大功率可调开关电源的一种设计方案

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。

图 7 MC33060 控制电路

图 8 输入调节电路

3.3 反相延时驱动电路
反相延时驱动电路如下图8 所示。电路中驱动芯片采用了美国International Rectifier（IR）公司的IR2110.它不仅包括基本的开关单元和驱动电路，还具有与外电路结合的保护控制功能。其悬浮沟道的设计使其可以驱动工作在母线电压不高于600V 的开关管，其内部具有欠压保护功能，与外电路结合，可以方便地设计出过电流，过电压保护，因此不需要额外的过压、欠压、过流等保护电路，简化了电路的设计。

图 8 反相延时驱动电路

该芯片为而输出高压栅极驱动器，14 脚双列直插，驱动信号延时为ns 级，开关频率可从几十赫兹到几百千赫兹。IR2110 具有二路输入信号和二路输出信号，其中二路输出信号中的一路具有电平转换功能，可直接驱动高压侧的功率器件。该驱动器可与主电路共地运行，且只需一路控制电源，克服了常规驱动器需要多路隔离电源的缺点，大大简化了硬件设计。IR2110 就简易真值图如下图9 所示。

图 9 IR2110 简易真值图。

IR2110 有2 个输出驱动器，其信号取自输入信号发生器，发生器提供2 个输出，低侧的驱动信号直接取自信号发生器LO,而高侧驱动信号HO 则必须通过电平转换方能用于高侧输出驱动器。本系统中驱动双管需一片IR2110 即可。
因驱动双管，且双管不能同时导通，控制IC 输出只有一路信号，则在控制IC 输出和驱动之间需加入反相延时电路，将控制IC 输出的一路PWM 经同相和反相比较器后，经电阻R29 和R30 的上拉分别对电容C12、C13 充电产生延时，使得两路PWM 具有对称互补性且具有一定的死区间隔，保证主回路中两开关管不会同时导通。在电路中HIN 和LIN 标号端得到的波形图如下图10 所示。

图 10 反相后驱动波形

3.4 主回路与输出采样
主回路如图 11 所示，采用半桥开关电路。

图 11 主回路

根据整流后的电压和输入电流参数，选择IRF840 为高频开关管，其最大耐压VDS 为500V,最大能承受的导通电流ID 为8A,满足设计要求。工作在高频工作状态的续流二极管一般选用快恢复的二极管，此处选择HFA25TB60,能承受600V 的反向压降，最大导通电流为25A,且恢复时间仅为35ns.输出部分通过两个电阻分压至电压采样电路，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10W 的功率电阻作为采样电阻，当电流过大时，光耦中光敏三极管导通，检测电路输出高电平到IR2110 的SD 端，由于SD 是低电平有效、高电平关断点，因此电流过大时能很好地保护电路。且如前所述，IR2110 自身带有各种保护电路，故外围的电流电压保护电路可以大大简化。
4. 总结
本设计给出了在非隔离拓扑下一种设计大功率开关电源的方法，电路结构简单。在主回路中采用半桥电路替代传统的单管开关电路，在上管关闭时，下管的开通能更好地保证输出续流的稳定性，且保证功率的输出。文中并未给出电感量的计算方法，因不是讨论重点，可根据电路中输出电流、电压和开关管的RDS（MOSFET 管漏极和源极导通电阻）等参数来计算，实际中应留有一定的余量值。系统运行基本稳定，可考虑应用于工业电源设计中。