大功率可調(diào)開關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)

　摘 要：本文給出了一種新型大功率可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案。采用Buck 型開關(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)高電壓大功率的開關(guān)電源，有效解決了普通開關(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(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.典型開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　開關(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（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1 MC33060 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，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 2 MC33060 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)節(jié)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察覺(jué)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“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。