摘要：提出了一种新型大功率可调开关电源的设计方案。采用Buck型开关电源拓扑结构，采用单通道PWM输出、电流电压反馈检测的MC33060作为控制IC，配合双通道输出的IR2110驱动芯片，设计了一款电压可调的大功率开关电源，有效解决了普通开关电源在非隔离拓扑结构下输出电压和功率不能达到很高极限的问题，并配有过流保护等电路。基于MC33060的应用，介绍了可调开关电源的设计方法，详细说明了系统的组成及各部分的功能，最后总结了系统的特点。
介绍
开关电源作为线性稳压电源的替代品出现了，其应用和实现也越来越成熟。然而，集成技术使电子设备向小型化和智能化方向发展。新型电子设备要求开关电源具有更小的体积和更低的噪声干扰，以实现集成化。对于中小功率开关电源来说，是单片集成，但是在大功率应用领域，由于其功耗过大，很难做到单片集成，所以我们不得不根据其拓扑结构，在保证电源参数的同时，尽可能减小系统体积。
2.典型开关电源设计
开关电源一般由脉宽调制(PWM)控制IC(集成电路)和功率器件(功率MOSFET或IGBT)组成，它满足三个条件：开关(器件工作在开关非线性状态)、高频(器件工作在高频和不接近上频率的低频)和DC(功率输出是DC而不是交流)。
2.1控制集成电路
以MC33060为例，介绍了控制芯片。
MC33060是美国安森美半导体公司生产的性能优异的电压驱动脉宽调制器件。它采用固定频率的单端输出，可在-40至85工作。其内部结构如图1 [1]所示，主要特点如下：
1)集成了所有PWM电路；
2)内置线性锯齿振荡器，外部元件只有一个电阻和一个电容；
3)内置误差放大器；
4)内置5V基准电压，精度为1.5%；
5)可调死区控制；
6)内置晶体管提供200mA驱动能力；
7)欠压闭锁保护；
图1 MC 33060内部结构图
其工作原理简述：MC33060是一种固定频率的脉宽调制电路，内置线性锯齿波振荡器。振荡频率可通过外部电阻和电容调节，其振荡频率如(2-1)所示：
输出脉冲的宽度是通过将电容器CT上的正锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较而获得的。功率晶体管Q1的输出由或非门控制，即只有当锯齿波电压大于控制信号时，输出才有效。
当控制信号增加时，输出脉冲的宽度将减小，如下图2所示。
图2 MC 33060的时序图
控制信号从集成电路外部输入，一路送到死区时间比较器，另一路送到误差放大器的输入端。死区时间比较器的输入补偿电压为120mV，将最小输出死区时间限制在锯齿周期的4%左右，即输出驱动的最大占空比为96%。当死区时间控制输入端子连接固定电压(范围为0至3.3 V)时，输出脉冲上会产生额外的死区时间。脉宽调制比较器为误差放大器提供了一种调整输出脉宽的方法：当反馈电压从0.5V变为3.5V时，输出脉宽从死区决定的最大导通百分比时间降至零。这两个误差放大器的共模输入范围为-0.3V至(Vcc-2.0)，这可以从电源的输出电压和电流看出。误差放大器的输出通常处于高电平，它与脉宽调制器的反相输入执行“或”运算。正是这种电路结构，使得放大器能够以最小的输出主导控制回路。
2.2 DC/DC电源拓扑
DC/DC电源拓扑一般分为三类：降压、升压和降压。这里介绍降压拓扑结构，简化的效果图如图3所示。输出和输入极性相同，输入电流脉冲大，输出电流脉冲小，结构简单。
图3大容量降压斩波电路
在开关管导通时间ton内，输入电源给负载和电感供电；当开关管关断时，储存在电感中的能量通过二极管形成续流回路，保证输出的连续性。负载电压满足以下关系式(2-2):
2.3典型电路和参数设计
典型电路如下图4所示。
图4 MC 33060的降压斩波电路
MC33060作为主控芯片，控制开关管的开通和关断。根据其内部结构和功能，MC33060中有一个5V的基准电压，通常作为两个比较器的反向基准电压。设计中采用一脚两脚的比较器作为输出电压反馈，13脚14脚的比较器用于检测开关管电流是否过流。电路中的两个引脚通过反相电路连接到参考电压，降压输出反馈通过同相电路连接到MC33060的一个引脚。当电路处于工作状态时，会对1脚和2脚的电压进行比较，根据两者的差异来调整输出波形的脉宽，从而控制和稳定输出。
电路中的过流保护采用额定功率为1W的0.1欧姆功率电阻作为采样电阻，采样电阻上的电压在电流过流点为0.1V。14个管脚作为采样点，所以13个管脚的参考电压通过划分Vref的电压被设置为0.15V，这与0.1V相比留下了一些空间.当采样电压高于设定值时，MC33060会自动保护并关闭PWM输出。保护点还与3引脚的控制信号相关。根据该引脚的功能分析，选择积分反馈电路，使得降压电路空载或满载时，Comp引脚的电压始终在正常范围内(0.5V-3.5V)。
