0 引言

    隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展,，功率MOSFET在開(kāi)關(guān)變換器中開(kāi)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(kāi)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(mén),；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(mén)；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(mén)的一個(gè)輸入端,。或非門(mén)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(kāi)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



    (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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(mén)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,。