摘要 介紹了SG3525芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析了其特性和工作原理，設(shè)計(jì)了一款基于SG3525可調(diào)占空比的推挽式DC／DC開關(guān)電源，給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法以及主要單元電路的參數(shù)計(jì)算，并對(duì)該電源進(jìn)行了性能測試。實(shí)驗(yàn)表明，該電源具有效率高、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 SG3525；高頻變壓器；PWM；開關(guān)電源

    隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET被廣泛應(yīng)用于開關(guān)變換器中。為此，美國硅通用半導(dǎo)體公司(Silieon General)推出了SG3525，以用于驅(qū)動(dòng)n溝道功率MOSFET。SG3525是電流控制型PWN控制器，可在其脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，開關(guān)電源無論是電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。介紹了由SG3525芯片為控制核心的500 W高頻開關(guān)電源模塊，該電源模塊可應(yīng)用于車載逆變電源的前級(jí)升壓。

1 SG3525的結(jié)構(gòu)特性
    SG3525脈寬調(diào)制控制器，不僅具有可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制功能，而且還具有可編式軟起動(dòng)，脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。通過調(diào)節(jié)SG3525第5腳上CT的電容和第6腳RT上的電阻就可以改變輸出控制信號(hào)PWM的頻率，調(diào)節(jié)第9腳COMP的電壓可以改變輸出脈寬，這些功能可以改善開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能和簡化控制電路的設(shè)計(jì)。
1．1 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟起動(dòng)電路和輸出電路構(gòu)成。

1．2 欠壓鎖定功能
    基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的輸入電壓為15腳的輸入電壓VC，當(dāng)VC低于8 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的輸出精度值就得不到保證，由于設(shè)置了欠壓鎖定電路，當(dāng)出現(xiàn)欠壓時(shí)，欠壓鎖定器輸出一個(gè)高電平信號(hào)，再經(jīng)過或非門輸出轉(zhuǎn)化為一個(gè)低電平信號(hào)輸出到T1和T5的基極，晶體管T1和T5關(guān)斷，SG3525的13腳輸出為VC，11腳和14腳無脈沖輸出，功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場效應(yīng)管的控制脈沖消失，變換器無電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定保護(hù)的目的。[!--empirenews.page--]
1．3 系統(tǒng)故障關(guān)閉功能
    集成控制器SG3525內(nèi)部的T3晶體管基極經(jīng)一個(gè)電阻連接10引腳。當(dāng)系統(tǒng)過流時(shí)，過流保護(hù)保護(hù)電路將輸送給10腳一個(gè)高電平，由于T3基極與兩個(gè)或非門相連，故障信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)閉過程與欠電壓鎖定過程類似。在電路中，過流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號(hào)到與門的輸入端，當(dāng)出現(xiàn)過流信號(hào)時(shí)，檢測環(huán)節(jié)輸出一低電平信號(hào)到與門的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)。
1．4 軟起動(dòng)功能
    軟起動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)主要由SG3525內(nèi)部的晶體管T3、外接電容C3及鎖存器來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)欠壓或者有過流故障時(shí)，欠壓鎖定器的高電平傳到T3晶體管基極，T3導(dǎo)通為8引腳的外接電容C3提供放電的途徑，C3經(jīng)T3放電到零電壓后，限制了比較器的PWN脈沖電壓輸出，使PWN比較器輸出為高電平，PWM高電平經(jīng)PWN鎖存器輸出至或非門仍為恒定的邏輯高電平，晶體管T1和T5關(guān)斷，封鎖輸出。當(dāng)故障消除后，欠壓鎖定器輸出恢復(fù)為低電平正常值，T3截止，C3電容由50μA電流源緩慢充電，C3充電對(duì)PWM比較器和PWN鎖存器的輸出產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)兩個(gè)或非門的輸出脈沖產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使輸出脈沖由窄緩慢變寬，只有C3充電結(jié)束后，脈沖寬度不受C3充電的影響。這種軟起動(dòng)方式，可使系統(tǒng)主回路電機(jī)及功率場效應(yīng)管承受過大的沖擊浪涌電流。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    電源輸入電壓是由12 V蓄電池提供，圖2是選用SG3525設(shè)計(jì)的DC／DC直流變換器原理圖。性能指標(biāo)是：輸入電壓為DC 10～35 V，輸入額定電壓為12 V，輸出為360 V，額定功率為500 W。系統(tǒng)由SG3525產(chǎn)生兩路反向方波來控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)閉，MOSFET驅(qū)動(dòng)采用由8050和85 50構(gòu)成圖騰柱輸出的直接推挽方式，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力。本設(shè)計(jì)在變壓器的中心抽頭加入12 V直流電壓，輸出部分采用橋式整流，在輸出點(diǎn)上有分壓電阻，將采樣到的電壓反饋到SG3525的1腳和9腳，以調(diào)節(jié)控制輸出方波占空比來穩(wěn)定輸出電壓。采用推挽式功率變換電路，由于開關(guān)電源中的兩個(gè)開關(guān)管輪流交替工作，其輸出電壓波形對(duì)稱，并且開關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度高、電壓輸出特性良好。推挽式變壓器開關(guān)電源是所有開關(guān)電源中電壓利用率最高的開關(guān)電源，在輸入電壓低的情況下，仍能維持較大功率輸出。

