大功率可調(diào)開關電源的電路圖原理

1、大功率可調(diào)開關電源的電路圖原理本文給出了一種新型大功率可調(diào)開關電源的設計方案。采用Buck型開關電源拓撲,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驅動芯片,設計了一種可調(diào)高電壓大功率的開關電源,有效解決了普通開關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限制,并帶有過流保護等電路。文中以MC33060的應用為基礎介紹了可調(diào)開關電源設計的方法,然后詳細講解了本系統(tǒng)的組成以及各個部分的作用,文章最后總結了該系統(tǒng)的特點。1.引言開關電源作為線性穩(wěn)壓電源的一種替代物出現(xiàn),其應用與實現(xiàn)日益成熟。而集成化技術使電子設備向小型化、智能化方向發(fā)展,新型電子

2、設備要求開關電源有更小的體積和更低的噪聲干擾,以便實現(xiàn)集成一體化。對中小功率開關電源來說是實現(xiàn)單片集成化,但在大功率應用領域,因其功率損耗過大,很難做成單片集成,不得不根據(jù)其拓撲結構在保證電源各項參數(shù)的同時盡量縮小系統(tǒng)體積。2.典型開關電源設計開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM,Pulse Width Modulation控制IC(Integrated Circuit和功率器件(功率MOSFET或IGBT構成,且符合三個條件:開關(器件工作在開關非線性狀態(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

3、森美(ON Semi半導體公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電壓驅動型脈寬調(diào)制器件,采用固定頻率的單端輸出,能工作在-40至85。其內(nèi)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(diào)制電路;2內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器,外置元件僅一個電阻一個電容;3內(nèi)置誤差放大器;4內(nèi)置5V參考電壓,1.5%的精度;5可調(diào)整死區(qū)控制;6內(nèi)置晶體管提供200mA的驅動能力;7欠壓鎖定保護; 圖1MC33060內(nèi)部結構圖其工作原理簡述:MC33060是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路,內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器,振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié),其振蕩頻率如(2-1式: 輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電

4、壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率管Q1的輸出受控于或非門,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,輸出脈沖的寬度將減小,具體時序參見如下圖2. 圖2MC33060時序圖2.2DC/DC電源拓撲DC/DC電源拓撲一般分為三類:降壓、升壓和升降壓。此處以降壓拓撲介紹,簡化效果圖如下圖3所示。輸出與輸入同極性,輸入電流脈動大,輸出電流脈動小,結構簡單。 圖3Bulk降壓斬波電路在開關管導通時間ton,輸入電源給負載和電感供電;開關管斷開期間toff,電感中存儲的能量通過二極管組成續(xù)流回路,保證輸出的連續(xù)。負載電壓滿足如下關系式(2-2: 2.3典型電路與參數(shù)設計典型電

5、路如下圖4所示。 圖4MC33060的降壓斬波電路MC33060作為主控芯片控制開關管的導通與截止,由其內(nèi)部結構功能可知,在MC33060內(nèi)部有一個+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腳的比較器用來作為輸出電壓反饋,13腳和14腳的比較器用來檢測開關管的電流是否過流。電路中2腳通過一個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,1腳和2腳電壓就會相互比較,根據(jù)兩者的差值來調(diào)整輸出波形脈寬,達到控制和穩(wěn)定輸出的目的。輸出PWM波形的頻率由管腳5的電容和管腳6的電阻值來確定,降壓電路采用25KHz的波形頻率,選擇CT值為1n

6、F 電容,RT為47K的普通電阻達到設計要求。3.本系統(tǒng)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(diào)直流電壓,輸出為0-180V可調(diào),最大輸出電流能達8A,系統(tǒng)組成框圖如下圖5所示。在大功率開關電源設計中,為防止在啟動時的高浪涌電流沖擊,常采用軟啟動電路,本設計不重點介紹。 圖5系統(tǒng)組成框圖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250V/100uF電容作濾波處理。圖中開關S1

7、和電阻R1并聯(lián)為"軟啟動"部分,此處未作詳細講解,詳細軟啟動設計見各種開關電源軟啟動設計。 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(diào)節(jié)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(shù)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(diào)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7MC33060控制電路 圖8輸入調(diào)節(jié)電路3.3反相延時驅動電路反相延時驅動電路如下圖8所示。電路中驅動芯片采用了美國International Rectifier(IR公司的IR2

8、110.它不僅包括基本的開關單元和驅動電路,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工作在母線電壓不高于600V的開關管,其內(nèi)部具有欠壓保護功能,與外電路結合,可以方便地設計出過電流,過電壓保護,因此不需要額外的過壓、欠壓、過流等保護電路,簡化了電路的設計。圖 8 反相延時驅動電路 該芯片為而輸出高壓柵極驅動器，14 腳雙列直插，驅動信號延時為 ns 級，開關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，可直接驅動高壓側的功率器件。該驅動器可 與主電路共地運行，且只需一路控制電源，克服了常規(guī)驅動器需

9、要多路隔離電源的缺點，大大簡化了硬件設計。IR2110 就簡 易真值圖如下圖 9 所示。 圖 9 IR2110 簡易真值圖。 IR2110 有 2 個輸出驅動器，其信號取自輸入信號發(fā)生器，發(fā)生器提供 2 個輸出，低側的驅動信號直接取自信號發(fā)生器 LO,而高側驅動信號 HO 則必須通過電平轉換方能用于高側輸出驅動器。本系統(tǒng)中驅動雙管需一片 IR2110 即可。 因驅動雙管，且雙管不能同時導通，控制 IC 輸出只有一路信號，則在控制 IC 輸出和驅動之間需加入反相延時電路，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)

10、生延時，使得兩 路 PWM 具有對稱互補性且具有一定的死區(qū)間隔，保證主回路中兩開關管不會同時導通。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，采用半橋開關電路。 圖 11 主回路 根據(jù)整流后的電壓和輸入電流參數(shù)， 選擇 IRF840 為高頻開關管， 其最大耐壓 VDS 為 500V,最大能承受的導通電流 ID 為 8A,滿足設計要求。工作在高頻工作狀態(tài)的續(xù)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,且恢復時間僅為 35ns.輸出部分通過兩個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 3.5 過流保護電路 過流保護電路如下圖 13 所示。 圖 13 過流檢測電路。 在主回路的上端串聯(lián)一個 0.33 歐姆 10W 的功率電阻作為采樣電阻，當電流過大時，光耦中光敏三極管導通，檢測電路 輸出高電平到 IR2110 的 SD 端，由于 SD 是低電平有效、高電平關斷點，因此電流過大時能很好地保護電路。且如前所述， IR2110 自身帶有各種保護電路，故外圍的電流電壓保護電路可以大大簡化。 4. 總結 本設計給出了在非隔離拓撲下一種設計大功率開關電源的方法，電路結構