基于SG3525的两相BUCK变换器.docx
《基于SG3525的两相BUCK变换器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于SG3525的两相BUCK变换器.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于SG3525的两相BUCK变换器
毕业论文（设计）
基于SG3525的两相BUCK变换器
Two-phaseBUCKConverterbasedonSG3525
姓名：
学号：
系另壯物理与信息工程学院
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2013级
指导教师：
2017年3月27日
摘要
H前，越来越多的设备已不仅仅可由单一电源供电，而要多个电源配合供电来保障大功率设备的正常工作。
本文介绍以SG3525为核心，主体电路采用两路BUCK电路成相互配合的开关电源电路，介绍了SG3525芯片的工作原理及通过11脚，14脚两脚推挽输出，两脚相位差180度，通过控制2脚电压，来控制输出电压的占空比，从而影响负载的的电圧。
当11脚和14脚的输出电流达到5至10亳安就可以驱动光耦A312O,直接驱动mos管的栅极。
从而驱动主电路。
最后比较采样电压来决定改变占空比进行电压调整。
当两路电源有一个支路出现故障时，另一路可以继续供电，保证了系统的正常工作,提高了供电的可靠性。
关键词：
SG3525;PWM,开关电源
Abstract
Atpresent,thetransitionfromunilateralpowersupplytomultilateralpowersuppliesisabigprogressforpowerconsumptionequipment.ltmakesureofnormaloperationunderhigh-powercondition.ThisarticledescribesaswitchingpowersupplycircuitwhichismadeoftheSG3525asthecoreandtwoBUCKcircuitsasthemaincircuit.InadditionjtintroduceshowtheSG3525chipworksandhowtocontrolthepush-pulloutputthroughthe11pinandthe14pin.Whatthedifferencebetweentwopinsis180degrees,tocontrolthebilateralvoltageandthedutycycleofoutputpowerisamethodofcontrollingtheeffectonloadvoltage.Whentheoutputcurrentofthe11pinand14pinreaches5~10mA.theA3120OCwillbedrove,andafterthatthemostubegatewillbedrove.Sothenitwilldrivethemaincircuittowork.Afterward.itwilladjustthevoltagebymeansofcomparingthesamplingvoltageandcorrectingthedutycycle.Ifanerroroccurredinonebranchofbilateralpowersupplies,theotherwouldcontinuetowork.Thatwillensurethesystemtoworknormallyandimprovethereliabilityofpowersupply.
Keywords：
SG3525;PWM,switchingpowersupply
中英文摘要II
1引言1
1.1选题背景及实际意义1
1.2开关电源技术发展概况-1-
1.3本文的主要内容1
2硬件介绍3
2.1SG3525引脚功能及特点简介3
2.2PWM控制基本原理4
3系统设计6
3.1实现功能6
3.2总系统框图6
3.3DC/DC降压变换器方案6
4电路设计6
4.1电路参数的设计7
4.2主电路的设计7
421单相Buck电路与两相的对比7
422主电路图-8-
4.2.3工作原理8
