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，美國硅通用半導(dǎo)體公司推出了SG3525，以用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。其性能特點如下：

　　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)時間可調(diào)。為了適應(yīng)驅(qū)動快速場效應(yīng)管的需要，末級采用推拉式工作電路，使開關(guān)速度更陜，末級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)有軟啟動電路。比較器的反相輸入端即軟啟動控制端芯片的引腳8，可外接軟啟動電容。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的所有的跳動和振蕩信號消除。只有在下一個時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，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；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輸入端?；蚍情T的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出互補，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)時間，保證VT1及VT2不同時導(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

　　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)生兩路反向方波來控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)閉，MOSFET驅(qū)動采用推挽方式，本設(shè)計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，在輸出點上有分壓電阻給TL431提供參考電壓，并通過光電隔離反饋到SG3525，以調(diào)節(jié)控制輸出方波占空比來穩(wěn)定輸出電壓。由于本設(shè)計采用推挽式功率變換電路，在輸入回路中僅有一個開關(guān)的通態(tài)壓降，而半橋和全橋電路有2個，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合，這也是本設(shè)計為什么采用推挽變換器的原因。其中的變壓器可同時實現(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

　　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，所以次級繞組電壓幅值Up2取5．6V，最大工作比α=0．45，次級繞組峰值電流Ip2=1 A，次

　　(變壓器效率η取為1，這個效率不包括整流二極管在內(nèi))，取工作磁感應(yīng)強度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(初選時取0．2～0．3)，實際計算是取Km=0．2 5，則計算面積乘積

　　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，其功率容量已足夠大。繞組匝數(shù)計算如下：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)動電路設(shè)計

　　采用SG3525集成PWM控制器作為控制芯片，它的外圍電路簡單。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)計取CT=4700pF，RT=3．3kΩ，RD=100Ω，經(jīng)計算振蕩器輸出頻率是90kHz，PWM輸出頻率定為45kHz。軟啟動電容接入端(引腳8)接一個lμF的軟啟動電容。只有軟啟動電容充電使引腳8處于高電平時，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腳鋸齒波和軟啟動電容一起可控制PWM控制器以產(chǎn)生方波。它的輸出級ll、14腳輸出兩路互補的PWM波，采用圖騰柱式結(jié)構(gòu)，灌拉電流能力超過200mA，可以直接驅(qū)動MOSFET管，只需加一門級電阻即可。在本設(shè)計選用的是IR公司生產(chǎn)的IRF630。其具體設(shè)計電路如原理圖中所示。

　　2．3 反饋補償電路設(shè)計

　　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電阻任意設(shè)置到Vref(2．5V)到36V范圍內(nèi)。該器件的典型動態(tài)阻抗為0．2Ω。用它來構(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不僅可以起到反饋作用，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，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，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

　　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L1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)計如原理圖所示。

　　3 實驗波形和實驗數(shù)據(jù)

　　圖4是滿載時輸出波形，從圖中可以看出，滿載時+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MOSFET漏一源極電壓波形(衰減lO倍后)，可以看出此時占空比最大約為45%。

　　為了驗證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實驗中記錄了不同負(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)較好地實現(xiàn)了穩(wěn)壓。

　　4 結(jié)束語

　　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)計方案，特別適用于低壓輸入的場合。整個系統(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)實驗證明，它結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，成本低廉，而且重量輕、體積小，具有很大的實用潛力。