1、SG3525;开关电源;BUCK电路; 电压电流双闭环控制开关电源模块并联供电系统(A题)1系统方案本系统主要由开关电源主电路、反馈控制模块、驱动信号发生模块、电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。图1 系统总体框图1.1 DC-DC模块的论证与选择DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全,但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的极大降低,而本题没有要求输入输出隔离,所以选择非隔离方式,具体有以下几种方案:方案一:降压斩波电路(BUCK)形式。开关管Q受占空比为D的PWM波的控制,交替导通或截止,再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。该电路属于降压型
2、电路,达只要电感绕制合理,能达到题目要求的8V的输出电压,且输出电压Uo呈现连续平滑的特性,系统效率高。方案二:串并联开关电路(半桥)形式。实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。用电感的储能特性来实现升降压,电路控制复杂,需要两只开关管的驱动信号有一定延时防止短路。同时由于电路中存在两个开关管,是损耗增加。 综合比较,基于本题需要降压,故选择方案一。1.2反馈控制模块的论证与选择电压负反馈控制,电压负反馈控制简单,效果明显,但稳定性差,一旦反馈被破坏就会导致主电路不稳定。而且本系统需要对两个DC-DC的输出电流进行控制,故电压反馈不适合本系统。电流负反馈控制,电流负反馈控制简单,
3、在主电路中的低端通过电阻对电流转换电压信号反馈。但稳定性差,只能稳流,对输出稳压效果不大。故不采用此方案。方案三:电流电压双闭环反馈控制。通过电压外环来控制电流内环,此方案控制较前两种稍显复杂,但系统稳定性十分出色,即稳压又稳流,十分适合本系统对电压电流的要求。综合以上三种方案,选择方案三。1.3驱动信号发生模块的论证与选择采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D采样后的反馈电压程控改变PWM信号的占空比,使输出电压稳定在设定值。负载电流在主电路的低端的电阻上的取样经A/D后输入单片机,当该电压达到一定值时关闭开关管,形成过流保护。该方案主要由软件实现,效率较高,但控制算法比较
4、复杂,数据处理较复杂,输出电压稳定性不好,若想实现自动恢复,实现起来过于复杂。采用恒频脉宽调制控制器SG3525,此芯片输出级采用推挽电路,双信道输出,工作频率为100HZ-400KHz,还具有欠压切断、可编程软起动等特点。每一信道的驱动电流最大值达500mA,灌电流可到达200mA。能够直接驱动功率GTR和功率MOS管。具有输入欠压锁定功能,死区时间可以调整,输出信号较灵活。采用TI的UC3842芯片,可以十分简单的组成峰值电流控制。并且应该用广泛,但是由于峰值电流控制容易出现电流断续,但是功率管在占空比大于50%时,必须进行斜坡补偿,不能稳定工作,同时也可能产生次谐波振荡。鉴于上面分析,选
5、用方案二。2系统理论分析与计算2.1 BUCK电路的分析 2.1.1 电流的连续与断续模式在BUCK电路中,电感电流存在两种模式,即电流连续和电流断续模式。由于电感对电流上升率的限制,使得电感电流可能在一个开关周期内存在连续和断续两种模式。在连续模式时,电感量要求比较大,开关电流的峰值比较低。但是具有良好的EMI特性。在断续模式下,主开关管的电流峰值会比较高,使得开关损耗加剧。本方案采用平均电流控制,因此电流工作在连续电流模式下更为合适。2.1.2 MOSFET的驱动 MOSFET的驱动方式有多种,比较常用的是直接驱动,推挽驱动,光耦隔离驱动,自举驱动和专用芯片驱动。为了达到PWM驱动信号和功
6、率电路没有电气连接或者开关管在高端时,需要采用隔离驱动。在隔离驱动中,光耦驱动是最为常用的一种,因此我们采用光耦隔离驱动。2.2 相关参数的计算 2.2.1 占空比D(Vi-Vo)*Ton/L=Vo*Toff/LD=Vo/Vi D占空比2.2.2 电感dIL= (Vi-Vo)*Ton/L dIL=0.2IL=0.2IonL=5(Vi-Vo)Vo*T/(Vi*Io)IL_avg = IoIL_peak=1.1IoIL_rms=ILavg*(1+0.22/12)0.53电路设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图1所示:3.1.2主电路系统框图与电路原理图1、主电路系统框图图2
