大功率可调开关电源的工作原理
作为线性稳压电源的替代品，开关电源在使用和实现方面变得越来越复杂。集成技术推动电子设备更小、更智能。新型电子设备需要体积更小、噪声干扰更低的开关电源，才能实现集成化和集成化。对于中小功率开关电源是单片集成的，但在大功率应用领域，由于其功率损耗过大，很难进行单片集成，必须根据其拓扑结构来保证各种参数的威力 尽量减小系统尺寸。
下面是一些关于大功率开关电源的技术指标的信息。大功率开关电源主要用于高频电力系统开关电源，其技术指标必须非常高且准确。
确定技术指标如下，这里附上大功率可调开关电源技术特性图样例。
1.输入电压：380_+20%;
2、电网频率：50Hz_+10%;
3 功率因数：0.93以上;
4、输入过压报警：437V_+5V;
5、输入掉电报警：320V_+5V;
6、输出标称电压：220V;
7、输出电压范围：176-286V;
8、输出纹波电压：10mV;
9、输出额定电流：5A;
10、输出过压保护：325V+_5V;
11、输出欠压保护：195V+_5V;
模型 ANSXYD(X-电压 Y-电流)
输入电压单相：AC220V±15%或AC110V±15%
三相：AC380V±10%(8KW以上)
频率AC380V±10%(8KW以上)
电压0-1000V
输出当前的0-100000A
力量电压值×电流值
展示 LED数码管
源效应电压≤0.2% 有效值
当前的≤0.2% 有效值
温度漂移电压≤ 0.03% rms/℃
当前的≤ 0.03% rms/℃
时间漂移电压≤ 0.5% 有效值
当前的≤ 0.5% 有效值
波纹 ≤0.3% 10mV(有效值)
噪音 ≤65db
效率 ≥0.85
防护能力 输入过/欠压、输出限压、限流、过流、过压、过温等
通讯接口 4-20mA、0-10V模拟RS-232/RS485通讯接口
冷却方式 智能风冷/强制风冷
温度 ﹣10℃～40℃
湿度 10%～90% 相对湿度
1.1 大功率电源特性
稳压电源技术指标可分为两类：一类是特性指标，如输出电压、输出电流和稳压范围;另一个是质量指标，反映稳压电源的优劣，包括稳定性、等效内阻(输出电阻)、纹波电压和温度系数。
1.2 指示灯的直流电源特性
(1)最大输出电流。它主要取决于最大允许工作电流和变压器容量和最大二极管整流电流的调节。
(2)输出电压和电压调节范围。这可以根据用户的要求来确定。对于需要恒定电源的设备，稳压电源的调节范围优选较小。而且一旦电压值调整好，最好不要再改变。对于可调输出电压的电源，输出范围从大部分零伏调整，通常需要更宽范围的稳压器，并且连续可调。
(3)保护功能。在直流电源中，当负载电流过载或短路时，稳压器会损坏。因此，必须使用快速响应的过流保护电路。另外，当稳压电流出现故障时，输出端会出现电压过高的现象，对负载有害。因此，还需要过压保护电路。
(4) 效率。稳压电源是换能器，因此也存在能量转换效率问题。提高效率主要是降低调节管的功耗。
下面是关于可调式开关电源的具体说明：
Ⅱ 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(设备工作在高频不接近低频的上限频率)和直流(电源输出为直流而不是交流)。
2.1 控制IC
以MC33060为例介绍控制IC。
MC33060 是安森美半导体制造的高性能电压驱动脉宽调制器，工作温度范围为 -40°C 至 85°C，采用单端固定频率输出。其内部结构如图1[1]所示，主要特点如下：
1) 集成脉宽调制电路
2) 内置线性锯齿波振荡器，外围元件只需一电阻一电容;
3) 内置误差放大器;
4) 内置5V参考电压，1.5%精度;
5) 可调死区控制;
6) 内置晶体管提供200mA驱动能力;
7) 欠压锁定保护
图1 MC33060内部结构
简述其工作原理： MC33060为定频脉宽调制电路，内置线性锯齿波振荡器。振荡频率可通过外接电阻和电容调节，振荡频率为(2-1)式：
输出脉冲的宽度是通过比较电容器 CT 上的正极性锯齿电压与其他两个控制信号来实现的。功率晶体管Q1的输出由或非门控制，即锯齿电压大于控制信号时。
当控制信号增大时，输出脉冲的宽度会减小，具体时序见下图
图2 MC33060时序图
控制信号从集成电路外部输入，一路到死区时间比较器，然后到误差放大器输入。死区时间比较器的输入失调电压为 120mV，这将最小输出死区时间限制为锯齿周期的 4% 左右，即最大输出驱动占空比为 96%。当死区时间控制输入终止时，固定电压(0-3.3V 范围内)可以在输出脉冲上产生额外的死区时间。
脉冲宽度调制。比较器为误差放大器提供了一种调节输出脉冲宽度的方法：当反馈电压从 0.5V 变为 3.5V 时，输出的脉冲宽度按照死区确定的百分比从零下降到最大值。这两个误差放大器的共模输入范围从 -0.3V 到 (Vcc-2.0)，由电源的输出电压和电流来判断。误差放大器的输出(通常为高电平)与脉宽调制器的反相输入进行“或”运算。正是这种类型的电路配置允许放大器以最小的输出来控制控制回路。
2.2 DC/DC 电源拓扑
DC/DC电源拓扑一般分为三类：降压型、升压型和降压-升压型。这里以降压拓扑，简化效果图如下图3所示。输出与输入极性相同，输入电流纹波小，输出电流纹波小，结构简单。
图3 大容量降压斩波电路
在开关导通时间，输入电源向负载和电感供电;关断时，电感能量通过二极管储存在续流电路中，保证连续输出。负载电压满足以下关系式(2-2)：
2.3 典型电路及参数设计
典型电路如图4所示
图4 MC33060降压斩波电路
