中心議題：

• 探討大功率可調開關電源的設計方案

解決方案：

• 采用Buck 型開關電源拓撲
• 在主回路中采用半橋電路替代傳統的單管開關電路

摘 要：本文給出了一種新型大功率可調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 為控製IC,配以雙路輸出IR2110 qudongxinpian，shejileyizhongketiaogaodianyadagonglvdekaiguandianyuan
，youxiaojiejueleputongkaiguandianyuanzaifeigelituopujiegouxiashuchudianyahegonglvbunengdadaohengaodexianzhi，bingdaiyouguoliubaohudengdianlu。wenzhongyiMC33060 的應用為基礎介紹了可調開關電源設計的方法，然後詳細講解了本係統的組成以及各個部分的作用，文章最後總結了該係統的特點。

1.引言

開關電源作為線性穩壓電源的一種替代物出現
，其應用與實現日益成熟。而集成化技術使電子設備向小型化
、zhinenghuafangxiangfazhan
，xinxingdianzishebeiyaoqiukaiguandianyuanyougengxiaodetijihegengdidezaoshengganrao，yibianshixianjichengyitihua。duizhongxiaogonglvkaiguandianyuanlaishuoshishixiandanpianjichenghua，danzaidagonglvyingyonglingyu
，yinqigonglvsunhaoguoda，hennanzuochengdanpianjicheng
，budebugenjuqituopujiegouzaibaozhengdianyuangexiangcanshudetongshijinliangsuoxiaoxitongtiji。

2.典型開關電源設計

開關電源一般由脈衝寬度調製（PWM,Pulse Width Modulation）控製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）、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 控製IC

以MC33060 為例介紹控製IC。

MC33060 是由安森美（ON Semi）半導體公司生產的一種性能優良的電壓驅動型脈寬調製器件，采用固定頻率的單端輸出，能工作在-40℃至85℃。其內部結構如圖1 所示[1],主要特征如下：

1） 集成了全部的脈寬調製電路；

2） 內置線性鋸齒波振蕩器

，外置元件僅一個電阻一個電容；

3） 內置誤差放大器；

4） 內置 5V 參考電壓，1.5%的精度；

5） 可調整死區控製；

6） 內置晶體管提供200mA 的驅動能力；

7） 欠壓鎖定保護
；

圖1 MC33060 內部結構圖

其工作原理簡述：MC33060 是一個固定頻率的脈衝寬度調製電路
，內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節，其振蕩頻率如（2-1）式：

輸出脈衝的寬度是通過電容CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控製信號進行比較來實現。功率管Q1 的輸出受控於或非門，即隻有在鋸齒波電壓大於控製信號期間輸出才有效。

當控製信號增大時，輸出脈衝的寬度將減小，具體時序參見如下圖2.

圖 2 MC33060 時序圖

控製信號由集成電路外部輸入

，一路送至死區時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區時間比較器具有120mV 的輸入補償電壓
，它限製了最小輸出死區時間約等於鋸齒波周期的4%,即輸出驅動的最大占空比為96%.當把死區時間控製輸入端接上固定的電壓（範圍在0-3.3V）即能在輸出脈衝上產生附加的死區時間。脈衝寬度調製比較器為誤差放大器調節輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V 變化到3.5V 時
，輸出的脈衝寬度從被死區確定的最大導通百分比時間下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V 到（Vcc-2.0）的共模輸入範圍，這可從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處於高電平

，它與脈衝寬度調製器的反相輸入端進行"或"運算，正是這種電路結構，放大器隻需最小的輸出即可支配控製回路。
[page]
2.2 DC/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。

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流回路
，保證輸出的連續。負載電壓滿足如下關係式（2-2）：

2.3 典型電路與參數設計

典型電路如下圖4 所示。

圖 4 MC33060 的降壓斬波電路

MC33060 作為主控芯片控製開關管的導通與截止，由其內部結構功能可知，在MC33060內部有一個+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，降壓輸出反饋經一同相電路接MC33060 的1 腳。當電路處於工作狀態時，1 腳和2 腳電壓就會相互比較，根據兩者的差值來調整輸出波形脈寬

，達到控製和穩定輸出的目的。

電路中過流保護采用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，采樣電阻上的電壓為0.1V.14 腳用作采樣點
，因此13 腳的參考電壓由Vref 分壓設定為0.15V,相比0.1V 留有一定餘地。當采樣電壓高於設定值時，MC33060 將自動保護，關閉PWM 輸出。保護點還和3 腳的控製信號有關
，根據對該腳的功能分析
，選擇積分反饋電路，使得降壓電路在空載或滿載時，Comp 腳的電壓始終在正常範圍（0.5V-3.5V）之內。

