張 波，焦小芝

（蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104）

1 引言

電源的優(yōu)劣直接影響到各類電子設(shè)備的性能，因此設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的電源意義重大。隨著科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電源的要求越來越高，規(guī)格品種也越來越多。開關(guān)電源具有效率高、重量輕、體積小和穩(wěn)壓范圍寬等突出優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)中期問世以來，發(fā)展極為迅猛，在計(jì)算機(jī)、通信、航天、辦公和家用電器等方面得到了廣泛的應(yīng)用，大部分場合已取代了傳統(tǒng)的線性開關(guān)電源，并在不斷發(fā)展之中，其市場廣闊。本文基于SG3525A設(shè)計(jì)了一款+15V、20A的半橋型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。

2 半橋型DC/DC變換器

開關(guān)電源都包括主電路和控制電路，主電路主要就是DC/DC變換電路。DC/DC變換器分為輸入與輸出非隔離型和輸入與輸出隔離型，非隔離型如Boost電路和Buck電路，隔離型包括單端正激式、單端反激式、推挽型、半橋型和全橋型。半橋型和其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比有很多優(yōu)點(diǎn)：輸入輸出之間有高頻變壓器隔離，高頻變壓器利用率高，抗不平衡能力強(qiáng)，較好地解決了直流變壓器偏磁問題，功率相對(duì)較大，功率開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)承受的電壓較低等。

半橋型DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出它有兩只參數(shù)相同、容值較大的電容C1與C2構(gòu)成分壓電路與開關(guān)管S1、S2構(gòu)成的橋臂組成橋，橋的對(duì)角線連接著變壓器T1。R1與R2是均壓電阻，大小相等，且阻值較大，因此當(dāng)兩開關(guān)管S1和S2都截止時(shí)圖1中A點(diǎn)電壓為直流輸入電源電壓的一半，即UA=Ui/2。

圖1 半橋型DC/DC變換器

工作時(shí)兩功率開關(guān)管交替導(dǎo)通。前半個(gè)周期，S2一直處于截止?fàn)顟B(tài)，S1導(dǎo)通一段時(shí)間后關(guān)斷；后半個(gè)周期S1一直處于截止?fàn)顟B(tài)，S2對(duì)稱地導(dǎo)通后關(guān)斷，故每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間都小于半個(gè)周期。S1導(dǎo)通時(shí)電容C1通過經(jīng)S1、變壓器T1原邊和電容Cb放電，同時(shí)電源電壓Ui經(jīng)過S1、變壓器T1原邊、Cb對(duì)電容C2充電；當(dāng)S1斷開、S2尚未導(dǎo)通時(shí)，中點(diǎn)A的電位又恢復(fù)到輸入電壓Ui的一半；開關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)情況和S1導(dǎo)通時(shí)類似，不同之處在于流過變壓器T1的電流是和S1導(dǎo)通時(shí)方向相反的。變壓器T1副邊、D5和D6構(gòu)成全波整流電路，Lf和Cf起濾波作用，由于開關(guān)頻率很高，容值足夠大的電容Cf（相對(duì)來說，實(shí)際上容值較小的就能滿足要求）上可以得到穩(wěn)定的直流電壓。改變一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)管S1和S2導(dǎo)通的時(shí)間就改變了負(fù)載從電源得電的時(shí)間，從而可能改變輸出電壓的大小，即改變占空比改變輸出電壓的大小。在實(shí)際電路中，若兩開關(guān)管S1和S2特性不一致，就會(huì)引起一開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間比另一開關(guān)管長，假如S1導(dǎo)通的時(shí)間比較長，那么C1上的平均電壓就會(huì)比C2兩端的低，因此S1導(dǎo)通時(shí)加在變壓器原邊的幅值就會(huì)比S2導(dǎo)通時(shí)加在變壓器原邊的幅值小，故能使加到變壓器原邊的正負(fù)方波的V·s積維持相等，因此該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抗不平衡能力。實(shí)際應(yīng)用中在變壓器原邊串入一只足夠大的電容Cb，以進(jìn)一步增加電路的抗不平衡能力。另外變壓器中磁通變化量是以零為中心正負(fù)變化的，而且變壓器原邊只用一個(gè)繞組，因此變壓器利用率高。

3 由SG3525A構(gòu)成的控制電路

3.1 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

開關(guān)電源控制方式有三種：（1）由分立元件構(gòu)成；（2）通過軟件編程由單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)；（3）由專用的集成控制器來實(shí)現(xiàn)。其中專用集成控制器實(shí)現(xiàn)方式以其使用方便、無需編程、所需元件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，是開關(guān)電源常用的一種控制方式。SG3525A就是其中常見的一種專用集成控制器。