MC33060作为主控芯片的通断，从内部的功能结构我们可以看出MC33060内部有一个+5V的参考电压，通常用作两个反相比较器的参考电压。1脚和2脚比较器的设计作为输出电压的反馈，13脚和14脚比较器用于检测开关管电流是否过流。电路中的2脚通过反相电路与参考电压相连。
并且降压输出反馈流经连接到MC33060 1 脚的一个相位。当电路处于工作状态时，会比较1脚和2脚的电压，根据两者的差异来调整输出波形的脉宽，达到控制稳定输出的目的。
过流保护电路 0.1 欧姆额定功率 1W 功率电阻作为采样电阻，电流流过点，采样电阻 0.1V.14 脚电压作为采样点，所以 13 脚参考电压由 Vref 分压设置为0.15V，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。保护点也与3脚的控制信号有关。根据该引脚的功能分析，选择了积分反馈电路，使得当buck电路处于no-in时，Comparator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5脚电容和6脚电阻值决定。降压电路采用25KHz的波形频率，选用CT值为1nF的电容，RT为RT的普通电阻。 47K满足设计要求。
三、系统设计
该设计使用 DC(直流)/DC 转换器电路降压拓扑。输入为220VAC和0-10V可调直流电压，输出0-180V可调，最大输出电流可达8A。系统框图如下图 5 所示。在大功率开关电源的设计中，为了防止启动时的浪涌电流浪涌，一般采用软启动电路，但本文不重点介绍该类型。
图5 系统框图
3.1 整流滤波电路
全桥整流电路，如下图6所示。输出电流要求高达 8A。考虑到功率损耗和一定的余量，我们可以选择10A方桥KBPC3510和 10A 保险丝。整流后电压升至310V，使用两个250V/100uF电容进行滤波。下图中，开关S1和电阻R1并联作为“软启动”部分，这里不再详细说明。详细的软启动设计可以在另一篇名为各种软启动开关电源设计的文章中看到。
图6 整流电路
3.2 控制IC及输入电路
MC33060控制电路和输入调节电路如图7-1和图7-2所示，选用MC33060作为控制IC，外围器件选择这里不再赘述。参考典型电路设计参数选择部分。比较器1用于电压采样，比较器2用于电流采样。输入可调电压随后分压进入比较器的负端，通常用作控制电源输出大小的参考电压。
图 7-1 MC33060 控制电路
图 7-2 输入调整电路
3.3 反向延迟驱动电路
反相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，它不仅包括基本的开关单元和驱动电路，还包括与外部电路相结合的保护控制功能。浮动通道设计使得在总线电压不高于600V时驱动开关成为可能。其内部设有欠压保护。结合外部电路，可以轻松设计过流、过压保护，因此不需要额外的过压、欠压、过流保护电路，简化了电路设计。
图8 反相延迟驱动电路
该芯片是一个输出高压栅极驱动器，具有 14 针双列直插。驱动信号延迟为ns级，开关频率从几十赫兹到几百千赫兹。IR2110 有两个输入信号和两个输出信号。两个输出信号之一具有电平转换功能，可直接驱动高压侧的功率器件。该驱动器可与主电路共同运行，只需要一路控制电源，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简单真值图如下图9所示。
图 9 IR2110 简单真值图
IR2110有两个输出驱动器，信号取自输入信号发生器，发生器提供两路输出，低端的驱动信号直接来自信号发生器LO，高端的驱动信号HO必须通过电平转换为高端输出驱动器。系统有驱动双需要一个IR2110即可。
由于驱动双管，不能同时开启双管，控制IC输出只有一个信号。在控制IC的输出和驱动中，需要增加反相延迟电路。控制IC输出的PWM同相同相器件后，电阻R29和R30上拉电容C12、C13被延时充电，使两个PWM对称互补并具有一定的死区，以保证两个主开关电路不会导通。电路中HIN和LIN的波形如下图10所示。
图 10 反相驱动波形
3.4 主电路和输出采样
主电路如图11所示，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， IRF840被选作高频开关。最大耐压VDS为500V，最大耐流ID为8A，满足设计要求。工作在高频状态的续流二极管一般选用快恢复二极管。这里选用HFA25TB60，可承受600V反向压降，最大导通电流25A，恢复时间仅为35ns。输出部分的两个电阻分压采样电路，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
在主电路上端串联一个0.33欧10W功率电阻作为采样电阻，当电流过大时，光耦光电三极管导通，检测电路向IR2110 SD端输出高电平，SD为低电平因为有效，高断点，所以电流过大无法保护电路。而且如前所述，IR2110本身具有多种保护电路，因此可以大大简化外部的电流电压保护电路。
四、结语
本设计给出了大功率开关电源方法的非隔离拓扑设计，电路结构简单。主电路采用半桥电路代替传统的单管开关电路。当上管关闭时，下管的开启可以更好的保证输出续流的稳定性，保证功率的输出。
文章没有给出电感的计算方法，因为不是讨论的重点，根据电路输出电流、电压和开关管RDS(MOSFET管漏源电阻)等参数来计算实际应该留有一些保证金价值。系统运行基本稳定，可考虑用于工业电源设计。
标签：大功率可调开关电源 开关电源
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