用SG3525来设计的半桥高频开关电源要点Word下载.docx
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四、毕业论文课题时间：
2010年12月
15日至
2011
年5月
7日
五、进度安排：
周次
工作内容
预定目标及检查方式
2010-2011学年第1学期第18~20周
资料查阅、收集及整理
制定课题设计方案
确定课题题目，明确设计内容及要求，完成资料收集与整理，制定出课题设计方案。
（面授）
寒假
撰写毕业论文报告
在查阅参考资料的基础上，根据课题设计任务内容及要求，按照学院毕业论文格式要求，撰写毕业论文报告。
（电话、e-mail）
2010-2011学年第2学期第1周
毕业论文期中检查
检查毕业论文进展程度，对毕业论文过程中存在的具体问题进行针对性的指导。
2010-2011学年第2学期第2~11周
撰写完成毕业论文报告
继续撰写毕业论文报告，完成毕业论文报告的修改与定稿。
（面授、电话、e-mail）
2008-2009学年第2学期第12周
毕业论文报告评阅
毕业论文指导教师和评阅教师完成学生毕业论文报告评阅。
2010-2011学年第2学期第13周
毕业答辩
组织并完成毕业答辩。
六、备注：
1、本任务书一式三份，教研室、指导教师和学生各执一份；
2、学生须将此任务书按装订要求进行装订。
指导教师：
教研室主任：
第1章绪论
1.1课题背景
随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在各类电子产品中得到广泛的应用。
但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制。
电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化，因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。
开关电源中的调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。
另一方面，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高而增加。
目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十kHz；
采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百kHz。
为提高开关频率必须采用高速开关器件。
对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。
它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。
采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。
开关电源的集成化与小型化已成为现实。
然而，把功率开关管与控制电路都集成在同一芯片上，必须解决电隔离和热绝缘的问题。
开关电源以其高的性价比得到了广泛的应用。
开关电源的电路拓扑结构很多,常用的电路拓扑有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。
其中,在半桥电路中,变压器初级在整个周期中都流过电流,磁芯利用充分，且没有偏磁的问题，所使用的功率开关管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。
由于以上诸多原因,半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。
1.1.1开关电源原理
一、开关电源的电路组成：
开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。
辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
开关电源的电路组成方框图如下：
二、输入电路的原理及常见电路：
1、AC输入整流滤波电路原理：
1防雷电路：
当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：
F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。
当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。
2输入滤波电路：
C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。
因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。
3整流滤波电路：
交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。
若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。
2、DC输入滤波电路原理：
输入滤波电路：
C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感。
R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。
在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。
当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。
如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。
第2章SG3525芯片的工作原理
2.1本章PWM控制芯片SG3525功能简介：
随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（SiliconGeneral）推出SG3525。
SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。
其产品一推出就受到广泛好评。
SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。
下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。
SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。
在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。
2.1.1SG3525引脚功能及特点简介：
SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；
内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。
其性能特点如下：
1）工作电压范围宽：
8～35V。
2）内置5．1V±
1．0％的基准电压源。
3）芯片内振荡器工作频率宽100Hz～400kHz。
4）具有振荡器外部同步功能。
5）死区时间可调。
为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉式工作电路，使开关速度更陕，末级输出或吸入电流最大值可达400mA。
6）内设欠压锁定电路。
当输入电压小于8V时芯片内部锁定，停止工作（基准源及必要电路除外），使消耗电流降至小于2mA。
7）有软启动电路。
比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8，可外接软启动电容。
该电容器内部的基准电压Uref由恒流源供电，达到2．5V的时间为t=（2．5V／50μA）C，占空比由小到大（50％）变化。
8）内置PWM（脉宽调制）。
锁存器将比较器送来的所有的跳动和振荡信号消除。
只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。
其引脚及原理图如图1下：
引脚功能说明
直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；
另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。
振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。
振荡器频率厂由外接电阻RT和电容CT决定，
振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；
另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。
或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。
双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PwM脉冲送至三极管VT1及VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证VT1及VT2不同时导通。
最后，VTl及VT2分别输出相位相差为180°
的PWM波。
1.Inv.input（引脚1）：
误差放大器反向输入端。
在闭环系统中，该引脚接反馈信号。
在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。
2.Noninv.input（引脚2）：
误差放大器同向输入端。
在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。
根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。
3.Sync（引脚3）：
振荡器外接同步信号输入端。
该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。
4.OSC.Output（引脚4）：
振荡器输出端。
5.CT（引脚5）：
振荡器定时电容接入端。
6.RT（引脚6）：
振荡器定时电阻接入端。
7.Discharge（引脚7）：
振荡器放电端。
该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。
8.Soft-Start（引脚8）：
软启动电容接入端。
该端通常接一只5的软启动电容。
9.Compensation（引脚9）：
PWM比较器补偿信号输入端。
在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。
10.Shutdown（引脚10）：
外部关断信号输入端。
该端接高电平时控制器输出被禁止。
该端可与保护电路相连，以实现故障保护。
11.OutputA（引脚11）：
输出端A。
引脚11和引脚14是两路互补输出端。
12.Ground（引脚12）：
信号地。
13.Vc（引脚13）：
输出级偏置电压接入端。
14.OutputB（引脚14）：
输出端B。
引脚14和引脚11是两路互补输出端。
15.Vcc（引脚15）：
偏置电源接入端。
16.Vref（引脚16）：
基准电源输出端。
该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。
特点如下：
（1）工作电压范围宽：
8—35V。
（2）5.1（11.0%）V微调基准电源。
（3）振荡器工作频率范围宽：
100Hz¬
—400KHz.
