1 MC33060內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其工作原理簡(jiǎn)述如下：MC33060是一款固定頻率脈寬調(diào)制電路，內(nèi)置線性鋸齒振蕩器。振蕩頻率可通過(guò)外部電阻和電容器調(diào)節(jié)，振蕩頻率為（2-1）型：

輸出脈沖的寬度是通過(guò)將電容器CT上的正極性鋸齒波電壓與其他兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)的。功率晶體管Q1的輸出由NOR門控制，當(dāng)鋸齒波電壓大于控制信號(hào)時(shí)。

當(dāng)控制信號(hào)增大時(shí)，輸出脈沖的寬度會(huì)減小，具體時(shí)序見下圖

圖2 MC33060時(shí)序圖

控制信號(hào)輸入來(lái)自集成電路外部，沿死區(qū)時(shí)間比較器，然后到誤差放大器輸入。死區(qū)時(shí)間比較器的輸入失調(diào)電壓為120mV，將最小輸出死區(qū)時(shí)間限制在鋸齒周期的約4%，即最大輸出驅(qū)動(dòng)占空比為96%。當(dāng)死區(qū)時(shí)間控制輸入端接時(shí)，固定電壓（在0-3.3V范圍內(nèi)）會(huì)在輸出脈沖上產(chǎn)生額外的死區(qū)時(shí)間。

脈寬調(diào)制。比較器為誤差放大器提供了一種調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的方法：當(dāng)反饋電壓從0.5V變?yōu)?.5V時(shí)，輸出的脈沖寬度從零下降到由死區(qū)確定的百分比的最大值。兩個(gè)誤差放大器的共模輸入范圍為-0.3V至（Vcc-2.0），由電源的輸出電壓和電流感知。誤差放大器的輸出通常為高電平，與脈寬調(diào)制器的反相輸入進(jìn)行“或”運(yùn)算。正是這種類型的電路配置允許放大器以最小的輸出主導(dǎo)控制環(huán)路。

2.2 DC/DC電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC/DC電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般分為三類：降壓、升壓和降壓-升壓。這里要降壓拓?fù)?，?jiǎn)化渲染，如下圖3所示。輸出與輸入極性相同，輸入電流紋波大，輸出電流紋波小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖3 大容量降壓斬波電路

在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，輸入電源給負(fù)載和電感;關(guān)斷，電感能量通過(guò)二極管存儲(chǔ)在續(xù)流電路中，保證連續(xù)輸出。負(fù)載電壓滿足以下關(guān)系（2-2）：

2.3 典型電路及參數(shù)設(shè)計(jì)

典型電路如圖4所示

圖4 MC33060降壓斬波電路

MC33060作為主控芯片的開關(guān)開關(guān)，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的功能可以看出，MC33060內(nèi)部有一個(gè)+5

V的基準(zhǔn)電壓，通常用作兩個(gè)反相比較器的基準(zhǔn)電壓。引腳1和引腳2的比較器設(shè)計(jì)用作輸出電壓的反饋，13英尺和14英尺的比較器用于檢測(cè)開關(guān)管的電流是否過(guò)電流。電路中的2腳通過(guò)反相電路連接到基準(zhǔn)電壓。

降壓輸出反饋流經(jīng)連接到MC33060

1英尺的相位。當(dāng)電路處于工作狀態(tài)時(shí)，1英尺和2英尺電壓會(huì)相互比較，根據(jù)兩者之間的差異來(lái)調(diào)整輸出波形脈沖寬度，達(dá)到控制和穩(wěn)定輸出的目的。

過(guò)流保護(hù)電路以額定功率0.1歐姆的1W功率電阻作為采樣電阻，電流流點(diǎn)、采樣電阻電壓為0.1V.14英尺作為采樣點(diǎn)，因此13引腳基準(zhǔn)電壓由Vref點(diǎn)壓力設(shè)定為0.15V，相比0.1V留有一定的余地。當(dāng)采樣電壓高于設(shè)定值時(shí)，MC33060將自動(dòng)保護(hù)并關(guān)閉PWM輸出。保護(hù)點(diǎn)還與3針的控制信號(hào)有關(guān)。根據(jù)該引腳的功能分析，選擇積分反饋電路，使比較器引腳的電壓始終在正常范圍內(nèi)（0.5V-3.5V）內(nèi)，當(dāng)降壓電路處于無(wú)內(nèi)部狀態(tài)時(shí)。

輸出PWM波形的頻率由引腳5的電容和引腳6的電阻值決定。降壓電路采用25KHz的波形頻率，選用CT值為1nF的電容，RT為47K的共模電阻滿足設(shè)計(jì)要求。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用

DC（直流）/直流轉(zhuǎn)換器電路降壓拓?fù)洹］斎霝?20VAC和0-10V可調(diào)直流電壓，輸出可調(diào)0-180V，最大輸出電流可達(dá)8A。系統(tǒng)框圖如下圖 5

所示。在大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，為了防止啟動(dòng)時(shí)浪涌電流浪涌，一般采用軟啟動(dòng)電路，但本文不重點(diǎn)介紹類型。

圖5 系統(tǒng)框圖

3.1 整流濾波電路

全橋整流電路，如下圖6所示。輸出電流要求高達(dá)8A。考慮到功率損耗和一定的裕量，我們可以選擇10A方形橋KBPC3510和 10A

保險(xiǎn)絲。整流電壓上升至310V，使用兩個(gè)250V /

100uF電容器進(jìn)行濾波。在下圖中，開關(guān)S1和電阻R1并聯(lián)充當(dāng)“軟啟動(dòng)”部分，這里不再詳細(xì)解釋。詳細(xì)的軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)可以在另一篇名為“各種軟啟動(dòng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)”的文章中看到。

