基于SG3525的DC／DC直流變換器的研究

0 引言
    隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET在開關(guān)變換器中開始廣泛使用。為此，美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司推出了SG3525，以用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，有過(guò)流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。其性能特點(diǎn)如下：
    1)工作電壓范圍寬： 8～35V。
    2)內(nèi)置5．1 V±1．0％的基準(zhǔn)電壓源。
    3)芯片內(nèi)振蕩器工作頻率寬100Hz～400 kHz。
    4)具有振蕩器外部同步功能。
    5)死區(qū)時(shí)間可調(diào)。為了適應(yīng)驅(qū)動(dòng)快速場(chǎng)效應(yīng)管的需要，末級(jí)采用推拉式工作電路，使開關(guān)速度更陜，末級(jí)輸出或吸入電流最大值可達(dá)400mA。
    6)內(nèi)設(shè)欠壓鎖定電路。當(dāng)輸入電壓小于8V時(shí)芯片內(nèi)部鎖定，停止工作(基準(zhǔn)源及必要電路除外)，使消耗電流降至小于2mA。
    7)有軟啟動(dòng)電路。比較器的反相輸入端即軟啟動(dòng)控制端芯片的引腳8，可外接軟啟動(dòng)電容。該電容器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓Uref由恒流源供電，達(dá)到2．5V的時(shí)間為t=(2．5V／50μA)C，占空比由小到大(50％)變化。
    8)內(nèi)置PWM(脈寬調(diào)制)。鎖存器將比較器送來(lái)的所有的跳動(dòng)和振蕩信號(hào)消除。只有在下一個(gè)時(shí)鐘周期才能重新置位，系統(tǒng)的可靠性高。

l 脈寬調(diào)制器SG3525簡(jiǎn)介
1．1 結(jié)構(gòu)框圖
    SG3525是定頻PWM電路，采用原理16引腳標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝。其各引腳功能如圖1所示，內(nèi)部原理框圖如圖2所示。

1．2 引腳功能說(shuō)明
    直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率廠由外接電阻RT和電容CT決定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，輸出一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個(gè)輸入端。或非門的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出互補(bǔ)，交替輸出高低電平，將PwM脈沖送至三極管VT1及VT2的基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū)時(shí)間，保證VT1及VT2不同時(shí)導(dǎo)通。最后，VTl及VT2分別輸出相位相差為180°的PWM波。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    本電源輸入電壓是由帶隔離變壓器的+30V電源提供，圖3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DC24～35V可調(diào)，輸入額定電壓為30V，輸出為5V／lA。本系統(tǒng)由SG3525產(chǎn)生兩路反向方波來(lái)控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)閉，MOSFET驅(qū)動(dòng)采用推挽方式，本設(shè)計(jì)在變壓器的中心抽頭加入30V直流電壓，輸出部分采用全波整流，在輸出點(diǎn)上有分壓電阻給TL431提供參考電壓，并通過(guò)光電隔離反饋到SG3525，以調(diào)節(jié)控制輸出方波占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。由于本設(shè)計(jì)采用推挽式功率變換電路，在輸入回路中僅有一個(gè)開關(guān)的通態(tài)壓降，而半橋和全橋電路有2個(gè)，因此在同樣的條件下，產(chǎn)生的通態(tài)損耗較小，這種拓?fù)涮貏e適合輸入電壓較低的場(chǎng)合，這也是本設(shè)計(jì)為什么采用推挽變換器的原因。其中的變壓器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流隔離和電壓變換的功能，磁性元件數(shù)目較少，成本較低。

2．1 高頻變壓器設(shè)計(jì)
    推挽變換器的高頻變壓器如圖3中所示，原邊和副邊的繞組都分別有一個(gè)中心抽頭。磁心參數(shù)選擇如下：
    變壓器輸入電壓幅值Up1=24V，直流輸出電壓5V，串聯(lián)二極管串聯(lián)壓降取0．6V，所以次級(jí)繞組電壓幅值Up2取5．6V，最大工作比α=0．45，次級(jí)繞組峰值電流Ip2=1 A，次

[!--empirenews.page--](變壓器效率η取為1，這個(gè)效率不包括整流二極管在內(nèi))，取工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=170mT，電流密度j取4．8A／mm2，銅在磁心窗口中的占空系數(shù)Km(初選時(shí)取0．2～0．3)，實(shí)際計(jì)算是取Km=0．2 5，則計(jì)算面積乘積

取EEl6磁心，它的中心磁鐵截面積(Ae)19．2mm2，磁心的窗口面積(Aw)為39．85mm2，因此EEl6的功率容量為Ae×Aw=19．2×39．85mm4=0．0765cm4，而計(jì)算面積乘積AP=O．029cm4，它明顯小于上面的功率容量的乘積0．0765，可見采用EEl6磁心時(shí)，其功率容量已足夠大。繞組匝數(shù)計(jì)算如下：先確定最低電壓繞組的匝數(shù)

