本文給出了一種新型大功率可調開(kāi)關(guān)電源的設計方案。采用Buck 型開(kāi)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 驅動(dòng)芯片，設計了一種可調高電壓大功率的開(kāi)關(guān)電源，有效解決了普通開(kāi)關(guān)電源在非隔離拓撲結構下輸出電壓和功率不能達到很高的問(wèn)題，并帶有過(guò)流保護等電路。文中以MC33060的應用為基礎介紹了可調開(kāi)關(guān)電源設計的方法，然后詳細講解了本系統的組成以及各個(gè)部分的作用，文章最后總結了該系統的特點(diǎn)。
 
1.引言
開(kāi)關(guān)電源作為線(xiàn)性穩壓電源的一種替代物出現，其應用與實(shí)現日益成熟。而集成化技術(shù)使電子設備向小型化、智能化方向發(fā)展，新型電子設備要求開(kāi)關(guān)電源有更小的體積和更低的噪聲干擾，以便實(shí)現集成一體化。對中小功率開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)是實(shí)現單片集成化，但在大功率應用領(lǐng)域，因其功率損耗過(guò)大，很難做成單片集成，不得不根據其拓撲結構在保證電源各項參數的同時(shí)盡量縮小系統體積。
 
2.典型開(kāi)關(guān)電源設計
開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調制（PWM,Pulse Width Modulation）控制IC（Integrated Circuit）和功率器件（功率MOSFET 或IGBT）構成，且符合三個(gè)條件：開(kāi)關(guān)（器件工作在開(kāi)關(guān)非線(xiàn)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）半導體公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電壓驅動(dòng)型脈寬調制器件，采用固定頻率的單端輸出，能工作在-40℃至85℃。其內部結構如圖1所示[1]，主要特征如下：
1）集成了全部的脈寬調制電路；
2）內置線(xiàn)性鋸齒波振蕩器，外置元件僅一個(gè)電阻一個(gè)電容；
3）內置誤差放大器；
4）內置5V參考電壓，1.5%的精度；
5）可調整死區控制；
6）內置晶體管提供200mA的驅動(dòng)能力；
7）欠壓鎖定保護；
 

圖1 MC33060內部結構圖
其工作原理簡(jiǎn)述：MC33060 是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調制電路，內置線(xiàn)性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調節，其振蕩頻率如（2-1）式：

 
出脈沖的寬度是通過(guò)電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現。功率管Q1的輸出受控于或非門(mén)，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(shí)，輸出脈沖的寬度將減小，具體時(shí)序參見(jiàn)如下圖2.


圖2 MC33060時(shí)序圖
控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區時(shí)間比較器具有120mV的輸入補償電壓，最小輸出死區時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，即輸出驅動(dòng)的最大占空比為96%.當把死區時(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)生附加的死區時(shí)間。脈沖寬度調制比較器為誤差放大器調節輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5V時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區確定的最大導通百分比時(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(jué)得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調制器的反相輸入端進(jìn)行"或"運算，正是這種電路結構，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(lèi)：降壓、升壓和升降壓。此處以降壓拓撲介紹，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，結構簡(jiǎn)單。
 

圖3 Bulk降壓斬波電路
在開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間ton,輸入電源給負載和電感供電；開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)期間toff,電感中存儲的能量通過(guò)二極管組成續流回路，保證輸出的連續。負載電壓滿(mǎn)足如下關(guān)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的降壓斬波電路
MC33060作為主控芯片控制開(kāi)關(guān)管的導通與截止，由其內部結構功能可知，在MC33060內部有一個(gè)+5V參考電壓，通常用作兩路比較器的反相參考電壓，設計中1腳和2腳的比較器用來(lái)作為輸出電壓反饋，13腳和14腳的比較器用來(lái)檢測開(kāi)關(guān)管的電流是否過(guò)流。電路中2腳通過(guò)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，根據兩者的差值來(lái)調整輸出波形脈寬，達到控制和穩定輸出的目的。
電路中過(guò)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(guò)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分壓設定為0.15V，相比0.1V留有一定余地。當采樣電壓高于設定值時(shí)，MC33060將自動(dòng)保護，關(guān)閉PWM輸出。保護點(diǎn)還和3腳的控制信號有關(guān)，根據對該腳的功能分析，選擇積分反饋電路，使得降壓電路在空載或滿(mǎn)載時(shí)，Comp腳的電壓始終在正常范圍（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(lái)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的普通電阻達到設計要求。