圖6 整流電路

3.2 控制IC和輸入電路

MC33060控制電路和輸入調(diào)節(jié)電路如圖7-1和圖7-2所示，選擇MC33060作為控制IC，外圍器件選擇在此不再贅述。請(qǐng)參考典型電路設(shè)計(jì)參數(shù)選擇部分。比較器1用于電壓采樣，比較器2用于電流采樣。輸入可調(diào)電壓隨后分壓進(jìn)入負(fù)極側(cè)的比較器通常用作基準(zhǔn)電壓控制輸出大小的功率。

圖7-1 MC33060 控制電路

圖7-2 輸入調(diào)整電路

3.3 反向延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路

反相延遲驅(qū)動(dòng)電路如下圖8所示。電路中的驅(qū)動(dòng)芯片采用美國(guó)國(guó)際整流器（IR）公司的IR2110，不僅包括基本的開關(guān)單元和驅(qū)動(dòng)電路，還包括與外部電路相結(jié)合的保護(hù)控制功能。浮動(dòng)通道設(shè)計(jì)使得可以在總線電壓不高于600V的總線下驅(qū)動(dòng)開關(guān)。其內(nèi)部配有欠壓保護(hù)。結(jié)合外部電路，可以方便地設(shè)計(jì)過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)，因此不需要額外的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)電路簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

圖8 反向延遲驅(qū)動(dòng)電路

該芯片是一款輸出高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，具有 14 引腳雙列直插式。驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲為ns電平，開關(guān)頻率從幾十赫茲到幾百千赫茲。IR2110

有兩個(gè)輸入信號(hào)和兩個(gè)輸出信號(hào)。兩個(gè)輸出信號(hào)中的一個(gè)具有電平轉(zhuǎn)換功能，可直接驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率器件。驅(qū)動(dòng)器可以與主電路共同運(yùn)行，只需要一路控制電源即可克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器需要多個(gè)隔離電源的缺點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。IR2110簡(jiǎn)單真值圖，如下圖9所示。

圖9 IR2110簡(jiǎn)單真值圖

IR2110有兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，信號(hào)取自輸入信號(hào)發(fā)生器，發(fā)生器提供兩個(gè)輸出，低端驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接來(lái)自信號(hào)發(fā)生器LO，而高端驅(qū)動(dòng)信號(hào)HO必須通過(guò)電平轉(zhuǎn)換為高邊輸出驅(qū)動(dòng)器。該系統(tǒng)已經(jīng)驅(qū)動(dòng)了IR2110的雙重需求即可。

由于驅(qū)動(dòng)雙管，而雙管不能同時(shí)導(dǎo)通，控制IC輸出只有一個(gè)信號(hào)。在控制IC輸出和驅(qū)動(dòng)中，需要增加抗相位延遲電路。PWM輸出由控制IC同相和同相后，電阻R29和R30上拉電容C12、C13分別充電延時(shí)，使得兩個(gè)PWM對(duì)稱互補(bǔ)并具有一定的死區(qū)，保證了兩個(gè)主開關(guān)電路不會(huì)導(dǎo)通。電路中HIN和LIN的波形如下圖10所示。

圖10 反相驅(qū)動(dòng)波形

3.4 主電路和輸出采樣

主電路如圖11所示，采用半橋開關(guān)電路。

圖11 主電路

根據(jù)整流電壓和輸入電流參數(shù)，紅外熱議院號(hào)碼840被選為高頻開關(guān)。最大耐壓VDS為500V，最大耐電流ID為8A，符合設(shè)計(jì)要求。續(xù)流二極管工作在高頻狀態(tài)下一般選用快速恢復(fù)二極管。這里我選擇HFA25TB60，它可以承受600V的反向壓降，最大導(dǎo)通電流25A，恢復(fù)時(shí)間只有35ns。兩個(gè)電阻的輸出部分分壓電壓采樣電路，如下圖12所示。

圖12 電壓采樣電路

3.5 過(guò)流保護(hù)電路

過(guò)流保護(hù)電路如下圖13所示。

圖13 過(guò)流檢測(cè)電路

在主電路的上端串聯(lián)一個(gè)0.33歐姆的10W功率電阻作為采樣電阻，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，光耦合器光電晶體管導(dǎo)通，檢測(cè)電路輸出高電平到IR2110

SD端子，SD低因?yàn)橛行?，關(guān)斷點(diǎn)高，所以電流過(guò)大無(wú)法保護(hù)電路。而且如前所述，IR2110本身具有多種保護(hù)電路，因此可以大大簡(jiǎn)化外部電流和電壓保護(hù)電路。

四、結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)給出了一種非隔離拓?fù)湓O(shè)計(jì)的大功率開關(guān)電源方法，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在主電路中，使用半橋電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單管開關(guān)電路。當(dāng)上管關(guān)閉時(shí)，下管的開口可以更好地保證輸出續(xù)流的穩(wěn)定性，保證功率的輸出。

本文沒有給出電感的計(jì)算方法，因?yàn)樗皇怯懻摰闹攸c(diǎn)，根據(jù)電路輸出電流、電壓和開關(guān)管RDS（MOSFET管漏極和源極電阻）等參數(shù)來(lái)計(jì)算實(shí)際應(yīng)保持一定的裕量值。系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定，可考慮用于工業(yè)電源設(shè)計(jì)。