大功率可调开关电源的电路图原理

1、大功率可调开关电源的电路图原理本文给出了一种新型大功率可调开关电源的设计方案。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作用,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

2、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,Pulse Width Modulation控制IC(Integrated Circuit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

3、森美(ON Semi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,主要特征如下: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内置晶体管提供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

4、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,保证输出的连续。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

5、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。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1n

6、F 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(Direct Current/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

7、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。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International Rectifier(IR公司的IR2

8、110.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,因此不需要额外的过压、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，克服了常规驱动器需

9、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 9 IR2110 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，发生器提供 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 充电产

10、生延时，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