7、主电路系统框图3.1.3控制电路模块框图与电路原理图图7是SG3525的内部原理图。 图7 SG525内部原理图图8 PWM波发生器电路原理图SG3525是一种性能优良、功能齐全、通用性强的单片集成脉宽调制控制器,由于它简单可靠及使用方便灵活,大大简化了控制电路的设计及调试,其内部结构见图6。SG3525主要由以下几部分构成:(1)参考调压器。参考调压器输出电压为51 V,且有短路保护。它供给所有内部电路,同时又可作为外部基准参考电压;(2)振荡器。振荡器产生后沿较陡的锯齿波,改变充电电容的大小即可改变锯齿波的频率,即振荡器的振荡频率;(3)误差放大器及补偿输入。误差放大器是差动输入的放大器;
8、(4)PWM锁存器。PWM锁存器接受比较器的输出信号,它有关闭电路和振荡器输出时间脉冲复位。这样,当关闭电路动作,即使过流信号立即消失,锁存器也可维持一个周期的关闭控制,直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。另外,由于PWM锁存器将比较器来的置位信号锁存,消除了系统所有的跳动和振荡信号,只有在下一个时钟周期才能重新复位,有利于提高可靠性,经过锁存器的输出为PWM;(5)输出。ll、14脚能输出两路占空比相等,且相位相差180度的驱动信号,所以适合于用来实现对非隔离型三电平变换器的PWM控制。此外,SG3525还有欠压锁定电路、闭锁控制电路。4调试方案与测试结果4.1调试方案本系统调试分三个阶
9、段:主电路开环调试,电流内环负反馈控制,电压外环电流内环负反馈控制。1、 主电路开环调试:断开电压外环,将电流的给定位恒定值,使得占空比保持不变。从而产生稳定的输出电压,同时改变给定,可以改变占空比,进而改变输出电压的值。2、 电流内环负反馈控制:在主电路的低侧串联电阻进行电流取样,电流信号经过调理后于给定电流信号做插并进行PID调节,PID调节的结果可以改变输出占空比,从而使得输出跟随给定信号。达到了是输出电流保持不变的目的。3、 电压外环负反馈控制:在电流内环的基础上,对输出电压进取样,同时将其与给定的电压信号的差进行PID调节,其结果作为电流内环的给定信号,电流的反馈信号将于这个给定信号
10、做差后进行PID调节改变占空比,使得输出电压和电流可以跟随给定信号。4.2 测试条件与仪器测试使用的仪器设备如表4.1所示。表4-1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1数英TFG20062DDS数字信号发生器泰克TDS2002数字双踪示波器4.3 测试结果及分析4.3.1测试分析与结论通过测试,可以得出以下结论:1、电路拓扑结构简单,具有十分广泛的应用2、BUCK电路可以十分高效的进行直流功率转换3、在电流电压双环的控制下,使得输出可以承受大强度扰动。5附件5.1主要元器件清单:SG3525;TPS2812;6N137;IRF540;电容 470uF/50V X2 220uF/5
11、0V X2 4.7uF/50V 电阻 10欧/5WIA2412KS-2WLM311NE5532OP0718V稳压管TL431高频磁芯漆包线滑动变阻器其他电阻电容若干6总结经过四天三夜的辛勤努力,我们实现了题目的部分要求,由于时间紧,工作量大,系统还存在许多可以改进的地方,比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间,经过改进,相信性能还会有进一步的提升。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力,虽然我们遇到了很多困难和障碍,但总体上成功与挫折交替,困难与希望并存,我们将继续努力争取更大的进步。7参考文献1模拟电子技术基础主编:杨栓科 高等教育出版社,20032 电力电子技术主编:浣喜明 姚为正 高等教育出版社,20048附录8.1 附件五:核心原理图与版图由于开关电源的频率高,对外有干扰,并且本题指标要求高,抗干扰能力要求特别比较严格,所以我们选择了画PCB图,然后自行腐蚀,然后把线刻出,这样的话测试方便,抗干扰性能也好。图9 和图10分别是核心原理图和版图。图12 主电路的PCB图
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