详解采用光电耦合器的可变高压电源设计

　　现在市面上可以看到很多0V～30V或60V可调直流输出范围的电源，但高于60V的电源则很少。本设计实例可提供这样一个解决方案。

　　现在有很多固定电压开关模式电源（SMPS），将几个这样的电源串联起来还可实现更高的固定电压。为了从SMPS或基于传统变压器的电源获得可调输出，需要用到线性调节器或开关模式降压转换器。对于降压转换器，可使用MOSFET或IGBT作为开关元件。

　　通常，高侧开关会使用自举IC或脉冲变压器。市场上很少有驱动MOSFET的光电耦合器。由于它们无法提供足够的电流来对栅极电容快速充电，这些光电耦合器主要用于驱动低频MOSFET开关，例如固态继电器。

　　这里尝试在开关稳压器中使用了光电耦合器（VOM1271），该耦合器具有一个内置的快速关断器件。如果将200pF栅极电容连接至IC2，则开关时间（ton与toff）分别为53μs和24μs。有鉴于此，降压转换器选择了2kHz的开关频率。此处选用了德州仪器（TI）的TL494（IC1）作为脉冲调制控制器。

　　考虑到栅极阈值电压（VGS（th））、总栅极电荷（Qg）、漏源电压（VDS）及漏极电流（ID）等因素，本例使用了AOT7S60MOSFET作为开关元件。由于VOM1271能够提供约8.4V的电压，VGS（th）应远低于该值；Q1的VGS（th）为3.9V，当电压为8.4V时，可实现良好的导通性能。IC2无法提供更多电流（通常为45μA）。为确保开关速度并降低开关损耗，栅极电荷应保持低值。MOSFET的Qg为8.2nC。

　　在根据图1所示进行整流和滤波后，采用降压线路变压器输出测试降压转换器。输出电压通过可变电阻器R1在5V～70V范围内连续可调。

　　图1：高压降压转换器原理图

　　图2：70V输出及230Ω负载下的栅源电压波形及IC1输出波形

　　图2给出了70V输出及230Ω负载下的栅源电压波形及IC1输出波形。

　　可以看到，尽管toff足够快，但ton仍约为80μs。对于许多开关应用来说，这个开启过程是较慢的。若将开关频率设置为2kHz，应该不会导致太多开关损耗，对于PWM占空比较大的负载条件来说更是如此。

　　尽管L1的值小于输入电压范围的计算值，但当负载为80Ω～230Ω时，纹波可达80mV～120mVP-P。当输出电压为70V且负载为230Ω时，纹波为80mVP-P。相同工作条件下，电压调整率为0.75%。尽管效率随工作条件而变化，但在VOUT=70V及IOUT=0.3A时，测得的效率为92%。随着输出电流的减小，效率也会降低。