一種大功率可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

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http://.(2023/3/2913:21)

1.引言

開關(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，新型電子設(shè)備要求開關(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)中小功率開關(guān)電源來說是實(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.典型開關(guān)電源設(shè)計(jì)

開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM,PulseWidthModulation）控制IC（IntegratedCircuit）和功率器件（功率MOSFET或IGBT）構(gòu)成，且符合三個(gè)條件：開關(guān)（器件工作在開關(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是由安森美（ONSemi）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，振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)理，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壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)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(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)序參見如下圖2.

圖2MC33060時(shí)序圖

控制信號(hào)由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%,即輸出驅(qū)動(dòng)的最大占空比為96%.當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在0-3.3V）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)理輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5V時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可從電源的輸出電壓和電流覺察得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行\(zhòng)或\運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放

大器只需最小的輸出即可支配控制回路。

2.2DC/DC電源拓?fù)?/p>

DC/DC電源拓?fù)湟话惴譃槿悾航祲?、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

在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton,輸入電源給負(fù)載和電感供電；開關(guān)管斷開期間toff,電感中存儲(chǔ)的能量通過二極管組成續(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(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，尋常用作兩路比較器的反相參考電壓，設(shè)計(jì)中1腳和2腳的比較器用來作為輸出電壓反饋，13腳和14腳的比較器用來檢測(cè)開關(guān)管的電流是否過流。電路中2腳通過一個(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)兩者的差值來調(diào)整輸出波形脈寬，達(dá)到控制和穩(wěn)定輸出的目的。

電路中過流保護(hù)采用0.1歐姆額定功率為1W的功率電阻作為采樣電阻，在電流過流點(diǎn)，采樣電阻上的電壓為0.1V.14腳用作采樣點(diǎn)，因此13腳的參考電壓由Vref分壓設(shè)定為0.15V,相比0.1V留有一定余地。當(dāng)采樣電壓高于設(shè)定值時(shí)，MC33060將自動(dòng)保護(hù)，關(guān)閉PWM輸出。保護(hù)點(diǎn)還和3腳的控制信號(hào)有關(guān)，根據(jù)對(duì)該腳的功能分析，選擇積分反饋電路，使得降壓電路在空載或滿載時(shí)，Comp腳的電壓始終在正常范圍（0.5V-3.5V）之內(nèi)。

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1nF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（DirectCurrent）/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