2．1 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    如圖2所示，電路以SG3525為控制芯片，外圍電路簡單。電路中的鋸齒波生成電路由RT、CT和內(nèi)部電路組成，取CT=2．2 nF，RT=11kΩ，RD=220 Ω。根據(jù)f=1／[CT(0．7RT+3RD)]計(jì)算出振蕩器輸出頻率約54 kHz，PWM輸出頻率約為27 kHz。軟啟動(dòng)電容接人端接一個(gè)4．7μF的軟啟動(dòng)電容。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開始工作。系統(tǒng)中的基準(zhǔn)比較調(diào)節(jié)電路則由基準(zhǔn)引腳Uref，同相輸入端及外圍電阻構(gòu)成。2腳的電壓固定值為5．1 V。SG3525的1，2，9腳及其外圍電路構(gòu)成了PI調(diào)節(jié)器，其輸出與5腳鋸齒波和軟啟動(dòng)電容一起可控制PWM控制器以產(chǎn)生方波。它的輸出級(jí)11、14腳輸出兩路互補(bǔ)的PWM波，采用圖騰柱式結(jié)構(gòu)，灌電流和拉電流最大可達(dá)400mA。

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2．2 過流保護(hù)
    如圖3所示，過流保護(hù)是通過在電壓輸出端串接一個(gè)0．33 Ω／5W的精密電阻作為電流檢測元件，再將其采樣到的信號(hào)輸送到線性光耦PC817中，假如流過采樣電阻的電流過大，將導(dǎo)致光耦的發(fā)光二極管導(dǎo)通，進(jìn)而使光耦輸送給SG3525的腳10一個(gè)高電平，使得其11腳和14腳輸出的PWM波立即消失，開關(guān)管停止工作，變壓器無輸出，達(dá)到過流保護(hù)的目的。設(shè)計(jì)省去了傳統(tǒng)的電流檢測元件：電流互感器，采用線性光耦進(jìn)行輸入和輸出的隔離，使電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，降低了誤報(bào)率。