（4）具有振荡器外部同步功能。
（5）死区时间可调。
（6）内置软启动电路。
（7）具有输入欠电压锁定功能。
（8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。
（9）逐个脉冲关断。
（10）双路输出（灌电流/拉电流）：
mA（峰值）。
2.1.2SG3525的工作原理
SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。
SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。
在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。
由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。
SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5的软启动电容。
上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。
此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。
只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。
由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。
当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。
反之亦然。
外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。
当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。
如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。
注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。
欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。
如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。
此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。
第3章电源系统介绍
本文设计的是12v/300A的半桥高频开关电源，电路由主电路和控制电路组成。
3.1主电路结构及其工作原理
半桥式开关电源主电路如图3所示。
图中开关管Q1、Q2选用IGBT,因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率很小、载流密度小、饱和压降低、开关速度快及安全工作区大等优点。
半桥式逆变电路一个桥臂由开关管Q1、Q2组成,另一个桥臂由电容E1、E2组成。
高频变压器初级一端接在E1、E2的中点,另一端接在Q1、Q2的公共连接端,Q1、Q2中点的电压等于整流后直流电压的一半,开关Q1、Q2交替导通就在变压器的次级形成幅值为Vi/2的交流方波电压。
通过调节开关管的占空比,就能改变变压器二次侧整流输出平均电压Vo。
Q1、Q2断态时承受的峰值电压均为Vi，由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容。
变压器原边并联的R3、C4组成RC吸收电路，用来吸收高频尖峰。
值得注意的是，在半桥电路中，占空比定义为[2]：
D=2ton/Ts
图3半桥电源主电路图
3.2控制电路
控制电路是开关电源的核心部分，控制环节的好坏直接影响电路的整体性能，在这个电路中采用的是以SG3525芯片为核心的控制电路。
如图4所示,采用恒频脉宽调制控制方式。
误差放大器的输入信号是电压反馈信号,是由输出电压经分压电路获取,与普通误差放大器的接法不同的是该电压反馈接成射极跟随器形式，反馈信号比较精确，因而可以精确地控制占空比调节输出电压，提高了稳压精度。
SG3525芯片振荡频率的设定范围为100～500kHz,芯片的脚5和脚7间串联一个电阻Rd就可以在较大范围内调节死区时间。
SG3525的振荡频率可表示为：
fs=1/（CT（0.7RT+3Rd））.
