大功率可調(diào)開關(guān)電源的一種設(shè)計(jì)方案

一種大功率可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案
一種大功率可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)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(jì)方案。采用Buck 型開關(guān)電源拓?fù)?，以帶單路PWM 輸出和電流電壓反饋檢測(cè)MC33060 為控制IC,配以雙路輸出IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)下輸出電壓和功率不能達(dá)到很高的**，并帶有過流保護(hù)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(jì)的方法，然后詳細(xì)講解了本系統(tǒng)的組成以及各個(gè)部分的作用，文章最后總結(jié)了該系統(tǒng)的特點(diǎn)。
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(shí)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(shí)現(xiàn)集成一體化。對(duì)中小功率開關(guān)電源來說是實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)在保證電源各項(xiàng)參數(shù)的同時(shí)盡量縮小系統(tǒng)體積。
2.典型開關(guān)電源設(shè)計(jì)
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(gè)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(dòng)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(gè)電阻一個(gè)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(dòng)能力；
7） 欠壓鎖定保護(hù)；

圖1 MC33060 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其工作原理簡(jiǎn)述：MC33060 是一個(gè)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(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)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(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)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(hào)期間輸出才有效。
當(dāng)控制信號(hào)增大時(shí)，輸出脈沖的寬度將減小，具體時(shí)序參見如下圖2.

圖 2 MC33060 時(shí)序圖

控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV 的輸入補(bǔ)償電壓，它**了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%,即輸出驅(qū)動(dòng)的最大占空比為96%.當(dāng)把死區(qū)時(shí)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(shí)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(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V 變化到3.5V 時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間下降到零。兩個(gè)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(jìn)行或運(yùn)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?fù)?br />DC/DC 電源拓?fù)湟话惴譃槿悾航祲?、升壓和升降壓。此處以降壓拓?fù)浣榻B，簡(jiǎn)化效果圖如下圖3 所示。輸出與輸入同極性，輸入電流脈動(dòng)大，輸出電流脈動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖 3 Bulk 降壓斬波電路

在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton,輸入電源給負(fù)載和電感供電；開關(guān)管斷開期間toff,電感中存儲(chǔ)的能量通過二極管組成續(xù)流回路，保證輸出的連續(xù)。負(fù)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(jì)
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(gè)+5V 參考電壓，通常用作兩路比較器的反相參考電壓，設(shè)計(jì)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(cè)開關(guān)管的電流是否過流。電路中2 腳通過一個(gè)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(dāng)電路處于工作狀態(tài)時(shí)，1 腳和2 腳電壓就會(huì)相互比較，根據(jù)兩者的差值來調(diào)整輸出波形脈寬，達(dá)到控制和穩(wěn)定輸出的目的。
電路中過流保護(hù)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(diǎn)，采樣電阻上的電壓為0.1V.14 腳用作采樣點(diǎn)，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(dāng)采樣電壓高于設(shè)定值時(shí)，MC33060 將自動(dòng)保護(hù)，關(guān)閉PWM 輸出。保護(hù)點(diǎn)還和3 腳的控制信號(hào)有關(guān)，根據(jù)對(duì)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(shí)，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(dá)到設(shè)計(jì)要求。
3.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用的是DC（Direct Current）/DC 轉(zhuǎn)換電路中的降壓型拓?fù)浣Y(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(dá)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(jì)中，為防止在啟動(dòng)時(shí)的高浪涌電流沖擊，常采用軟啟動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)不重點(diǎn)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(dá)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(xiǎn)管。整流后的電壓達(dá)310V,采用兩個(gè)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(dòng)部分，此處未作詳細(xì)講解，詳細(xì)軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)見各種開關(guān)電源軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)。

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(jì)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(fù)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(shí)驅(qū)動(dòng)電路
反相延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路如下圖8 所示。電路中驅(qū)動(dòng)芯片采用了美國(guó)International Rectifier（IR）公司的IR2110.它不僅包括基本的開關(guān)單元和驅(qū)動(dòng)電路，還具有與外電路結(jié)合的保護(hù)控制功能。其懸浮溝道的設(shè)計(jì)使其可以驅(qū)動(dòng)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(hù)功能，與外電路結(jié)合，可以方便地設(shè)計(jì)出過電流，過電壓保護(hù)，因此不需要額外的過壓、欠壓、過流等保護(hù)電路，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。

圖 8 反相延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路

該芯片為而輸出高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，14 腳雙列直插，驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)為ns 級(jí)，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(hào)和二路輸出信號(hào)，其中二路輸出信號(hào)中的一路具有電平轉(zhuǎn)換功能，可直接驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率器件。該驅(qū)動(dòng)器可與主電路共地運(yùn)行，且只需一路控制電源，克服了常規(guī)驅(qū)動(dòng)器需要多路隔離電源的缺點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。IR2110 就簡(jiǎn)易真值圖如下圖9 所示。

圖 9 IR2110 簡(jiǎn)易真值圖。

IR2110 有2 個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，其信號(hào)取自輸入信號(hào)發(fā)生器，發(fā)生器提供2 個(gè)輸出，低側(cè)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接取自信號(hào)發(fā)生器LO,而高側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)HO 則必須通過電平轉(zhuǎn)換方能用于高側(cè)輸出驅(qū)動(dòng)器。本系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)雙管需一片IR2110 即可。
因驅(qū)動(dòng)雙管，且雙管不能同時(shí)導(dǎo)通，控制IC 輸出只有一路信號(hào)，則在控制IC 輸出和驅(qū)動(dòng)之間需加入反相延時(shí)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(duì)電容C12、C13 充電產(chǎn)生延時(shí)，使得兩路PWM 具有對(duì)稱互補(bǔ)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(huì)同時(shí)導(dǎo)通。在電路中HIN 和LIN 標(biāo)號(hào)端得到的波形圖如下圖10 所示。

圖 10 反相后驅(qū)動(dòng)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(jì)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(shí)間僅為35ns.輸出部分通過兩個(gè)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(hù)電路
過流保護(hù)電路如下圖13 所示。

圖 13 過流檢測(cè)電路。

在主回路的上端串聯(lián)一個(gè)0.33 歐姆10W 的功率電阻作為采樣電阻，當(dāng)電流過大時(shí)，光耦中光敏三極管導(dǎo)通，檢測(cè)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(diǎn)，因此電流過大時(shí)能很好地保護(hù)電路。且如前所述，IR2110 自身帶有各種保護(hù)電路，故外圍的電流電壓保護(hù)電路可以大大簡(jiǎn)化。
4. 總結(jié)
本設(shè)計(jì)給出了在非隔離拓?fù)湎乱环N設(shè)計(jì)大功率開關(guān)電源的方法，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)，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(jì)算方法，因不是討論重點(diǎn)，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(jì)算，實(shí)際中應(yīng)留有一定的余量值。系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定，可考慮應(yīng)用于工業(yè)電源設(shè)計(jì)中。