SG3525脈寬調(diào)制高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)說明

1、. . . . 工程學(xué)院課程設(shè)計(jì) 課程名稱 電力電子技術(shù) 課題名稱SG3525脈寬調(diào)制高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 專業(yè) 班級 學(xué)號 姓名 指導(dǎo)教師葵銀 2014年12月22 日 14 / 23工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 課程名稱： 電力電子技術(shù) 題目：SG3525脈寬調(diào)制高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 專業(yè)班級： 學(xué)生：學(xué)號： 指導(dǎo)老師：葵銀 審 批：任務(wù)書下達(dá)日期 2014 年 12 月 22 日設(shè)計(jì)完成日期 2014 年 12 月 29 日 設(shè)計(jì)容與設(shè)計(jì)要求一 設(shè)計(jì)容：1 電路功能：1） 電網(wǎng)工頻交流先整流為固定直流，通過功率變換（高頻逆變）得到2050KHz的高頻交流，再經(jīng)高頻整流與濾波，得到所需的直流；2

2、） 電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：工頻整流濾波、功率變換（高頻逆變）、高頻整流濾波?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：脈沖發(fā)生電路、脈寬調(diào)制PWM、電壓電流檢測單元、驅(qū)動(dòng)電路。3） 功率變換電路中的高頻開關(guān)器件采用IGBT或MOSFET。4） 系統(tǒng)具有完善的保護(hù)2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電路設(shè)計(jì)與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的計(jì)算與選型3）主電路保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)4. 控制電路設(shè)計(jì)與分析1） 檢測電路設(shè)計(jì)2） 功能單元電路設(shè)計(jì)3） 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)4） 控制電路參數(shù)確定二 設(shè)計(jì)要求：1 用SG3525產(chǎn)生脈沖。2 設(shè)計(jì)思路清晰，給出整體設(shè)計(jì)框圖；3 單元電路設(shè)計(jì)，給出具體設(shè)計(jì)思路和電路；4

3、分析所有單元電路與總電路的工作原理，并給出必要的波形分析。5 繪制總電路圖6 寫出設(shè)計(jì)報(bào)告； 主要設(shè)計(jì)條件1 設(shè)計(jì)依據(jù)主要參數(shù)1） 輸入輸出電壓：單相（AC）220（1+15%）、15V（DC）2） 輸出電流：5A3） 電壓調(diào)整率：1%4） 負(fù)載調(diào)整率：1%5） 效率：0.86）功率因數(shù)：0.8 2. 可提供實(shí)驗(yàn)與仿真條件 說明書格式1 課程設(shè)計(jì)封面；2 任務(wù)書；3 說明書目錄；4 設(shè)計(jì)總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）；5 單元電路設(shè)計(jì)（各單元電路圖）；6 故障分析與電路改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)與仿真等。7 總結(jié)與體會；8 附錄（完整的總電路圖）；9 參考文獻(xiàn)；11、課程設(shè)計(jì)成績評分表 進(jìn) 度 安 排第

4、一周星期一:課題容介紹和查找資料； 星期二:總體電路方案確定 星期三:主電路設(shè)計(jì)星期四:控制電路設(shè)計(jì) 星期五:控制電路設(shè)計(jì)；第二周星期一: 控制電路設(shè)計(jì)星期二：電路原理與波形分析、實(shí)驗(yàn)調(diào)試與仿真等星期四五:寫設(shè)計(jì)報(bào)告，打印相關(guān)圖紙； 星期五下午:答辯與資料整理 參 考 文 獻(xiàn)1石玉，栗書賢電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)，1998. 2王兆安，黃俊電力電子技術(shù)（第4版）機(jī)械工業(yè)，2000.3浣喜明，為正電力電子技術(shù)高等教育，2000.4莫正康電力電子技術(shù)應(yīng)用（第3版）機(jī)械工業(yè)，2000.5瓊林，耿學(xué)文電力電子電路精選機(jī)械工業(yè)，1996.6定建，朱丹霞實(shí)用晶閘管電路大全機(jī)械工業(yè)，1996.

