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大功率可调开关电源关键设计

文章出处: 人气:发表时间:2019-04-02 18:06

 摘 要:本文给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,以带单路PWM 输出和电流电压反馈检测MC33060 为控制IC,配以双路输出IR2110 驱动芯片,设计了一种可调高电压大功率的开关电源,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的限制,并带有过流保护等电路。文中以MC33060 的应用为基础介绍了可调开关电源设计的方法,然后详细讲解了本系统的组成以及各个部分的作用,文章最后总结了该系统的特点。

  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

  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

  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。

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