3.本系統設計
本設計采用的是DC（Direct Current）/DC轉換電路中的降壓型拓撲結構。輸入為220VAC和0-10V可調直流電壓，輸出為0-180V可調，最大輸出電流能達8A，系統組成框圖如下圖5所示。在大功率開(kāi)關(guān)電源設計中，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，本設計不重點(diǎn)介紹。
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(gè)250V/100uF 電容作濾波處理。圖中開(kāi)關(guān)S1 和電阻R1 并聯(lián)為"軟啟動(dòng)"部分，此處未作詳細講解，詳細軟啟動(dòng)設計見(jiàn)各種開(kāi)關(guān)電源軟啟動(dòng)設計。


圖6 整流電路
3.2 控制IC 與輸入電路
MC33060 控制電路和輸入調節電路分別如下圖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，參考典型電路設計中參數選擇部分。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

3.3 反相延時(shí)驅動(dòng)電路
反相延時(shí)驅動(dòng)電路如下圖8 所示。電路中驅動(dòng)芯片采用了美國International Rectifier（IR）公司的IR2110.它不僅包括基本的開(kāi)關(guān)單元和驅動(dòng)電路，還具有與外電路結合的保護控制功能。其懸浮溝道的設計使其可以驅動(dòng)工作在母線(xiàn)電壓不高于600V 的開(kāi)關(guān)管，其內部具有欠壓保護功能，與外電路結合，可以方便地設計出過(guò)電流，過(guò)電壓保護，因此不需要額外的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等保護電路，簡(jiǎn)化了電路的設計。

圖8 反相延時(shí)驅動(dòng)電路
該芯片為而輸出高壓柵極驅動(dòng)器，14腳雙列直插，驅動(dòng)信號延時(shí)為ns 級，開(kāi)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換功能，可直接驅動(dòng)高壓側的功率器件。該驅動(dòng)器可與主電路共地運行，且只需一路控制電源，克服了常規驅動(dòng)器需要多路隔離電源的缺點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了硬件設計。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)輸出驅動(dòng)器，其信號取自輸入信號發(fā)生器，發(fā)生器提供2 個(gè)輸出，低側的驅動(dòng)信號直接取自信號發(fā)生器LO,而高側驅動(dòng)信號HO 則必須通過(guò)電平轉換方能用于高側輸出驅動(dòng)器。本系統中驅動(dòng)雙管需一片IR2110 即可。
因驅動(dòng)雙管，且雙管不能同時(shí)導通，控制IC 輸出只有一路信號，則在控制IC 輸出和驅動(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 的上拉分別對電容C12、C13 充電產(chǎn)生延時(shí)，使得兩路PWM 具有對稱(chēng)互補性且具有一定的死區間隔，保證主回路中兩開(kāi)關(guān)管不會(huì )同時(shí)導通。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(kāi)關(guān)電路。

圖11 主回路
根據整流后的電壓和輸入電流參數，選擇IRF840 為高頻開(kāi)關(guān)管，其最大耐壓VDS 為500V,最大能承受的導通電流ID 為8A,滿(mǎn)足設計要求。工作在高頻工作狀態(tài)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 的反向壓降，最大導通電流為25A,且恢復時(shí)間僅為35ns.輸出部分通過(guò)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

4. 總結
本設計給出了在非隔離拓撲下一種設計大功率開(kāi)關(guān)電源的方法，電路結構簡(jiǎn)單。在主回路中采用半橋電路替代傳統的單管開(kāi)關(guān)電路，在上管關(guān)閉時(shí)，下管的開(kāi)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(diǎn)，可根據電路中輸出電流、電壓和開(kāi)關(guān)管的RDS（MOSFET 管漏極和源極導通電阻）等參數來(lái)計算，實(shí)際中應留有一定的余量值。系統運行基本穩定，可考慮應用于工業(yè)電源設計中。