5、7祖潤，胡俊達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)，1995.8星平電力電子技術(shù)與電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)校，1999.目錄第1章 概述.1第2章 系統(tǒng)總體方案確定.2第3章 主電路設(shè)計(jì).33.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).33.2 主電路元器件的計(jì)算與選型.43.3 主電路保護(hù)設(shè)計(jì).7第4章 單元電路設(shè)計(jì)與分析.84.1 控制電路芯片介紹.84.2 控制功能單元電路設(shè)計(jì).9 4.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).11 第5章 總結(jié).12 附錄 評分表第1章 概述開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)

6、展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。開關(guān)電源技術(shù)運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種用電要求。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。 電源裝置是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域,在現(xiàn)代的各種電力設(shè)備中都得到里廣泛的應(yīng)用。特別是在小型與各種家用電器和電子設(shè)備量使用了各種ACDC轉(zhuǎn)化電路，其中高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)而得到最為廣泛的應(yīng)用。本課題是設(shè)計(jì)一種基于SG3525 PWM控制芯片為核心構(gòu)成的高頻開關(guān)電源電路

7、。SG3525芯片能同時(shí)滿足較好的電氣性能和較低的成本,因而被廣泛用于小功率開關(guān)電源。用其作為PWM控制芯片組成的電路具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明由該P(yáng)WM控制芯片控制的開關(guān)電源的性能可同集成穩(wěn)壓器媲美,效率比線性穩(wěn)壓電源高,有很好的發(fā)展前景。電子電源微處理器監(jiān)控，電源系統(tǒng)部通信，電源系統(tǒng)智能化技術(shù)以與電力電子系統(tǒng)的集成化與封裝技術(shù)?？傊_發(fā)高功率密度，高效率，高性能，高可靠性以與智能化電源系統(tǒng)仍然是今后開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展方向。第2章 系統(tǒng)總體方案確定本課題的任務(wù)是基于SG3525PWM控制芯片為核心構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源。整流濾波環(huán)節(jié)是把從公網(wǎng)上輸入的交流電初步轉(zhuǎn)換成直流電，該

8、直流電的電壓U 與公網(wǎng)電壓一樣，并不符合設(shè)計(jì)要求。還要再經(jīng)過逆變和高頻整流濾波環(huán)節(jié)才能用于設(shè)備。交流電的頻率與逆變電路中開關(guān)管Q 的導(dǎo)通頻率一樣，開關(guān)管的導(dǎo)通是由SG3525 PWM控制芯片決定的。逆變后的高頻交流經(jīng)過由變壓器副邊線圈、續(xù)流二極管和電容組成的LCD電路就可得到所需的直流電。其輸出電壓的大小由變壓器原副邊匝比n、占空比d 和輸入電壓U 來決定。在轉(zhuǎn)化過程中公網(wǎng)中的交流電壓不是一成不變的，為了得到穩(wěn)定的直流電，只能對占空比d進(jìn)行不斷的調(diào)整。故加入電壓檢測電路，并把檢測結(jié)果送入脈寬調(diào)制中構(gòu)成負(fù)反饋。即主電路采用先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、在整流濾波

9、的方法，該電源在開環(huán)時(shí)，它的負(fù)載特性較差，只有加入反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制后，當(dāng)外加電源電壓或負(fù)載變化時(shí)，均能自動(dòng)控 制 PWM 輸出信號的占空比， 以維持電源的輸出直流電壓在一定的圍保持不變，達(dá)到了穩(wěn)壓的效果。其總設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示。圖2-1 總設(shè)計(jì)框圖第3章 主電路設(shè)計(jì)3.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)半橋式開關(guān)電源主電路如圖3-1所示。圖中開關(guān)管Q1、Q2 選用MOSFET, 因?yàn)樗请妷候?qū)動(dòng)全控型器件,具有驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快與安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。半橋式逆變電路一個(gè)橋臂由開關(guān)管Q1、Q2 組成, 另一個(gè)橋臂由電容C6、C7 組成。高頻變壓器初級一端接在C6、C7 的中點(diǎn), 另一端接在Q

