大功率可调开关电源关键设计

摘要：本文给出了一种新型大功率可调开关电源的设计方法。采用Buck型开关电源拓扑，以带单路pWM输出和电流电压反馈检测MC33060为控制IC，配以双路输出IR2110驱动芯片，设计了一种可调高电压大功率的开关电源，有效解决了普通开关电源在非隔离拓扑结构下输出电压和功率不能达到很高的限制，并带有过流保护等电路。文中以MC33060的应用为基础介绍了可调开关电源设计的方法，然后详细讲解了本系统的组成以及各个部分的用途，文章最后总结了该系统的特点。

1.引言

开关电源作为线性稳压电源的一种替代物出现，其应用与实现日益成熟。而集成化技术使电子设备向小型化、智能化方向发展，新型电子设备要求开关电源有更小的体积和更低的噪声干扰，以便实现集成一体化。对中小功率开关电源来说是实现单片集成化，但在大功率应用领域，因其功率损耗过大，很难做成单片集成，不得不根据其拓扑结构在保证电源各项参数的同时尽量缩小系统体积。

2.典型开关电源设计

开关电源一般由脉冲宽度调制（pWM，pulseWidthModulation）控制IC（IntegratedCircuit）和功率器件（功率MOSFET或IGBT）构成，且符合三个条件：开关（器件工作在开关非线性状态）、高频（器件工作在高频非接近上频的低频）和直流（电源输出是直流而不是交流）。

2.1控制IC

以MC33060为例介绍控制IC。

MC33060是由安森美（ONSemi）半导体公司生产的一种性能优良的电压驱动型脉宽调制器件，采用固定频率的单端输出，能工作在-40℃至85℃。其内部结构如图1所示［1］，重要特点如下：

1）集成了全部的脉宽调制电路；

2）内置线性锯齿波振荡器，外置元件仅一个电阻一个电容；

3）内置误差放大器；

4）内置5V参考电压，1.5%的精度；

5）可调整死区控制；

6）内置晶体管供应200mA的驱动能力；

7）欠压锁定保护；

图1MC33060内部结构图

其工作原理简述：MC33060是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如（2-1）式：

输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率管Q1的输出受控于或非门，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间输出才有效。

当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小，具体时序参见如下图2.

图2MC33060时序图

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，即输出驱动的最大占空比为96%.当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0-3.3V）即能在输出脉冲上出现附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽供应了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。

[page]2.2DC/DC电源拓扑

DC/DC电源拓扑一般分为三类：降压、升压和升降压。此处以降压拓扑介绍，简化效果图如下图3所示。输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。

图3Bulk降压斩波电路

在开关管导通时间ton，输入电源给负载和电感供电；开关管断开期间toff，电感中存储的能量通过二极管组成续流回路，保证输出的持续。负载电压满足如下关系式（2-2）：

2.3典型电路与参数设计

典型电路如下图4所示。

图4MC33060的降压斩波电路

MC33060作为主控芯片控制开关管的导通与截止，由其内部结构功能可知，在MC33060内部有一个+5V参考电压，通常用作两路比较器的反相参考电压，设计中1脚和2脚的比较器用来作为输出电压反馈，13脚和14脚的比较器用来检测开关管的电流是否过流。电路中2脚通过一个反相电路接参考电压，降压输出反馈经一同相电路接MC33060的1脚。当电路处于工作状态时，1脚和2脚电压就会相互比较，根据两者的差值来调整输出波形脉宽，达到控制和稳定输出的目的。

电路中过流保护采用0.1欧姆额定功率为1W的功率电阻作为采样电阻，在电流过流点，采样电阻上的电压为0.1V.14脚用作采样点，因此13脚的参考电压由Vref分压设定为0.15V，相比0.1V留有一定余地。当采样电压高于设定值时，MC33060将自动保护，关闭pWM输出。保护点还和3脚的控制信号有关，根据对该脚的功能分析，选择积分反馈电路，使得降压电路在空载或满载时，Comp脚的电压始终在正常范围（0.5V-3.5V）之内。

输出pWM波形的频率由管脚5的电容和管脚6的电阻值来确定，降压电路采用25KHz的波形频率，选择CT值为1nF电容，RT为47K的普通电阻达到设计要求。

3.本系统设计

本设计采用的是DC（DirectCurrent）/DC转换电路中的降压型拓扑结构。输入为220VAC和0-10V可调直流电压，输出为0-180V可调，最大输出电流能达8A，系统组成框图如下图5所示。在大功率开关电源设计中，为防止在启动时的高浪涌电流冲击，常采用软启动电路，本设计不重点介绍。