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 的普通電阻達到設計要求。

3.本係統設計

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 可調直流電壓

，輸出為0-180V 可調
，最大輸出電流能達8A,係統組成框圖如下圖5 所示。在大功率開關電源設計中

，為防止在啟動時的高浪湧電流衝擊，常采用軟啟動電路，本設計不重點介紹。

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餘量
，選擇10A 的方橋KBPC3510 和10A 的保險管。整流後的電壓達310V,采用兩個250V/100uF 電容作濾波處理。圖中開關S1 和電阻R1 並聯為"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。

[page]
3.2 控製IC 與輸入電路

MC33060 控製電路和輸入調節電路分別如下圖7 和圖8 所示，選MC33060 為控製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。輸入可調電壓經分壓跟隨後送入比較器的負向端作為參考電壓控製電源輸出大小。

圖 8 輸入調節電路

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IR2110.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製功能。其懸浮溝道的設計使其可以驅動工作在母線電壓不高於600V 的開關管
，其內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。

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ju有you二er路lu輸shu入ru信xin號hao和he二er路lu輸shu出chu信xin號hao，其qi中zhong二er路lu輸shu出chu信xin號hao中zhong的de一yi路lu具ju有you電dian平ping轉zhuan換huan功gong能neng
，可ke直zhi接jie驅qu動dong高gao壓ya側ce的de功gong率lv器qi件jian。該gai驅qu動dong器qi可ke與yu主zhu電dian路lu共gong地di運yun行xing
，且qie隻zhi需xu一yi路lu控kong製zhi電dian源yuan

，克ke服fu了le常chang規gui驅qu動dong器qi需xu要yao多duo路lu隔ge離li電dian源yuan的de缺que點dian
，大da大da簡jian化hua了le硬ying件jian設she計ji。IR2110 就簡易真值圖如下圖9 所示。

IR2110 有2 個輸出驅動器
，其信號取自輸入信號發生器，發生器提供2 個輸出，低側的驅動信號直接取自信號發生器LO,而高側驅動信號HO 則必須通過電平轉換方能用於高側輸出驅動器。本係統中驅動雙管需一片IR2110 即可。

因驅動雙管，且雙管不能同時導通，控製IC 輸出隻有一路信號，則在控製IC 輸出和驅動之間需加入反相延時電路，將控製IC 輸出的一路PWM 經同相和反相比較器後
，經電阻R29 和R30 的上拉分別對電容C12、C13 充電產生延時
，使得兩路PWM 具有對稱互補性且具有一定的死區間隔，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。

[page]
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。

根據整流後的電壓和輸入電流參數，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的續流二極管一般選用快恢複的二極管
，此處選擇HFA25TB60,能承受600V 的反向壓降
，最大導通電流為25A,且恢複時間僅為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。

3.5 過流保護電路

過流保護電路如下圖13 所示。

在主回路的上端串聯一個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
，由於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(ben)設(she)計(ji)給(gei)出(chu)了(le)在(zai)非(fei)隔(ge)離(li)拓(tuo)撲(pu)下(xia)一(yi)種(zhong)設(she)計(ji)大(da)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)方(fang)法(fa)

，電(dian)路(lu)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)。在(zai)主(zhu)回(hui)路(lu)中(zhong)采(cai)用(yong)半(ban)橋(qiao)電(dian)路(lu)替(ti)代(dai)傳(chuan)統(tong)的(de)單(dan)管(guan)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)

，在(zai)上(shang)管(guan)關(guan)閉(bi)時(shi)，下(xia)管(guan)的(de)開(kai)通(tong)能(neng)更(geng)好(hao)地(di)保(bao)證(zheng)輸(shu)出(chu)續(xu)流(liu)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)
，且(qie)保(bao)證(zheng)功(gong)率(lv)的(de)輸(shu)出(chu)。文(wen)中(zhong)並(bing)未(wei)給(gei)出(chu)電(dian)感(gan)量(liang)的(de)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)

，因(yin)不(bu)是(shi)討(tao)論(lun)重(zhong)點(dian)，可(ke)根(gen)據(ju)電(dian)路(lu)中(zhong)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)


、電壓和開關管的RDS（MOSFET 管漏極和源極導通電阻）等參數來計算，實際中應留有一定的餘量值。係統運行基本穩定，可考慮應用於工業電源設計中。