大功率可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的電路圖原理

1、大功率可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的電路圖原理本文給出了一種新型大功率可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案。采用Buck型開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?以帶單路PWM輸出和電流電壓反饋檢測(cè)MC33060為控制IC,配以雙路輸出IR2110驅(qū)動(dòng)芯片,設(shè)計(jì)了一種可調(diào)高電壓大功率的開(kāi)關(guān)電源,有效解決了普通開(kāi)關(guān)電源在非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下輸出電壓和功率不能達(dá)到很高的限制,并帶有過(guò)流保護(hù)等電路。文中以MC33060的應(yīng)用為基礎(chǔ)介紹了可調(diào)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的方法,然后詳細(xì)講解了本系統(tǒng)的組成以及各個(gè)部分的作用,文章最后總結(jié)了該系統(tǒng)的特點(diǎn)。1.引言開(kāi)關(guān)電源作為線性穩(wěn)壓電源的一種替代物出現(xiàn),其應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)日益成熟。而集成化技術(shù)使電子設(shè)備向小型化、智能化方向發(fā)展,新型電子

2、設(shè)備要求開(kāi)關(guān)電源有更小的體積和更低的噪聲干擾,以便實(shí)現(xiàn)集成一體化。對(duì)中小功率開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)是實(shí)現(xiàn)單片集成化,但在大功率應(yīng)用領(lǐng)域,因其功率損耗過(guò)大,很難做成單片集成,不得不根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在保證電源各項(xiàng)參數(shù)的同時(shí)盡量縮小系統(tǒng)體積。2.典型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)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(gòu)成,且符合三個(gè)條件:開(kāi)關(guān)(器件工作在開(kāi)關(guān)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(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電壓驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)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(gè)電阻一個(gè)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(qū)動(dòng)能力;7欠壓鎖定保護(hù); 圖1MC33060內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖其工作原理簡(jiǎn)述:MC33060是一個(gè)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(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié),其振蕩頻率如(2-1式: 輸出脈沖的寬度是通過(guò)電容CT上的正極性鋸齒波電

4、壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率管Q1的輸出受控于或非門(mén),即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間輸出才有效。當(dāng)控制信號(hào)增大時(shí),輸出脈沖的寬度將減小,具體時(shí)序參見(jiàn)如下圖2. 圖2MC33060時(shí)序圖2.2DC/DC電源拓?fù)銬C/DC電源拓?fù)湟话惴譃槿?降壓、升壓和升降壓。此處以降壓拓?fù)浣榻B,簡(jiǎn)化效果圖如下圖3所示。輸出與輸入同極性,輸入電流脈動(dòng)大,輸出電流脈動(dòng)小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 圖3Bulk降壓斬波電路在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton,輸入電源給負(fù)載和電感供電;開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)期間toff,電感中存儲(chǔ)的能量通過(guò)二極管組成續(xù)流回路,保證輸出的連續(xù)。負(fù)載電壓滿足如下關(guān)系式(2-2: 2.3典型電路與參數(shù)設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止,由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能可知,在MC33060內(nèi)部有一個(gè)+5V參考電壓,通常用作兩路比較器的反相參考電壓,設(shè)計(jì)中1腳和2腳的比較器用來(lái)作為輸出電壓反饋,13腳和14腳的比較器用來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的電流是否過(guò)流。電路中2腳通過(guò)一個(gè)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(dāng)電路處于工作狀態(tài)時(shí),1腳和2腳電壓就會(huì)相互比較,根據(jù)兩者的差值來(lái)調(diào)整輸出波形脈寬,達(dá)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(lái)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。3.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是DC(Direct Current/DC轉(zhuǎn)換電路中的降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(dá)8A,系統(tǒng)組成框圖如下圖5所示。在大功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,為防止在啟動(dòng)時(shí)的高浪涌電流沖擊,常采用軟啟動(dòng)電路,本設(shè)計(jì)不重點(diǎn)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(dá)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(xiǎn)管。整流后的電壓達(dá)310V,采用兩個(gè)250V/100uF電容作濾波處理。圖中開(kāi)關(guān)S1