美國硅通公司的SG3525A是性能優(yōu)良、功能齊全、通用性強(qiáng)的集成PWM控制器，共有16個(gè)引腳，采用DIP-16和SOP-16封裝，工作電壓范圍寬（8V～35V），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2?；鶞?zhǔn)電壓部分對(duì)內(nèi)部供電，對(duì)外作為基準(zhǔn)參考電壓；振蕩器產(chǎn)生近似的鋸齒波，鋸齒波的頻率由和振蕩器相連接的外接電阻電容決定，范圍為100Hz～400kHz，同時(shí)對(duì)應(yīng)于鋸齒波的下降沿產(chǎn)生一時(shí)鐘脈沖CP；在時(shí)鐘脈沖CP的作用下，分相器（T觸發(fā)器）的兩輸出端產(chǎn)生兩相位相反的方波信號(hào)，其頻率是鋸齒波頻率的一半；誤差放大器是差動(dòng)輸入放大器，同相輸入端2接給定電壓，閉環(huán)控制時(shí)反向輸入端1接反饋電壓，端9和端1之間接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)構(gòu)成調(diào)節(jié)器，可滿足系統(tǒng)動(dòng)靜特性的要求；外加于端9的信號(hào)和誤差放大器的輸出疊加于比較器的一反向輸入端，比較器的同相輸入端加振蕩器產(chǎn)生鋸波信號(hào)，這樣比較器的輸出端產(chǎn)生PWM信號(hào)，改變外加于端9的信號(hào)或來自于端2的反饋信號(hào)或端1的給定信號(hào)均可改變PWM信號(hào)的占空比；內(nèi)部PWM鎖存器可以使關(guān)閉更可靠；兩個(gè)輸出級(jí)結(jié)構(gòu)是一樣的，門電路輸出上側(cè)為或非門，下側(cè)為或門，門電路的輸入A端、C端和D端所加的信號(hào)是一樣的，分別是欠壓鎖定輸出，時(shí)鐘脈沖CP和來自鎖存器的PWM信號(hào)，分相器的兩輸出端分別加到兩輸出級(jí)的門電路B端，由于分相器輸出兩相位相反的方波，所以芯片兩對(duì)外輸出端輸出的是兩波形一樣而相位相差180°的PWM信號(hào)，而且頻率是芯片內(nèi)部比較器產(chǎn)生的PWM信號(hào)的一半。另外此芯片還帶有閉鎖控制、軟起動(dòng)、欠壓鎖定等功能，輸出級(jí)采用推挽式電路結(jié)構(gòu)，關(guān)斷速度快。

圖2 SG3525A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3.2 控制驅(qū)動(dòng)電路

由SG3525A構(gòu)成的控制驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。SG3525A的5腳和6腳上的電阻電容決定了其內(nèi)部振蕩器的工作頻率，也就決定了其產(chǎn)生的PWM信號(hào)的頻率，從而決定了開關(guān)管工作頻率。本設(shè)計(jì)中開關(guān)管工作頻率為50kHz，16腳的5.1V基準(zhǔn)電壓經(jīng)電阻分壓后加在誤差放大器的同相輸入端，也就是2腳，誤差放大器的反向輸入端接電壓反饋信號(hào)，兩者經(jīng)誤差放大器后形成一誤差放大信號(hào)，該誤差放大信號(hào)和芯片內(nèi)振蕩器形成的頻率幅值固定的鋸齒波信號(hào)經(jīng)芯片內(nèi)部PWM比較器后生成PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)再經(jīng)過芯片內(nèi)部的數(shù)字電路形成兩個(gè)互差180°的PWM信號(hào)，這兩個(gè)PWM信號(hào)的頻率為PWM比較器產(chǎn)生的PWM信號(hào)的一半，這兩個(gè)PWM信號(hào)經(jīng)芯片內(nèi)部的電路放大后分別從芯片的11 腳和14腳輸出。若輸出電壓變化，芯片1腳上得到的反饋電壓也會(huì)相應(yīng)變化，芯片內(nèi)部誤差放大器的輸出會(huì)相應(yīng)變化，從而PWM比較器產(chǎn)生的PWM信號(hào)的占空比會(huì)相應(yīng)變化，芯片的11 腳和14腳輸出PWM信號(hào)的占空比發(fā)生變化，所以只要采用恰當(dāng)?shù)姆答侂娐罚秃苋菀资馆敵鲭妷悍€(wěn)定。芯片15腳接電源正端，12腳接地，7腳接電阻構(gòu)成振蕩器放電回路，8腳上接小電容起軟動(dòng)功能，9腳是PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端，該引腳和1腳之間接上接的電阻電容構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，10腳外接高電平芯片輸出將被禁止，這里用作過流保護(hù)。

圖3 SG3525A構(gòu)成的控制驅(qū)動(dòng)電路

圖3中驅(qū)動(dòng)電路部分以美國IR公司的IR2110為核心。IR2110 采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V。高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目。光耦PC817起隔離作用，通常弱電驅(qū)動(dòng)強(qiáng)電部分都含有隔離部分。反饋電路由TL431和線性光耦PC817構(gòu)成，這里不再給出圖形介紹。

3.3 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該半橋型開關(guān)電源功率達(dá)300W以上，電源輸出電壓為15V±5%，效率在80%以上，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均小于5%，穩(wěn)定工作時(shí)輸入電壓范圍為165V～242V，電源性能優(yōu)良。

4 結(jié)束語

SG3525A電壓型PWM集成控制器，外接元器件少，性能穩(wěn)定可靠，包括開關(guān)穩(wěn)壓所需的全部控制電路，同時(shí)還具有外同步、軟啟動(dòng)、死區(qū)調(diào)節(jié)、欠壓鎖定等很多功能，輸出兩路互差180°的PWM信號(hào)；半橋型和其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，變壓器初級(jí)在整個(gè)周期中都流過電流，且正負(fù)對(duì)稱，磁芯利用充分，且沒有偏磁的問題，所使用的功率開關(guān)管耐壓要求較低，對(duì)輸入濾波電容使用電壓要求也較低，因此半橋式變換器在中等功率開關(guān)電源中得到廣泛的應(yīng)用，所以基于SG3525A的半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源是一種較理想的設(shè)計(jì)。

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