输出PWM波形的频率由引脚5的电容和引脚6的电阻决定。buck电路采用25KHz的波形频率，CT值为1nF，RT为47K的普通电阻满足设计要求。
3.这个系统的设计
本设计在DC(直流)/DC转换电路中采用buck拓扑。输入为220VAC和0-10V可调DC电压，输出为0-180V可调，最大输出电流可达8A。系统组成框图如下图5所示。在大功率开关电源的设计中，为了防止启动时的高浪涌电流冲击，往往采用软启动电路，本设计不做强调。
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。最大输出电流要求为8A。考虑到功率损耗和一定的裕度，选用方形电桥KBPC3510和10A的熔丝管。整流电压达到310V，使用两个250V/100uF电容滤波。图中开关S1和电阻R1并联作为“软启动”部分，这里不做详细说明。有关软启动设计的详细信息，请参见各种开关电源的软启动设计。
图6整流器电路。
3.2控制IC和输入电路
MC33060控制电路和输入调节电路分别如图7和图8所示。控制IC选用MC33060，其外围器件的选择在此不再赘述。请参考典型电路设计中的参数选择部分。其中比较器1采样电压，比较器2采样电流。输入的可调电压经过分压后送到比较器的负端作为参考电压，控制电源的输出大小。
图7 MC33060控制电路
图8输入调节电路
3.3反相延迟驱动电路
反向延迟驱动电路如下图8所示。电路中的驱动芯片采用美国国际整流器(IR)公司的IR2110，不仅包括基本的开关单元和驱动电路，还具有与外部电路相结合的保护和控制功能。其浮动通道的设计使其能够驱动总线电压不
芯片输出14针双列直插的高压栅极驱动器，驱动信号延迟为ns级，开关频率可以从几十Hz到几百kHz。IR2110有两路输入信号和两路输出信号，其中一路具有电平转换功能，可以直接驱动高压侧的功率器件。该驱动器可以与主电路一起运行，只需要一个控制电源，克服了传统驱动器需要多个隔离电源的缺点，大大简化了硬件设计。IR2110的简单真值图如下图9所示。
图9 IR 2110的简单真值图。
IR2110有两个输出驱动器，其信号取自提供两个输出的输入信号发生器。低端驱动信号直接取自信号发生器LO，而高端驱动信号HO只能通过电平转换用于高端输出驱动器。在该系统中，只需要一片IR2110来驱动双管。
因为两个晶体管被驱动，不能同时导通，控制IC只输出一个信号，所以需要在控制IC的输出和驱动器之间增加一个反相延迟电路。控制IC输出的一路PWM经过同相和反相比较器后，电容C12、C13分别被电阻R29和R30的上拉充电产生延迟，使两路PWM电路对称互补并有一定的死区间隔，主回路中的两个开关不同时导通。在电路中标有HIN和LIN的端子处获得的波形如图10所示。
图10反转后的驱动波形
3.4主电路和输出采样
如图11所示，主电路采用半桥开关电路。
图11主电路
根据整流电压和输入电流参数，高频开关管选用IRF840，最大耐受电压VDS为500V，最大耐受导通电流ID为8A，满足设计要求。一般情况下，工作在高频的续流二极管选用快速恢复二极管。在这种情况下，选择HFA25TB60，它可以承受600V的反向压降，最大导通电流为25A，恢复时间仅为35ns。输出部分通过两个电阻分成电压采样电路，如下图12所示。
图12电压采样电路
3.5过流保护电路
过流保护电路如下图13所示。
图13过流检测电路。
在主回路的上端串联一个0.33欧姆的10W功率电阻作为采样电阻。当电流过大时，光耦中的光电晶体管导通，检测电路向IR2110的SD端输出高电平。由于SD是一个有效的低电平和高电平截止点，当电流过大时，电路可以得到很好的保护。而且如上所述，IR2110本身就有各种保护电路，所以外围的电流和电压保护电路可以大大简化。
总结
本设计给出了一种非隔离拓扑大功率开关电源的设计方法，电路结构简单。在主电路中，采用半桥电路代替传统的单管开关电路。当上管闭合时，下管的开口可以更好地保证输出续流的稳定性，保证动力输出。本文没有给出电感的计算方法，因为这不是讨论的重点。可以根据电路中的输出电流、电压和RDS(MOSFET的漏源导通电阻)来计算，实际中要留有一定的余量。系统运行基本稳定，可以考虑应用于工业电源的设计。
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