4.2.4推挽输出8
4.2.5SG3525输出波形9
4.3器件参数的选取9
4.3.1开关管的选择9
4.3.1电容的计算11
4.3.3电感的选择11
4.3.4续流二极管的选择11
4.4驱动电路的设计12
441驱动类型的选择-12-
4.4.2光耦A312012
4.4.3驱动光耦A3120电路14
4.5SG3525电路的设计14
451SG3525外围设计15
4.5.2器件的选取-15-
5系统测试与分析16
5.1测试工具17
5.2测试准备17
5.3问题解决17
5.4数据釆集17
5.4」SG3525的输出波形和光耦A3120的输出波形17
5.4.2二极管的波形19
5.4.3负载电压数据记录19
5.5数据分析20
6总结21
6.1工作总结22
6.2不足和展望22
致谢23
附录24
附录一：
器件清单25
附录二：
原理图26
附录三：
PCB图27
附录四：
实物图28
1引言
1.1选题背景及实际意义
电源设备在工业发展、农业生产、电子发明、动力管理技术及灯光使用、电冰箱等日常生活各个方面经常被使用，是电子设备和机电设备的基础。
应用开关控制进行电压调节的固定电源，经过固定周期，改变输出电圧是山改变开关的导通时间来完成的，这种电源被叫做开关电源。
开关电源，就是电源稳圧器在截I匕和饱和区山。
开关管截止不导通时，与普通按钮的断开一样，开关管饱和导通时，与普通按钮的关闭一样。
这与一般的按钮功能相同，晶体管被称为开关管，开关电源是用来限制开关电源的电圧的㈢。
在工业发展和日常生活中开关电源提供了很大的便利。
开关电源广泛运用于工业、交通运输等是因为它比线性电源效率高、体积小和重量轻，LI前开关电源已经成为工厂、电力系统供电的主要形式。
开关电源也在产业上被大批使用，主要运用在工业机器人、工业化生产线等。
生活水平改良，社会发展的加快，人们愈来愈渴望日常生活中不停电，智能化的开关电源必不可少，多模块联合供电通常被用在家用电器和工业生产之间，目的是为了增强对负载的供电稳定性。
因此必要模块化电源在经过变压后提高电源的效率、满足电器对电压的要求，这样模块化的供电技术就表现得非常重要。
訂前，模块化开关电源主要IIIPWM技术驱动，具有调速范围宽、速度快、电流波形系数好等特点。
1.2开关电源技术发展概况
电力电子技术与用电负荷的供求关系⑶每一天都在上升甚至供不应求，电力电子技术经常用在工业生产、农业生产和照明的供电。
自从1957年第一个晶闸管在美国被研制出来，电源技术不断发展，1980年后IGBT产生，IGBT是金属-氧化物半导体场效应晶体管和半导体三极管复合起来的⑷。
再加上软开关技术的使用，使得电源效率增大。
电源的负载要求是山现代的电子设备的发展而提出的⑸。
具有特殊使用方式的电源设备的主要的追求，是要夹带适合电子元件要求的高性能。
安全必须保证。
减小无功损耗、减小电磁影响、节约电能等绿色环保是全世界对于电能的突出追求⑹，并发布了很多法律法规来规范要求和约束电能°
1.3本文的主要内容
本文主要研究内容为基于SG3525的两相Buck变换器设讣、研制和实验测试：
（1）通过SG3525的外圉电路的设计，确定了开关频率，使两路输出脉冲的占空比在0~50%且可调°
（2）通过SG3525两路PWM输出，将PWM输出作为两相Buck电路的控制信号
（3）对比两相Buck与传统单相Buck电路的损耗、效率。
致力于给用户提供舒适的安全的电能条件，同时验证该方案的可行性。
2硬件介绍
随着开关电源技术的发展，功率MOSFET在开关电源中开始大范禺的使用，SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFETo其产品一推出就受到广泛好评。
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【叽
2.1SG3525引脚功能及特点简介
其内部结构和原理框图如下：
PINCONNECTIONS
图2-1SG3525引脚图
图2・2SG3525内部结构图
l.Inv.input（引脚1）：
误差放大器反向输入端。
2.Noninv.input（引脚2）：
误差放大器同向输入端。
在系统中，该端接给定信号。
3.Sync（引脚3）：
振荡器外接同步信号输入端。
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。
