一种大功率可调开关电源的设计方案

一、开关电源介绍

作为线性稳压电源的替代方案，开关电源在使用和实现方面变得越来越复杂。集成技术推动电子设备变得更小、更智能。新的电子设备需要更小尺寸和更低噪声干扰的开关电源，以实现集成和集成。对于中小功率开关电源是单片集成，但在大功率应用领域，由于其功率损耗太大，很难做到单片集成，不得不根据其拓扑结构来保证功率的各种参数尽量减小系统尺寸。

以下是有关大功率开关电源技术指标的一些信息。大功率开关电源主要用于高频电源系统的开关电源，技术指标必须非常高且准确。

确定的技术指标如下，在此附上大功率可调开关电源的实例型号技术特性图。

1.输入电压：380_+20%;

2.电网频率：50Hz_+10%;

3.功率因数：0.93以上;

4.输入过压报警：437V_+5V;

5.输入掉电报警：320V_+5V;

6.输出标称电压：220V;

7.输出电压范围：176-286V;

8.输出纹波电压：10mV;

9.输出额定电流：5A;

10.输出过压保护：325V+_5V;

11.输出欠压保护：195V+_5V;

1.1 大功率电源特性

稳压电源技术指标可分为两类：一类是特性指标，如输出电压、输出电流和稳压范围;另一个是质量指标，反映了稳压电源的优缺点，包括稳定性、等效内阻（输出电阻）、纹波电压和温度系数。

1.2 直流电源指标特性

（1）最大输出电流。它取决于最大允许工作电流和变压器容量以及二极管整流器最大电流的主要调节。

（2）输出电压和电压调节范围。这可以根据用户的要求来确定。对于需要恒定电源的设备，稳压电源的调节范围最好更小。而且一旦电压值调整好了，最好不要再改变。对于可调输出电压电源，输出范围从大多数零伏调节，通常需要更大范围的稳压器，并且连续可调。

（3）保护功能。在直流电源中，当负载电流过载或短路时，稳压器会损坏。因此，必须使用快速响应的过流保护电路。另外，当稳压电流失效时，输出会出现电压过高的现象，对负载有害。因此，还需要过压保护电路。

（4）效率。稳压电源是换能器，因此也存在能量转换效率问题。提高效率主要是降低调节管的功耗。

二、典型开关电源设计

开关电源一般由脉宽调制（PWM）控制IC（集成电路）和功率器件（功率MOSFET或IGBT）组成。它满足三个条件：开关（设备在开关非线性状态下工作）、高频（设备工作在高频非接近低频的高频上限）和直流（功率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是由安森美半导体制造的高性能、电压驱动脉宽调制器，工作温度范围为-40°C至85°C，具有单端固定频率输出。其内部结构如图1所示［1］，主要特点如下：

1） 集成脉宽调制电路

2）内置线性锯齿振荡器，外部元件只需一个电阻一个电容;

3）内置误差放大器;

4）内置5V基准电压，精度1.5%;

5）可调盲区控制;

6）内置晶体管提供200mA驱动能力;

7） 欠压锁定保护

图1 MC33060内部结构

其工作原理简述如下：MC33060是一款固定频率脉宽调制电路，内置线性锯齿振荡器。振荡频率可通过外部电阻和电容器调节，振荡频率为（2-1）型：

输出脉冲的宽度是通过将电容器CT上的正极性锯齿波电压与其他两个控制信号进行比较来实现的。功率晶体管Q1的输出由NOR门控制，当锯齿波电压大于控制信号时。

当控制信号增大时，输出脉冲的宽度会减小，具体时序见下图

图2 MC33060时序图

控制信号输入来自集成电路外部，沿死区时间比较器，然后到误差放大器输入。死区时间比较器的输入失调电压为120mV，将最小输出死区时间限制在锯齿周期的约4%，即最大输出驱动占空比为96%。当死区时间控制输入端接时，固定电压（在0-3.3V范围内）会在输出脉冲上产生额外的死区时间。

脉宽调制。比较器为误差放大器提供了一种调节输出脉冲宽度的方法：当反馈电压从0.5V变为3.5V时，输出的脉冲宽度从零下降到由死区确定的百分比的最大值。两个误差放大器的共模输入范围为-0.3V至（Vcc-2.0），由电源的输出电压和电流感知。误差放大器的输出通常为高电平，与脉宽调制器的反相输入进行“或”运算。正是这种类型的电路配置允许放大器以最小的输出主导控制环路。

2.2 DC/DC电源拓扑结构

DC/DC电源拓扑结构一般分为三类：降压、升压和降压-升压。这里要降压拓扑，简化渲染，如下图3所示。输出与输入极性相同，输入电流纹波大，输出电流纹波小，结构简单。

图3 大容量降压斩波电路

在开关导通时间内，输入电源给负载和电感;关断，电感能量通过二极管存储在续流电路中，保证连续输出。负载电压满足以下关系（2-2）：

2.3 典型电路及参数设计

典型电路如图4所示

图4 MC33060降压斩波电路

MC33060作为主控芯片的开关开关，从内部结构的功能可以看出，MC33060内部有一个+5

V的基准电压，通常用作两个反相比较器的基准电压。引脚1和引脚2的比较器设计用作输出电压的反馈，13英尺和14英尺的比较器用于检测开关管的电流是否过电流。电路中的2脚通过反相电路连接到基准电压。