7、和電阻R1并聯(lián)為"軟啟動(dòng)"部分,此處未作詳細(xì)講解,詳細(xì)軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)見(jiàn)各種開(kāi)關(guān)電源軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)。 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(shè)計(jì)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(fù)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(shí)驅(qū)動(dòng)電路反相延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路如下圖8所示。電路中驅(qū)動(dòng)芯片采用了美國(guó)International Rectifier(IR公司的IR2

8、110.它不僅包括基本的開(kāi)關(guān)單元和驅(qū)動(dòng)電路,還具有與外電路結(jié)合的保護(hù)控制功能。其懸浮溝道的設(shè)計(jì)使其可以驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓不高于600V的開(kāi)關(guān)管,其內(nèi)部具有欠壓保護(hù)功能,與外電路結(jié)合,可以方便地設(shè)計(jì)出過(guò)電流,過(guò)電壓保護(hù),因此不需要額外的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等保護(hù)電路,簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。圖 8 反相延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路 該芯片為而輸出高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，14 腳雙列直插，驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)為 ns 級(jí)，開(kāi)關(guān)頻率可從幾十赫茲到幾百千赫茲。IR2110 具 有二路輸入信號(hào)和二路輸出信號(hào)，其中二路輸出信號(hào)中的一路具有電平轉(zhuǎn)換功能，可直接驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率器件。該驅(qū)動(dòng)器可 與主電路共地運(yùn)行，且只需一路控制電源，克服了常規(guī)驅(qū)動(dòng)器需

9、要多路隔離電源的缺點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。IR2110 就簡(jiǎn) 易真值圖如下圖 9 所示。 圖 9 IR2110 簡(jiǎn)易真值圖。 IR2110 有 2 個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，其信號(hào)取自輸入信號(hào)發(fā)生器，發(fā)生器提供 2 個(gè)輸出，低側(cè)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接取自信號(hào)發(fā)生器 LO,而高側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào) HO 則必須通過(guò)電平轉(zhuǎn)換方能用于高側(cè)輸出驅(qū)動(dòng)器。本系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)雙管需一片 IR2110 即可。 因驅(qū)動(dòng)雙管，且雙管不能同時(shí)導(dǎo)通，控制 IC 輸出只有一路信號(hào)，則在控制 IC 輸出和驅(qū)動(dòng)之間需加入反相延時(shí)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(duì)電容 C12、C13 充電產(chǎn)

10、生延時(shí)，使得兩 路 PWM 具有對(duì)稱互補(bǔ)性且具有一定的死區(qū)間隔，保證主回路中兩開(kāi)關(guān)管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。在電路中 HIN 和 LIN 標(biāo)號(hào)端得到的 波形圖如下圖 10 所示。 圖 10 反相后驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管， 其最大耐壓 VDS 為 500V,最大能承受的導(dǎo)通電流 ID 為 8A,滿足設(shè)計(jì)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(fù)的二極管，此處選擇 HFA25TB60,能承受 600V 的反向 壓降，最大導(dǎo)通電流為 25A,且恢復(fù)時(shí)間僅為 35ns.輸出部分通過(guò)兩個(gè)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(guò)流保護(hù)電路 過(guò)流保護(hù)電路如下圖 13 所示。 圖 13 過(guò)流檢測(cè)電路。 在主回路的上端串聯(lián)一個(gè) 0.33 歐姆 10W 的功率電阻作為采樣電阻，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，光耦中光敏三極管導(dǎo)通，檢測(cè)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(guān)斷點(diǎn)，因此電流過(guò)大時(shí)能很好地保護(hù)電路。且如前所述， IR2110 自身帶有各種保護(hù)電路，故外圍的電流電壓保護(hù)電路可以大大簡(jiǎn)化。 4. 總結(jié) 本設(shè)計(jì)給出了在非隔離拓?fù)湎乱环N設(shè)計(jì)大功率開(kāi)關(guān)電源的方法，電路結(jié)構(gòu)