8.Soft-Start（引脚8）：
软启动电容接入端。
^Compensation（引脚9）：
PWM比较器补偿信号输入端。
lO.Shutdown（引脚10）：
外部关断信号输入端。
10.11.OutputA（引脚11）:
输出端A。
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。
15.Vcc（引脚15）：
偏置电源接入端。
16.Vref（引脚16）：
基准电源输出端。
特点如下：
1.工作电压范圉宽：
8—35Vo
2.5.1（11.0%）V微调基准电源。
3.振荡器工作频率范圉宽：
100Hz一100KH乙
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。
&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）。
2.2PWM控制基本原理
PWM控制就是对脉冲的宽度进行控制的技术，我们把冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果相同的原理就叫做PWM控制基本原理。
PWM控制基本原理的应用非常广泛【9】。
PWM控制技术也就是占空比可以改变的脉冲波形。
该技术以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。
3系统设计
3.1实现功能
（1）在芯片SG3525正常工作下，调节SG3525的16脚滑动变阻器的阻值，使输
出电压的占空比可以从0到50%变化。
（2）负载电压
wO={H/（rl+r2））*E*2（3-1）
（输出电圧为u0；E为输入电压；tl为开关管的通态时间；t2为开关管的断态时间）
3.2总系统框图
经设计，该系统主要由3个模块构成：
SG3525模块、主电路模块、和驱动电路•系统通过PWM控制与光耦A3120驱动MOS管HRF3205构成的电路进行DC-DC转换。
SG3525
15V学生电源►
I
f
.丿
改变滑动变
阻器阻值
图3-1总系统框图
3.3DC/DC降压变换器方案
方案一：
选择LM2576组成主电路，LM2576是BUCK型稳压器，无需驱动电路，应用时非常简便且外用元件少。
同时，设讣要求不能够采用整块的直流-直流变换模块,LM2576不符合要求。
方案二：
选择SG3525内部含有脉冲宽度调制的芯片来设计直流-直流变换器【⑼，SG3525容易靠得住并且用起来很方便，带动能力是推拉输出形式，带动能力比较强。
综合上述两个降压方案，本次设计的DC/DC降压变换器我选择方案二。
4电路设计
4.1电路参数的设计
（1）输入电压20V。
（2）输出电流控制在0.5A到1A之间。
（3）看输出电压
wo={/l/（n+r2）}*£
（4-1）
（输出电丿玉为u0；E为输入电压；tl为开关管的通态时间；t
（4）看电路效率是否能达到80%以上。
2为开关管的断态时间）
4.2主电路的设计
图4-1主电路拓扑结构图
Buck是电力电子里面一个最基本的电路，主电路的拓扑结构是一个两相Buck电路。
4.2.1单相Buck电路与两相的对比
Buck电路的特点：
效率高，可靠性好;工作效率高,产生电磁辐射干扰。
单相Buck电路的占空比可以从0调到白分白，而两相Buck电路每相各占负载电压占空比的口分之50,每相只能调负载占空比0到白分之50。
单相电路器件发热比较多，容易损坏元器件，损耗比较大，存在着纹波大，开关噪声以及高辐射。
两相电路需要的元器件多，但两相Buck电路比单相可以大大的减少电源电流引起的干扰大大减低。
两相Buck电路若需要滤波，只需要接上简单的LC滤波器就可以起到良好的滤波效果。
两相电路当有一路发生故障时，另一路可以继续工作，使得总体的可靠性大大的提高。
综上所述，故选择用两相Buck电路为主电路。
4.2.2主电路图
4.2.3工作原理
主电路原理图如图4-2所示，系统直接输入15V直流电作为两路同步BUCK电路的工作电源【⑴。
主电路采用主从模块设置的同步BUCK电路实现DC/DC变换输出问.电路中开关管为HRF3205,栅极控制信号均为PWM波。
LI、L2、C4为两路同步BUCK电路的滤波电路"I。