10、1、Q2 的公共連接端, Q1、Q2 中點(diǎn)的電壓等于整流后直流電壓的一半,開關(guān)Q1、Q2 交替導(dǎo)通就在變壓器的次級形成幅值為V i/2的交流方波電壓。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比, 就能改變變壓器二次側(cè)整流輸出平均電壓V o。Q1、Q2斷態(tài)時(shí)承受的峰電壓均為V i，由于電容的隔直作用，半橋型電路對由于兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不對稱而造成的變壓器一次電壓的直流分量具有自動(dòng)平衡作用，因此該電路不容易發(fā)生變壓器偏磁和直流磁飽和的問題，無須另加隔直電容變壓器原邊并聯(lián)的R2、C5組成RC吸收電路，用來吸收高頻尖峰。在半橋電路中，占空比定義為：D=2ton/Ts逆變電路采用的電力電子器件為美國IR公司生產(chǎn)的全控型電力

11、MOSFET管，其型號為IRFP450,主要參數(shù)為：額定電流16A,額定耐壓500V，通態(tài)電阻0.4。兩只MOSFET管與 兩只電容C1、C2組成一個(gè)逆變橋，在兩路PWM信號的控制下實(shí)現(xiàn)了逆變，將直流電壓變換為脈寬可調(diào)的交流電壓，并在橋臂兩端輸出開關(guān)頻率約為26KHz、占空比可調(diào)的矩形脈沖電壓。然后通過降壓、整流、濾波后獲得可調(diào)的直流電源電壓輸出。該電源在開環(huán)時(shí)，它的負(fù)載特性較差，只有加入反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制后，當(dāng)外加電源電壓或負(fù)載變化時(shí)，均能自動(dòng)控制PWM輸出信號的占空比，以維持電源的輸出直流電壓在一定的圍保持不變，達(dá)到了穩(wěn)壓的效果。圖3-1開關(guān)電源主電路3.2主電路元器件的計(jì)算與選型3.2.

12、1 變壓器的選擇 1）原副邊電壓比n 電壓比計(jì)算的原則是電路在最大占空比和最低輸入電壓的條件下，輸出電壓能達(dá)到要求的上限，公式如下： nViminDmax/(Vomax V) 式中 V 為電路中的壓降，一般取 2V，取 Vimin130V，代入上式得 n0.42 。 2）磁芯的選取與變壓器的結(jié)構(gòu)目前變壓器較為簡潔常用的設(shè)計(jì)方法是Ap法?？筛鶕?jù)下面公式選取合適的磁芯： AP=AeAWPt/（2f Bk cj） 式中，Ae為磁芯截面積；Aw為磁芯的窗口截面積；Pt為變壓器傳輸?shù)目偣β?；f為開關(guān)頻率；B 為磁芯材料所允許的最大磁通擺幅； kc 為繞組的窗口填充系數(shù)j 為導(dǎo)線的電流密度。在這里有 PT

13、=800×（11/0.85）, 0.85 為效率，里B 取 0.2T， kc 取 0.4，j一般取 4A/mm2。查有關(guān)磁芯手冊，查得 EE55 磁芯，其 Ae=353mm2，Aw=280mm2，則其Ap=98840mm4?？紤]到留有一定的裕量使電源更可靠地工作，這里采用兩個(gè)磁芯組合而成。 由于變壓器傳輸?shù)墓β瘦^大，寄生參數(shù)對其影響很大。所以變壓器的繞制方法很重要，否則會引起變壓器的性能下降。為了減小漏感，這里采用治繞法。同時(shí)，為了減小高頻噪音和變壓器的分布電容，原副邊之間加入屏蔽層。 3）變壓器初、次級匝數(shù) 為了保證在任何條件下磁芯不飽和，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照最大伏秒面積計(jì)算匝數(shù)