式中:
CT,RT分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻;
Rd是与脚7相连的放电端电阻值。
此处CT、RT、Rd分别为图中的C21、R32、R30，取值分别为10000p、15k、200R，即频率为13khz。
管脚8接一个电容的作用是用来软启动，减少功率开关管的开机冲击。
11和14脚输出采用图腾柱输出,本电路采用外加驱动隔离电路，增强了驱动能力和电源的可靠性。
驱动隔离电路如图5所示。
保护电路是开关电源中必不可少的补充，在这个电路中采用了输入过流保护、输出过流保护、过热保护等。
输入过流保护是通过在原边主电路中串入小磁环，小磁环感应电压输出经过整流桥将电流信号转为电压信号（plp）经一个三极管接至软启动8脚，当原边电流大于设定值即plp高于0.7v时则将8脚电压拉低，关断3525的PWM的输出从而保护电路。
输出过流保护是通过在副边主回路中串联分流器，取样分流器两端的电压信号送到误差放大器的反相端，正常工作时运放输出高电平，当输出过流时，运放输出为低电平，从而拉低电压反馈信号，从而使PWM占空比减小，实现输出电流保护。
过热保护是通过一个温控开关接到3525的10脚来实现的，当过热时温控开关闭合以关闭使8脚电压拉低从而关闭PWM输出。
图4SG3525的控制电路
图5驱动隔离电路图
第4章高频变压器的设计
4.1原副边电压比n
电压比计算的原则是电路在最大占空比和最低输入电压的条件下，输出电压能达到要求的上限，公式如下：
n≤ViminDmax/（Vomax＋△V）式中△V为电路中的压降，一般取2V。
4.2磁芯的选取及变压器的结构
目前变压器较为简洁常用的设计方法是Ap法。
可根据下面公式选取合适的磁芯：
AP=AeAW≥Pt/（2f△Bkcj）式中，Ae为磁芯截面积；
Aw为磁芯的窗口截面积；
Pt为变压器传输的总功率；
f为开关频率；
△B为磁芯材料所允许的最大磁通摆幅；
kc为绕组的窗口填充系数；
j为导线的电流密度。
在这里有PT=3600×
（1＋1/0.9）,0.9为效率，这里△B取0.2T，kc取0.4，j一般取4A/mm2。
查有关磁芯手册，查得U17磁芯，其Ae=442mm2，Aw=390mm2，则其Ap=98840mm4。
考虑到留有一定的裕量使电源更可靠地工作，这里采用12个磁芯组合而成。
由于变压器传输的功率较大，寄生参数对其影响很大。
所以变压器的绕制方法很重要，否则会引起变压器的性能下降。
4.3变压器初、次级匝数
为了保证在任何条件下磁芯不饱和，设计时应按照最大伏－秒面积计算匝数。
因为电路中电压的波形都是方波，所以最大伏－秒面积的计算可以简化为电压和脉冲宽度的乘积。
通常计算二次侧最大伏－秒面积较为方便。
对半桥电路有：
N2=vo/（2△BAefs），N1=n×
N2。
代入数值计算得，变压器的次级匝数为2匝，取中抽为负极，由原副边电压比n可计算得到变压器的初级匝数为15匝。
4.4确定绕组的导线线径和导线股数
在选用绕组的导线线径，要考虑导线的集肤效应。
为了更有效的利用导线，减小集肤效应的影响，一般要求导线线径小于两倍穿透深度△，即应选用线径r小于2△。
结论
经过以上分析和计算，本文设计的半桥开关电源额定输出功率为3600瓦，输出电压为12V，下图为电路工作时的实验波形，输出电压为12V，输出电流为300A。
图6为驱动电路输出的驱动波形，从图中可以看出驱动脉冲的前沿比较陡，电压上升很快，有一个微小的尖峰，可以迅速的驱动功率管，而在关断时，由于关断时驱动信号电压为负的电压，防止开关管误导通，使电源更可靠的工作。
图7为变压器原边波形图，可以看出，当功率管关断时，IGBT寄生的反并联二极管导通，起到了钳位的作用，由于变压器漏感的影响，关断时电压有微小的振荡，因此，在绕制变压器时须尽量减小漏感。
图8为变压器副边经整流后波形，可以看出，由于在每个整流二级管两侧并联了RC吸收电路，电压的振荡相对较小。
实测电路效率为90％，效率较高。
该电源电压调整率小、闭环控制可确保输出电压稳定,工作可靠，图10为本开关电源实物。
半桥式开关电源具有开关管承受的电压低,开关器件少（只有两个）,驱动简单等优点,无直流偏磁现象,在中功率领域获得了广泛的应用。
图6驱动电路驱动波形
图7变压器原边波形
图8变压器副边经整流后波形
图9电源驱动板实物图
图10整机原理图
图11开关电源实物图
致谢
本设计是在张军老师的悉心指导下完成的，在毕业设计期间，一直得到张老师的悉心指导和关怀。
特别是在课题的设计过程中，对论文的技术问题，张老师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向张老师表示最衷心的感谢！
在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习和设计环境。
使我在学到了好多知识，学会了能够透彻的分析问题解决能力的能力。
同时，感谢在我大学期间给与我帮助的所有老师，培养了我热爱学习、勤学好问、创新探索的能力，让我学到了不少的知识，使我受益非浅，还培养了我解决问题和处理问题的能力，为我在今后的工作和生活中打下了基础。
感谢本班同学在我遇到问题的时候对我的细心讲解，以及在生活中对我的帮助，给予我的关怀。
由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。
参考文献：
1.《开关电源设计》第二版（美）普莱斯曼著电子工业出版社
2.《开关电源设计与优化》玛尼克塔拉著电子工业出版社
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