主电路如图4-2所示，电路中的功率开关管为HRF3205,S点为MOSFET的源极,G点为MOSFET的门极。
其中，电阻R22和R23的作用是防止MOSFET被击穿，一般取10M2左右。
在MOS管的栅极和驱动之间串接一个电阻，就是图4-2的R20和R2U这个叫做“栅极电阻”，其作用是调节开关管的开关频率，对开关管内部电容的充放电起限流作用，防止电流过大损坏MOS管内部的寄生电容。
4.2.4推挽输出
推挽放大器电路中，当输入信号变化到另一个半周后，两个三极管的工作状态就互换，两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化，所以称为推挽放大器。
这种电路主要用于低功耗情况下能输出较大功率的交流信号，通常用于低频放大电路设计中。
可增强输出的负载能力。
4.2.5SG3525输出波形
假设输入的工作电压使15V,SG3525输出的波形周期为200us,占空比调到百分之五十，那么理想输出波形11脚和14脚应该是相位相差180度，幅值都是15V的方波。
16
图4・4SG3525的14脚的理想输出波形
4.3器件参数的选取
4.3.1开关管的选择
IGBT是有双极型的三极管I冋，IGBT作为全控型半导体器件，而且是电压来驱动的
功率半导体器件，所以经常被用在电压高于600伏特的高电圧场合。
处于技术和安全的
考虑，本文研究的是两相变换。
所以就不选用IGBT作为功率开关管了，而是选择MOSFET场效应管作为开关管"I。
MOSFET开关管作为电力电子器件的一个重要开关管，因为其驱动电路比较简单，而且开关速度也比较快，可以适应较高频率的开关特性；所以，在工业以及电子行业应用非常广泛，金氧半场效晶体管是金属氧化物半导体场效应管的简称。
依照其“沟道”极性的不同，金属氧化物半导体场效应管，大概可分为N沟道型与P沟道型。
以电子作为多子的场效应管即N沟道型场效应晶体管也被叫做NMOSFET开关管，以空穴作为多子的场效应管即P沟道型场效应晶体管也被叫做PMOSFET开关管。
出于安全问题本文研究的是两相Buck变换器，经综合考虑后，使用的是MOSFET管HRF3205。
支路电流最大值为/max=2.0A,则开关管耐流值厶应满足：
开关管额定电流b>1.5X/max=1.5x2.0A=3.0A
快速开关HRF3205允许通过的最大电流为33A、最大耐压为100V,可满足设计要求。
同时由于HRF3205导通电阻为0.052Q,反向恢复时间100ns,开关速度快,导通压降小，导通功耗低，完全符合电路所需要求。
图4-5开关管
表4-1HRF3205最大额左参数
参数
最大值
单位
VGS
门极电压
±20
V
【AR
雪崩电流
62
A
dv/dt
二极管恢复峰值电压变化率
5.0
V/ns
Ea
重复雪崩能
量
20
mJ
Pd@Tc=25°C
功率耗散
200
W
Id@Tc=251
持续漏极电
流
110
A
Id@Tc=1001
持续漏极电
流
80
A
参数最小
典型
最大
单位
测试条件
%
门极开启2
电压
—
4
V
V^=2SVtID=
62A
VDS
前向压降一
—
1.3
V
%=2勿,妇=
62力
^d（on）
打开延时一
14
—
上升时间一
101
—
VDD=28V,ID
关断时间一
50
—
ns
=62A
切
下降时间一
65
—
RG=4.5
Q,VGS=10V
表4-2HRF3205电气特性
4.3.1电容的计算
输出电容：
CO=C8=220uF一个工作周期共向输出电容充电荷
AQ~0.5*（AI）*（0.5T）纹波
0.5AVP-P=AQ/CO
CO=（3~5）（AI）T/（2AVP-P）产生纹波的两个因素：
输出电容容量有限。
（4-2）
（4-3）
（4-4）
电感量：
L〜270uH。
L-[（VinT）/SI]
（4-5）
/=（10%~20%）/omx
（4-6）
4.3.3电感的选择
434续流二极管的选择
续流二极管：
FR307
快恢复二极管
向偏压=（VIN）max-VSTA
（4-7）
FR307~3A/lkV满足要求。
峰值电流=（IO）max+AI
（4-8）
表4-3FR307特性
正向平均整流电流
3.0A
反向重复峰值电压
1000V
正向不重复峰值电流
150A
正向峰值电压
1.3V
反向峰值电流
5.0A（常温）
反向恢复时间
500ns
4.4驱动电路的设计