14、。因?yàn)殡娐分须妷旱牟ㄐ味际欠讲ǎ宰畲蠓朊娣e的計(jì)算可以簡化為電壓和脈沖寬度的乘積。通常計(jì)算二次側(cè)最大伏秒面積較為方便。對半橋電路有： N2=vo/（2BAefs ） ，N1 =n×N2 代入數(shù)值計(jì)算得，變壓器的次級匝數(shù)為 30.6 匝，實(shí)際電路中取 35 匝，由原副邊電壓比 n 可計(jì)算得到變壓器的初次級匝數(shù)為 15 匝。4） 確定繞組的導(dǎo)線線徑和導(dǎo)線股數(shù)在選用繞組的導(dǎo)線線徑，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)。為了更有效的利用導(dǎo)線，減小集膚效應(yīng)的影響，一般要求導(dǎo)線線徑小于兩倍穿透深度，即應(yīng)選用線徑 r 小于 20.42mm2的銅導(dǎo)線1。在此采用 0.31mm線徑的導(dǎo)線多股并繞。原、副邊導(dǎo)線的截

15、面積分別為：AC1=Iomax/jn=4/4=0.428mm2 ， AC2=Iomax/j=4/4=1mm2 單股線面積為： 3.14×0.31×0.31/4=0.0754mm2 計(jì)算原邊和副邊的導(dǎo)線股數(shù)分別為： 1/0.0754=13.26 （股） ，0.428/0.0754=5.67（股）3.2.2 變壓器二次側(cè)整流二極管的設(shè)計(jì)1）額定電壓變壓器副邊是雙半波整流電路，加在整流二極管上的反相電壓為在整流開關(guān)時(shí)，有一定的電壓振蕩，因此要考慮2倍裕量可以選用2*123V=246V的整流管。2）額定電流在雙半波整流電路中，在一個(gè)開關(guān)周期，整流管的開關(guān)情況是：當(dāng)變壓器副邊有電壓時(shí)

16、，只有一個(gè)整流管導(dǎo)通；當(dāng)變壓器副邊電壓為零時(shí)，兩個(gè)整流管同時(shí)導(dǎo)通，可近似認(rèn)為它們流過的電流相等，即為平均負(fù)載電流的一半，可近似計(jì)算整流管的電流為：整流管中流過的最大電流為：3.2.2 開關(guān)管的選擇交流輸入電壓的最大值為260V，整流濾波后的直流電壓的最大值為368V。所以功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)最大漏極電壓為368V，應(yīng)選擇耐壓在600V以上的功率開關(guān)管。輸出濾波電感電流的最大值為5A，那么變壓器原邊電流最大值為5A/6=0.83A，這也是功率開關(guān)管中流過的最大電流?？紤]到2倍余量2*0.83A=1.6A3.2.3二極管的選擇設(shè)輸入交流電壓為：則經(jīng)過橋式整流后的平均電壓為：二極管兩端承受的最大反相電壓

17、為：所以根據(jù)實(shí)際情況即可選擇整流二極管：IN4007 如圖3-2為半橋電路所接的二極管圖3-2半橋電路3.3 主電路保護(hù)設(shè)計(jì)控制電路是電源電路中工作電壓最低的地方，在主電路中的正常和非正常電壓或電流都可能破壞控制電路。所以控制電路的保護(hù)和其與主電路的隔離至關(guān)重要。在控制電路中要作好過電壓、過電流和電壓尖峰三種情況的防護(hù)，保護(hù)控制電路不受損壞。保護(hù)電路是開關(guān)電源中必不可少的補(bǔ)充，在這個(gè)電路中采用了輸入過流保護(hù)、輸出過流保護(hù)、過熱保護(hù)等。輸入過流保護(hù)是通過在原邊主電路中串入小磁環(huán)，小磁環(huán)感應(yīng)電壓輸出經(jīng)過整流橋?qū)㈦娏餍盘栟D(zhuǎn)為電壓信號（plp）經(jīng)一個(gè)三極管接至軟啟動(dòng)8腳，當(dāng)原邊電流大于設(shè)定值即plp高