降压输出反馈流经连接到MC33060

1英尺的相位。当电路处于工作状态时，1英尺和2英尺电压会相互比较，根据两者之间的差异来调整输出波形脉冲宽度，达到控制和稳定输出的目的。

过流保护电路以额定功率0.1欧姆的1W功率电阻作为采样电阻，电流流点、采样电阻电压为0.1V.14英尺作为采样点，因此13引脚基准电压由Vref点压力设定为0.15V，相比0.1V留有一定的余地。当采样电压高于设定值时，MC33060将自动保护并关闭PWM输出。保护点还与3针的控制信号有关。根据该引脚的功能分析，选择积分反馈电路，使比较器引脚的电压始终在正常范围内（0.5V-3.5V）内，当降压电路处于无内部状态时。

输出PWM波形的频率由引脚5的电容和引脚6的电阻值决定。降压电路采用25KHz的波形频率，选用CT值为1nF的电容，RT为47K的共模电阻满足设计要求。

三、系统设计

该设计采用

DC（直流）/直流转换器电路降压拓扑。输入为220VAC和0-10V可调直流电压，输出可调0-180V，最大输出电流可达8A。系统框图如下图 5

所示。在大功率开关电源的设计中，为了防止启动时浪涌电流浪涌，一般采用软启动电路，但本文不重点介绍类型。

图5 系统框图

3.1 整流滤波电路

全桥整流电路，如下图6所示。输出电流要求高达8A。考虑到功率损耗和一定的裕量，我们可以选择10A方形桥KBPC3510和 10A

保险丝。整流电压上升至310V，使用两个250V /

100uF电容器进行滤波。在下图中，开关S1和电阻R1并联充当“软启动”部分，这里不再详细解释。详细的软启动设计可以在另一篇名为“各种软启动开关电源设计”的文章中看到。

图6 整流电路

3.2 控制IC和输入电路

MC33060控制电路和输入调节电路如图7-1和图7-2所示，选择MC33060作为控制IC，外围器件选择在此不再赘述。请参考典型电路设计参数选择部分。比较器1用于电压采样，比较器2用于电流采样。输入可调电压随后分压进入负极侧的比较器通常用作基准电压控制输出大小的功率。

图7-1 MC33060 控制电路

图7-2 输入调整电路

3.3 反向延时驱动电路

反相延迟驱动电路如下图8所示。电路中的驱动芯片采用美国国际整流器（IR）公司的IR2110，不仅包括基本的开关单元和驱动电路，还包括与外部电路相结合的保护控制功能。浮动通道设计使得可以在总线电压不高于600V的总线下驱动开关。其内部配有欠压保护。结合外部电路，可以方便地设计过流、过压保护，因此不需要额外的过压、欠压、过流保护电路简化电路设计。

图8 反向延迟驱动电路

该芯片是一款输出高压栅极驱动器，具有 14 引脚双列直插式。驱动信号延迟为ns电平，开关频率从几十赫兹到几百千赫兹。IR2110

有两个输入信号和两个输出信号。两个输出信号中的一个具有电平转换功能，可直接驱动高压侧的功率器件。驱动器可以与主电路共同运行，只需要一路控制电源即可克服传统驱动器需要多个隔离电源的缺点，大大简化了硬件设计。IR2110简单真值图，如下图9所示。

图9 IR2110简单真值图

IR2110有两个输出驱动器，信号取自输入信号发生器，发生器提供两个输出，低端驱动信号直接来自信号发生器LO，而高端驱动信号HO必须通过电平转换为高边输出驱动器。该系统已经驱动了IR2110的双重需求即可。

由于驱动双管，而双管不能同时导通，控制IC输出只有一个信号。在控制IC输出和驱动中，需要增加抗相位延迟电路。PWM输出由控制IC同相和同相后，电阻R29和R30上拉电容C12、C13分别充电延时，使得两个PWM对称互补并具有一定的死区，保证了两个主开关电路不会导通。电路中HIN和LIN的波形如下图10所示。

图10 反相驱动波形

3.4 主电路和输出采样

主电路如图11所示，采用半桥开关电路。

图11 主电路

根据整流电压和输入电流参数，红外热议院号码840被选为高频开关。最大耐压VDS为500V，最大耐电流ID为8A，符合设计要求。续流二极管工作在高频状态下一般选用快速恢复二极管。这里我选择HFA25TB60，它可以承受600V的反向压降，最大导通电流25A，恢复时间只有35ns。两个电阻的输出部分分压电压采样电路，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

在主电路的上端串联一个0.33欧姆的10W功率电阻作为采样电阻，当电流过大时，光耦合器光电晶体管导通，检测电路输出高电平到IR2110

SD端子，SD低因为有效，关断点高，所以电流过大无法保护电路。而且如前所述，IR2110本身具有多种保护电路，因此可以大大简化外部电流和电压保护电路。

四、结语

本设计给出了一种非隔离拓扑设计的大功率开关电源方法，电路结构简单。在主电路中，使用半桥电路代替传统的单管开关电路。当上管关闭时，下管的开口可以更好地保证输出续流的稳定性，保证功率的输出。

本文没有给出电感的计算方法，因为它不是讨论的重点，根据电路输出电流、电压和开关管RDS（MOSFET管漏极和源极电阻）等参数来计算实际应保持一定的裕量值。系统运行基本稳定，可考虑用于工业电源设计。