一种大功率可调开关电源的设计方案

1.引言

开关电源作为线性稳压电源的一种替代物出现，其应用与实现日益成熟。而集成化技术使电子设备向小型化、智能化方向发展，新型电子设备要求开关电源有更小的体积和更低的噪声干扰，以便实现集成一体化。对中小功率开关电源来说是实现单片集成化，但在大功率应用领域，因其功率损耗过大，很难做成单片集成，不得不根据其拓扑结构在保证电源各项参数的同时尽量缩小系统体积。

2.典型开关电源设计

开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM,Pulse Width Modulation)控制IC(Integrated Circuit)和功率器件(功率MOSFET 或IGBT)构成，且符合三个条件：开关(器件工作在开关非线性状态)、高频(器件工作在高频非接近上频的低频)和直流(电源输出是直流而不是交流)。

2.1 控制IC

以MC33060 为例介绍控制IC。

MC33060 是由安森美(ON Semi)半导体公司生产的一种性能优良的电压驱动型脉宽调制器件，采用固定频率的单端输出，能工作在-40℃至85℃。其内部结构如图1 所示[1],主要特征如下：

1) 集成了全部的脉宽调制电路;

2) 内置线性锯齿波振荡器，外置元件仅一个电阻一个电容;

3) 内置误差放大器;

4) 内置 5V 参考电压，1.5%的精度;

5) 可调整死区控制;

6) 内置晶体管提供200mA 的驱动能力;

7) 欠压锁定保护;

图1 MC33060 内部结构图

其工作原理简述：MC33060 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如(2-1)式：

输出脉冲的宽度是通过电容CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率管Q1 的输出受控于或非门，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间输出才有效。

当控制信号增大时，输出脉冲的宽度将减小，具体时序参见如下图2.

图 2 MC33060 时序图

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV 的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%,即输出驱动的最大占空比为96%.当把死区时间控制输入端接上固定的电压(范围在0-3.3V)即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V 变化到3.5V 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V 到(Vcc-2.0)的共模输入范围，这可从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行"或"运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。 2.2 DC/DC 电源拓扑

DC/DC 电源拓扑一般分为三类：降压、升压和升降压。此处以降压拓扑介绍，简化效果图如下图3 所示。输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。

图 3 Bulk 降压斩波电路

在开关管导通时间ton,输入电源给负载和电感供电;开关管断开期间toff,电感中存储的能量通过二极管组成续流回路，保证输出的连续。负载电压满足如下关系式(2-2)：

2.3 典型电路与参数设计

典型电路如下图4 所示。

图 4 MC33060 的降压斩波电路

MC33060 作为主控芯片控制开关管的导通与截止，由其内部结构功能可知，在MC33060内部有一个+5V 参考电压，通常用作两路比较器的反相参考电压，设计中1 脚和2 脚的比较器用来作为输出电压反馈，13 脚和14 脚的比较器用来检测开关管的电流是否过流。电路中2 脚通过一个反相电路接参考电压，降压输出反馈经一同相电路接MC33060 的1 脚。当电路处于工作状态时，1 脚和2 脚电压就会相互比较，根据两者的差值来调整输出波形脉宽，达到控制和稳定输出的目的。

电路中过流保护采用0.1 欧姆额定功率为1W 的功率电阻作为采样电阻，在电流过流点，采样电阻上的电压为0.1V.14 脚用作采样点，因此13 脚的参考电压由Vref 分压设定为0.15V,相比0.1V 留有一定余地。当采样电压高于设定值时，MC33060 将自动保护，关闭PWM 输出。保护点还和3 脚的控制信号有关，根据对该脚的功能分析，选择积分反馈电路，使得降压电路在空载或满载时，Comp 脚的电压始终在正常范围(0.5V-3.5V)之内。

输出 PWM 波形的频率由管脚5 的电容和管脚6 的电阻值来确定，降压电路采用25KHz的波形频率，选择CT 值为1nF 电容，RT 为47K 的普通电阻达到设计要求。

3.本系统设计

本设计采用的是DC(Direct Current)/DC 转换电路中的降压型拓扑结构。输入为220VAC和0-10V 可调直流电压，输出为0-180V 可调，最大输出电流能达8A,系统组成框图如下图5 所示。在大功率开关电源设计中，为防止在启动时的高浪涌电流冲击，常采用软启动电路，本设计不重点介绍。

图 5 系统组成框图

3.1 整流滤波电路

采用全桥整流电路，如下图6 所示。输出电流要求最大达到8A,考虑功率损耗和一定的余量，选择10A 的方桥KBPC3510 和10A 的保险管。整流后的电压达310V,采用两个250V/100uF 电容作滤波处理。图中开关S1 和电阻R1 并联为"软启动"部分，此处未作详细讲解，详细软启动设计见各种开关电源软启动设计。

图 6 整流电路。

3.2 控制IC 与输入电路

MC33060 控制电路和输入调节电路分别如下图7 和图8 所示，选MC33060 为控制IC,其外围器件选择此处不再赘述，参考典型电路设计中参数选择部分。其中比较器1 作电压采样，比较器2 作电流采样。输入可调电压经分压跟随后送入比较器的负向端作为参考电压控制电源输出大小。