    取偶數(shù)N1=34，其中開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間Tcn=9μs，控制器輸出頻率f=45kHZ。按照原邊34匝，副邊8匝繞制變壓器，在變壓器的繞制過(guò)程中，為了減少變壓器的漏感，要將原邊繞組和副邊繞組緊密耦合。
2．2 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    采用SG3525集成PWM控制器作為控制芯片，它的外圍電路簡(jiǎn)單。電路中的鋸齒波生成電路由RT、CT和內(nèi)部電路組成，本設(shè)計(jì)取CT=4700pF，RT=3．3kΩ，RD=100Ω，經(jīng)計(jì)算振蕩器輸出頻率是90kHz，PWM輸出頻率定為45kHz。軟啟動(dòng)電容接入端(引腳8)接一個(gè)lμF的軟啟動(dòng)電容。只有軟啟動(dòng)電容充電使引腳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Vref、同相輸入端及外圍電阻構(gòu)成。2腳的電壓固定值接近5V。SG3525的l、2、9腳及其外圍電路構(gòu)成了PI調(diào)節(jié)器，它的輸出與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)ll、14腳輸出兩路互補(bǔ)的PWM波，采用圖騰柱式結(jié)構(gòu)，灌拉電流能力超過(guò)200mA，可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET管，只需加一門級(jí)電阻即可。在本設(shè)計(jì)選用的是IR公司生產(chǎn)的IRF630。其具體設(shè)計(jì)電路如原理圖中所示。
2．3 反饋補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
    為了確保輸出的穩(wěn)定，在+5V上引入反饋，采用2．5～36V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL43l作為穩(wěn)壓器件。TL43l是德州儀器公司生產(chǎn)的一款有良好熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓可用兩個(gè)電阻任意設(shè)置到Vref(2．5V)到36V范圍內(nèi)。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0．2Ω。用它來(lái)構(gòu)成外部誤差放大器，再與光耦組成隔離式反饋電路。為了將連續(xù)變化的輸出迅速反饋，需采用線性光耦，如PC817。PC817不僅可以起到反饋?zhàn)饔?，還可以起到隔離作用，當(dāng)PC817二極管正向電流在3mA左右變化時(shí)，三極管的集一射極電流在4mA左右變化，而集一射極電壓在很寬的范圍內(nèi)線性變化，因而比較符合SG3525的控制要求。
    當(dāng)+5V輸出電壓升高時(shí)，經(jīng)R27、R28分壓后得到的取樣電壓，就與TL43l中的2．5V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流發(fā)生變化，再通過(guò)光耦PC817去改變SG3525 1腳的電壓大小，從而改變9腳電流大小，最后調(diào)節(jié)，再通過(guò)光耦PC817使反饋電壓增大，SG3525的1腳輸入端電壓升高，經(jīng)SG3525內(nèi)部電路后ll、14的輸出占空比減小，使+5V維持穩(wěn)定。
2．4 輸出電路設(shè)計(jì)
    在負(fù)載電流相同的條件下，全波和倍流整流電路中二極管的總通態(tài)損耗比全橋整流電路小一半，這就意味著在輸出電壓相同，且其它損耗相當(dāng)?shù)那闆r下，全波和倍流整流電路的效率會(huì)較高。在低壓輸入電路中，二極管通態(tài)損耗占電路總損耗很大比例，通常在輸入電壓較低的情況下(小于100V)采用全波電路比較合適，因此本設(shè)計(jì)采用整流器件MBR20100，其管壓降小，可提高效率，二極管兩端采用RC吸收電路，抑制二極管的反向瞬態(tài)電壓，高頻電壓經(jīng)其整流后由濾波電容C13濾波，再經(jīng)磁珠L(zhǎng)1組成低通濾波器向負(fù)載輸出，C14可降低交流紋波。輸出電路設(shè)計(jì)如原理圖所示。

3 實(shí)驗(yàn)波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
    圖4是滿載時(shí)輸出波形，從圖中可以看出，滿載時(shí)+5V。輸出比較穩(wěn)定且紋波比較小。圖5是直流輸入30V、滿載輸出時(shí)MOSFET漏一源極電壓波形(衰減lO倍后)，可以看出此時(shí)占空比最大約為45%。

    為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中記錄了不同負(fù)載下的輸出電壓值和不同輸入下輸出電壓值如表1和表2所示。

    從表1和表2可以看出，隨著負(fù)載的加重，輸出電壓有小量的降低，隨著輸入電壓的增加輸出電壓有小量的提升。但都基本維持在5V左右，負(fù)載調(diào)整率為(5．06～4．97)／4．97=1．8％，表明該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文介紹了基于控制集成芯片SG3525的推挽式DC—DC直流變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，特別適用于低壓輸入的場(chǎng)合。整個(gè)系統(tǒng)所占用的PCB板面積很小，可直接做在單板系統(tǒng)上， 為絕大多數(shù)單板系統(tǒng)提供足夠的電能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低廉，而且重量輕、體積小，具有很大的實(shí)用潛力。