图5系统组成框图

3.1整流滤波电路

采用全桥整流电路，如下图6所示。输出电流要求最大达到8A，考虑功率损耗和一定的余量，选择10A的方桥KBpC3510和10A的保险管。整流后的电压达310V，采用两个250V/100uF电容作滤波处理。图中开关S1和电阻R1并联为“软启动”部分，此处未作详细讲解，详细软启动设计见各种开关电源软启动设计。

图6整流电路。

[page]3.2控制IC与输入电路

MC33060控制电路和输入调节电路分别如下图7和图8所示，选MC33060为控制IC，其外围器件选择此处不再赘述，参考典型电路设计中参数选择部分。其中比较器1作电压采样，比较器2作电流采样。输入可调电压经分压跟随后送入比较器的负向端作为参考电压控制电源输出大小。

图7MC33060控制电路

图8输入调节电路

3.3反相延时驱动电路

反相延时驱动电路如下图8所示。电路中驱动芯片采用了美国InternationalRectifier（IR）公司的IR2110.它不仅包括基本的开关单元和驱动电路，还具有与外电路结合的保护控制功能。其悬浮沟道的设计使其可以驱动工作在母线电压不高于600V的开关管，其内部具有欠压保护功能，与外电路结合，可以方便地设计出过电流，过电压保护，因此不要额外的过压、欠压、过流等保护电路，简化了电路的设计。

图8反相延时驱动电路

该芯片为而输出高压栅极驱动器，14脚双列直插，驱动信号延时为ns级，开关频率可从几十赫兹到几百千赫兹。IR2110具有二路输入信号和二路输出信号，其中二路输出信号中的一路具有电平转换功能，可直接驱动高压侧的功率器件。该驱动器可与主电路共地运行，且只需一路控制电源，克服了常规驱动器要多路隔离电源的缺点，大大简化了硬件设计。IR2110就简易真值图如下图9所示。

图9IR2110简易真值图。

IR2110有2个输出驱动器，其信号取自输入信号发生器，发生器供应2个输出，低侧的驱动信号直接取自信号发生器LO，而高侧驱动信号HO则必须通过电平转换方能用于高侧输出驱动器。本系统中驱动双管需一片IR2110即可。

因驱动双管，且双管不能同时导通，控制IC输出只有一路信号，则在控制IC输出和驱动之间需加入反相延时电路，将控制IC输出的一路pWM经同相和反相比较器后，经电阻R29和R30的上拉分别对电容C12、C13充电出现延时，使得两路pWM具有对称互补性且具有一定的死区间隔，保证主回路中两开关管不会同时导通。在电路中HIN和LIN标号端得到的波形图如下图10所示。

图10反相后驱动波形

3.4主回路与输出采样

主回路如图11所示，采用半桥开关电路。

图11主回路

根据整流后的电压和输入电流参数，选择IRF840为高频开关管，其最大耐压VDS为500V，最大能承受的导通电流ID为8A，满足设计要求。工作在高频工作状态的续流二极管一般选用快恢复的二极管，此处选择HFA25TB60，能承受600V的反向压降，最大导通电流为25A，且恢复时间仅为35ns.输出部分通过两个电阻分压至电压采样电路，如下图12所示。

图12电压采样电路

3.5过流保护电路

过流保护电路如下图13所示。

图13过流检测电路。

在主回路的上端串联一个0.33欧姆10W的功率电阻作为采样电阻，当电流过大时，光耦中光敏三极管导通，检测电路输出高电平到IR2110的SD端，由于SD是低电平有效、高电平关断点，因此电流过大时能很好地保护电路。且如前所述，IR2110自身带有各种保护电路，故外围的电流电压保护电路可以大大简化。

4.总结

本设计给出了在非隔离拓扑下一种设计大功率开关电源的方法，电路结构简单。在主回路中采用半桥电路替代传统的单管开关电路，在上管关闭时，下管的开通能更好地保证输出续流的稳定性，且保证功率的输出。文中并未给出电感量的计算方法，因不是讨论重点，可根据电路中输出电流、电压和开关管的RDS（MOSFET管漏极和源极导通电阻）等参数来计算，实际中应留有一定的余量值。系统运行基本稳定，可考虑应用于工业电源设计中。