18、于0.7v時(shí)則將8腳電壓拉低，關(guān)斷3525的PWM的輸出從而保護(hù)電路。第4章 單元電路設(shè)計(jì)與分析4.1 控制電路芯片介紹控制電路的核心是根據(jù)反饋控制原理，將期望輸出電壓信號與實(shí)際輸出電壓信號進(jìn)行比較，利用誤差信號對功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際輸出電壓維持在期望輸出電壓附近的目標(biāo)。本課題選用SG3525芯片做集成控制器。PWM控制芯片SG3525 具體的部引腳結(jié)構(gòu)如圖1與圖2所示。其中腳16 為SG3525 的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.1±1）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳5、腳6、腳7 有一個(gè)雙門限比較器，設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電

19、容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 與腳2 分別為芯片部誤差放大器 的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB 左右。 根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9 和腳1 之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 如圖4-1所示為SG3525引腳圖圖1SG3525引腳圖如圖2為SG3525的部框圖圖2SG3525的部框圖4.2控制功能單元電路設(shè)計(jì)控制電路是開關(guān)電源的核心部分，控制環(huán)節(jié)的好壞直接影響電路的整體性能，在這個(gè)電路中采用的是以SG3525芯片為核心的控制電路。如圖2所示,采用恒頻脈寬調(diào)制控制方式。誤差放大

20、器的輸入信號是電壓反饋信號,是由輸出電壓經(jīng)分壓電路獲取,與普通誤差放大器的接法不同的是該電壓反饋接成射極跟隨器形式，反饋信號比較精確，因而可以精確地控制占空比調(diào)節(jié)輸出電壓，提高了穩(wěn)壓精度。SG3525芯片振蕩頻率的設(shè)定圍為100 500 kHz, 芯片的腳5 和腳7 間串聯(lián)一個(gè)電阻Rd 就可以在較大圍調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。 SG3525的振蕩頻率可表示為2：f s =1/(CT (0.7RT + 3R d) 式中: CT , RT 分別是與腳5、腳6 相連的振蕩器的電容和電阻; R d 是與腳7 相連的放電端電阻值。此處CT 、 RT 、R d分別為圖中的C53、R47、R48，取值分別為2200p、

21、10k、100，即頻率為62khz。 管腳8 接一個(gè)電容的作用是用來軟啟動(dòng)， 減少功率開關(guān)管的開機(jī)沖擊。11 和14 腳輸出采用圖騰柱輸出,本電路采用外加驅(qū)動(dòng)隔離電路，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力和電源的可靠性。保護(hù)電路是開關(guān)電源中必不可少的補(bǔ)充，在這個(gè)電路中采用了輸入過流保護(hù)、輸出過流保護(hù)、過熱保護(hù)等。輸入過流保護(hù)是通過在原邊主電路中串入小磁環(huán)，小磁環(huán)感應(yīng)電壓輸出經(jīng)過 整流橋?qū)㈦娏餍盘栟D(zhuǎn)為電壓信號（plp）經(jīng)一個(gè)三極管接至軟啟動(dòng)8腳，當(dāng)原邊電流大于設(shè)定值即plp高于0.7v時(shí)則將8腳電壓拉低， 關(guān)斷3525的PWM的輸出從而保護(hù)電路。如圖4-2為控制電路圖4-2 控制電路4.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的目的是去除驅(qū)動(dòng)電路的毛刺和對高功率管MOSFET的柵極起保護(hù)作用。本電路采用外加驅(qū)動(dòng)隔離電路，輸出采用圖騰柱輸出,增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力和電源的可靠性。驅(qū)動(dòng)隔離電路如圖4-3 所示。圖4-3 驅(qū)動(dòng)隔離電路第5章 總結(jié)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。開關(guān)電源技術(shù)運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種用電要求。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)