441驱动类型的选择
电力电子器件的驱动总体上可以分为隔离驱动和非隔离驱动，电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的桥梁，如果选取的驱动电路比较好，那么不仅仅开关时间可以缩短，开关损耗也可以减少，还可以使电力电子器件工作在比较理想的状态下。
驱动电路的作用是将控制电路所发出的控制信号经过一系列的处理，然后将信号加在它所控制的电力电子开关管的控制端，对与全控型器件，不仅要供给使其开通的信号,还要给器件供给关断的信号，从而保证电力电子器件可以有效、可靠的工作。
驱动电路一般分为电流型驱动和电压型驱动，他们是按照电路加在电力电子器件上面的控制信号的不同而划分的。
对于隔离驱动，我们平时一般采用的较多的是光电隔离器或者电磁隔离器，光电隔离器一般是釆用光耦来隔离，也叫作光电隔离耦合器。
驱动光耦电路的山于光电耦合器使主电路和控制电路相互分开，而且电信号的传输具有单向性等特点。
光电耦合器除了以上特点之外，它还有比较强的共模抑制的能力，因为它的输入的端口是低电阻元件，是属于电流型工作的。
4.4.2光耦A3120
本HCPL-3120包含一个GaAsPLED,而HCPL-312和HCNW3120包含的ALGaAsLEDo这些光电耦合器非常适合用于驱动功率IGBT和电机控制用的MOSFET逆变器应用。
电压和山这些电流供给光耦合器使他们理想使用于直接驱动IGBT与收视率高达1200V/100Ao
A3120特点：
2A最小峰值电流输出
15KV绝缘耐压
0.5V最大低电位输出（负偏压除外）
5mA供电电流
欠压锁定（UVLO）
500nS最大开关时间
15-30V宽压工作环境，-40-150度工作温
工业级温度范RI：
-40-100度
N/C
ANODE
CATHODE
N/C
图4-6A3120内部结构图
A3120其重要参数如下表所示：
表4-4A3120重要参数
输入阈值电压
If=5mV
电源电流
10mA
电源电压
10-35V
输出电流
±2.0A
表
开关转换时间
0.5pS
4-
隔离电压
1200Vrms
5
最大绝缘工作电压
600Vpk
A
允许的最高过电压
6000Vpk
31
工作频率最高为
40KHz
20
真
值表
LEDVcc-VeeVcc-VeeVo
关闭
0-30V
0-30V
低
4.4.3
ON
0-11V
0-9.5V
低
驱动
ON
11-13.5V
9.5-12V
过渡
光耦
ON
13.5-30V
12-30V
■・
咼
A31
20电路
驱动光耦A3120电路如下:
IN-
ICI
Vrrl
SI）
SGJ52S
图4-7驱动电路图
因为驱动光耦A3120的电流为5至10mA,所以R3和R4的选取:
（15-1.8）/0.01=1.32K
综上，故R3和R4选择1.5K.
使A3120的工作电压为15V,这时A3120里面三极管集电极端是高电平，使三极管导通，输出从发射集输出，驱动主电路。
4.5SG3525电路的设计
451SG3525外围设计
图4-8SG3525外围设计
4.5.2器件的选取
（1）9脚电压的选取
把SG3525的1脚，2脚和9脚设计成一个电压跟随器。
把9脚电压稳定在时u=1.25〜3.75v。
图4・9电汗跟随器
（2）波形频率的取值
SG3525的波形的频率是由5脚CT和6脚RT决定的。
SG3525频率计算公式Fosc=l/CT（0.67RT+1.3RD）,根据我们给的RT和RD可以计算岀我们波形的频率为5.lkHzo
5系统测试与分析
5.1测试工具
本设计所使用的仪器和设备如表5-1所示:
表5-1仪器和设备
序号
名称
型号
数量
1
万用表
GDM-8135
1
2
示波器
DS2102
1
3
学生电源
UTP3333TD
2
5.2测试准备
（1）焊接完成之后，人眼观察电路板是否存在虚焊、漏焊的现象，再使用万用表的蜂鸣档来检查电路板是否存在断路或者短路，以免上电发生短路，损坏器件。
（2）根据原理图和PCB检查三个芯片的电源脚和接地脚是否使用正确，上电，使用万用表的电压档检查三个芯片各个引脚的工作电压是否正常。
（3）上电，使用示波器测试电路中儿个测试点的波形是否符合条件。
5.3问题解决
第一问题在于，我们给SG3525的工作电压是15V,正常情况下我们输入15V的电压，11脚和14脚也要输
升级会员 