2．3 變壓器設(shè)計(jì)
2．3．1 最大磁通變化選擇
    對(duì)于大部分的鐵氧體材料，磁感應(yīng)強(qiáng)度在±0．2T范圍內(nèi)時(shí)，磁滯回線的變化可近似等于線性變化，如果超出了這個(gè)范圍，鐵氧體磁芯的磁滯回線就進(jìn)入了彎曲部分，此時(shí)當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，勵(lì)磁電流將會(huì)增大，線圈損耗不可避免的會(huì)增大。但是對(duì)于大多數(shù)鐵氧體來說，選擇峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度為0．2 T仍然很危險(xiǎn)，因?yàn)楫?dāng)供電電壓或者負(fù)載快速變化時(shí)，如果誤差反饋放大器在某些開關(guān)周期內(nèi)變化沒有這么快速的話，那么磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)達(dá)到飽和值，進(jìn)而損壞開關(guān)管，因此，選擇峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.16T。
2．3．2 磁芯選擇
    假設(shè)變壓器效率為80％，窗口使用系數(shù)為0．4，當(dāng)輸入電壓為最小值Vin(min)=10 V時(shí)，每個(gè)開關(guān)管在其半周期內(nèi)的占空比最大，假設(shè)為0．8 T／2，則變壓器的磁芯
   
    式中，Bmax為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度；f為變壓器工作頻率；Ae為變壓器磁芯的有效截面積；Ab為變壓器磁芯的窗口面積；Dcma為繞線電流密度，取500圓密爾每有效值安培。
    選取的磁芯材料為PC40，磁芯型號(hào)為EE42／21／20，該磁芯的有效截面積Ae=2.35cm2，窗口面積Ab=2.75cm2，代人上式得PD=620.4W，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)目標(biāo)500 W，所以選用該磁芯已經(jīng)足夠。
2．3．3 變壓器匝數(shù)的選擇
    初級(jí)匝數(shù)NP可由法拉第定律得
   
    式中，Vin(min)為輸入電壓的最小值；T為周期；Ae為磁芯有效截面積；△B為0．8 T／2時(shí)間內(nèi)的磁通
變化。
    取NP=2匝，次級(jí)繞組匝數(shù)
   
    在變壓器的繞制過程中，為減少漏感，要將初級(jí)繞組和次級(jí)繞組緊密耦合。
2．4 輸出濾波器的設(shè)計(jì)
2．4．1 輸出電感的設(shè)計(jì)
    輸出電感不允許進(jìn)入不連續(xù)工作模式，否則反饋環(huán)對(duì)負(fù)載變化的調(diào)節(jié)性能將嚴(yán)重下降，于是

    經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，取L0=4mH已經(jīng)足夠，上式中L0、V0和T的單位分別為H、V、和s；Idc(min)為最小輸出電流；Io為額定輸出電流，單位均為A。[!--empirenews.page--]
2．4．2 輸出電容的設(shè)計(jì)
    輸出電容C0的選擇應(yīng)滿足最大輸出紋波電壓的要求，輸出紋波電壓由濾波電容的ESR的大小決定，紋波電壓峰峰值Vr為
   
    式中，dI是所選的電感電流紋波的峰峰值。
    另外，對(duì)于鋁電解電容，在很大容值及額定電壓范圍內(nèi)，其R0C0的值基本不變，范圍是50×10-6～80×10-6。因此C0可選為
   
    假設(shè)Vr=V0／5 000，dI=2Io／10，代入數(shù)據(jù)得C0≈310 μF，實(shí)際當(dāng)中選用的是330 μF／450 V的鋁電解電容。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證
    參照以上分析所得到的參數(shù)設(shè)計(jì)了一款基于SG3525控制芯片的推挽式DC／DC直流升壓變換器，經(jīng)過測試，滿載時(shí)，最大占空比接近0．5，電源效率為85％。圖4和圖5給出了電源正常工作時(shí)相關(guān)點(diǎn)的實(shí)測波形。

4 結(jié)束語
    集成開關(guān)電源芯片的應(yīng)用克服了以往開關(guān)電源設(shè)計(jì)中外圍元件和輔助電路復(fù)雜等問題，使開關(guān)電源高效化、模塊化，縮短了研發(fā)周期。該設(shè)計(jì)方案適用于要求低電壓輸入，而輸出功率又比較大的場合。實(shí)驗(yàn)證明，此結(jié)構(gòu)的電源性能穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。