摘要：由于儀器所用電源的體積和重量通常受到限制，為此提出一種由MOSFET控制，并且由高頻變壓器隔離的開關(guān)電源設(shè)計方法。該電源具有體積小、重量輕、抗干擾性能強(qiáng)，輸出電壓穩(wěn)定，調(diào)壓范圍廣，電壓動態(tài)響應(yīng)快，性價比高，使用方便等特點。

　　引言

　　功率場效應(yīng)管MOSFET是一種單極型電壓控制器件，它不但具有自關(guān)斷能力，而且具有驅(qū)動功率小，關(guān)斷速度快等優(yōu)點，是目前開關(guān)電源中常用的開關(guān)器件。采用MOSFET控制的開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、成本低的優(yōu)勢，因此，較適合作儀器電源。本文給出了一種由MOSFET控制的大范圍連續(xù)可調(diào)（0～45V）的小功率穩(wěn)壓電源設(shè)計實例。

　　一、總體結(jié)構(gòu)與主電路

　　圖1為該電源的總體結(jié)構(gòu)框圖。工作原理如下：

　　圖1　原理方框圖

　　全橋整流電路將電網(wǎng)電壓220V整流成不可調(diào)的直流電壓Ud=1.2U約等于198V。兩個等值濾波電容上的電壓分別為99V以上，經(jīng)DC/AC變換器逆變之后輸出20kHz、脈寬可調(diào)的交流電壓，又經(jīng)高頻變壓器的兩個副邊分正負(fù)半周送入整流濾波電路，輸出直流電壓。該電源直流輸出電壓的大小靠PWM發(fā)生器的輸出脈沖寬度來控制。

　　主電路如圖2所示。

　　圖2　主電路

　　主電路中實現(xiàn)DCPAC變換的關(guān)鍵元件是功率場效應(yīng)管VT1和VT2。當(dāng)VT1管開通，VT2截止時，電路中的電流從電容C1正極到VT1的D1-S1，再通過變壓器原邊回到電容器C1的負(fù)極形成回路，uAB為正電壓。變壓器的副邊感應(yīng)電壓同名端為正，VD1導(dǎo)通，輸出U0上正下負(fù)。

　　當(dāng)VT2開通，VT1關(guān)斷時，同樣可推出上述結(jié)論：U0上正下負(fù)。U0的大小取決于控制電路使VT1、VT2的導(dǎo)通時間。

　　二、控制電路

　　控制電路功能是實現(xiàn)PWM波形合成及可控DC/AC變換器的隔離驅(qū)動。

　　1、PWM波形的產(chǎn)生

　　該電路的電源設(shè)計是以三端集成穩(wěn)壓器為核心的+-15V直流穩(wěn)壓電源。

　?。?）PWM的控制原理

　　脈寬PWM波形產(chǎn)生采用功能強(qiáng)大的TL494定頻調(diào)制芯片，該芯片有16個引腳，內(nèi)部電路與外圍電路如圖3示。

　　圖3　TL494內(nèi)部電路及外圍電路

　　TL494芯片的引腳13低電平時，引腳8和11同步工作，單端輸出；引腳13高電平時，引腳8和11推挽工作，雙路輸出。本電路采用后種工作方式。該芯片的最高工作頻率為300kHz，實際工作頻率由引腳5、6所接的電阻與電容決定，其振蕩頻率算式為f=1.1P（RTCT），本設(shè)計選擇的振蕩頻率為20kHz，鋸齒波在片內(nèi)被送到比較器1和2的反相端。鋸齒波與片內(nèi)的誤差放大器的輸出在PWM比較器2中比較，而死區(qū)控制電平與鋸齒波在死區(qū)時間比較器1中比較，兩者的輸出分別為一定寬度的矩形波，它們同時送到或門電路，經(jīng)分頻器分頻后，再經(jīng)相應(yīng)的門電路去控制內(nèi)部三極管交替導(dǎo)通，使得引腳8和11向外輸出相位互差180°的PWM波形。其工作波形如圖4所示。

　　圖4　工作波形

　　誤差放大器1的反相端（引腳2）接可調(diào)給定電壓Ug。改變Ug，可改變引腳3的電壓值，從而改變PWM比較器2輸出波形的寬度，實現(xiàn)U0從0～45V連續(xù)可調(diào)。

　?。?）死區(qū)時間的控制

　　為了保證開關(guān)器件VT1與VT2在一只管子關(guān)斷另一只管子開通時有足夠的時間間隔，防止功率開關(guān)元件上下直通造成的直流側(cè)短路，該電路用引腳4控制兩個開關(guān)器件的死區(qū)時間。由內(nèi)部基準(zhǔn)源引腳14串聯(lián)電容器C5提供死區(qū)電壓參考數(shù)值，并通過R5接地來共同決定死區(qū)時間最小值Toff（min）。

　　另外，在輸入電源剛接通時，R5與C5又構(gòu)成軟起動器。由于電容上的電壓不能突變，所以起動瞬間，死區(qū)控制端4與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓14端等電位，為高電平，死區(qū)比較器1也輸出高電平，封鎖輸出端的兩個晶體管；隨著電容電壓的不斷上升，4端電位逐漸降低，這兩個晶體管才逐漸開通，使得該電源的輸出電壓不會突變，實現(xiàn)軟起動。正常工作時，R5上的電壓約為0。這時主電路開關(guān)元件的導(dǎo)通時間（它決定正常工作時的輸出電壓值）將由接入誤差放大器1反相端的給定電壓Ug和接入同相端的反饋電壓Uf比較確定。

　　2、隔離、驅(qū)動電路

　　VT1、VT2采用專用集成驅(qū)動模塊IR2110來驅(qū)動，隔離驅(qū)動電路如圖5所示：

　　圖5　IR2110驅(qū)動模塊及外部接線電路

　　三、過壓過流保護(hù)

　　為改變負(fù)載曲線，保護(hù)MOSFET的安全運(yùn)行，防止過電壓和減小du/dt，在MOSFET的D1-S1間并入電阻、快速二極管和電容組成的過電壓吸收電路。
過流信號從主電路檢出，從引腳16送向誤差放大器2的同相端，引腳15為比較基準(zhǔn)，當(dāng)出現(xiàn)過流時，引腳16的電壓上升，則比較器2的輸出引腳3為高電平，封鎖脈寬信號。

　　四、結(jié)束語

　　該電源盡量采用在工業(yè)環(huán)境下具有高可靠性的常用集成電路及功率模塊，以易實現(xiàn)、易維修為出發(fā)點，以實用性為宗旨。經(jīng)過實驗驗證，本電路抗干擾能力強(qiáng)，輸出電壓穩(wěn)定，工作可靠，輸出電流可達(dá)15A，較適合于做儀器和裝置的直流供電電源，有較好的推廣價值。