SG3525脉宽调制高频开关稳压电源设计说明

. . . . 工程学院课程设计 课程名称 电力电子技术 课题名称SG3525脉宽调制高频开关稳压电源设计 专业 班级 学号 姓名 指导教师葵银 2014年12月22 日 14 / 23工程学院课程设计任务书 课程名称： 电力电子技术 题目：SG3525脉宽调制高频开关稳压电源设计 专业班级： 学生：学号： 指导老师：葵银 审 批：任务书下达日期 2014 年 12 月 22 日设计完成日期 2014 年 12 月 29 日 设计容与设计要求一 设计容：1 电路功能：1） 电网工频交流先整流为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到2050KHz的高频交流，再经高频整流与滤波，得到所需的直流；2） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：工频整流滤波、功率变换（高频逆变）、高频整流滤波。控制电路主要环节：脉冲发生电路、脉宽调制PWM、电压电流检测单元、驱动电路。3） 功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。4） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算与选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1） 检测电路设计2） 功能单元电路设计3） 触发电路设计4） 控制电路参数确定二 设计要求：1 用SG3525产生脉冲。2 设计思路清晰，给出整体设计框图；3 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；4 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。5 绘制总电路图6 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参数1） 输入输出电压：单相（AC）220（1+15%）、15V（DC）2） 输出电流：5A3） 电压调整率：1%4） 负载调整率：1%5） 效率：0.86）功率因数：0.8 2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验与仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；11、课程设计成绩评分表 进 度 安 排第一周星期一:课题容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理与波形分析、实验调试与仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩与资料整理 参 考 文 献1石玉，栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业，1998. 2王兆安，黄俊电力电子技术（第4版）机械工业，2000.3浣喜明，为正电力电子技术高等教育，2000.4莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业，2000.5琼林，耿学文电力电子电路精选机械工业，1996.6定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业，1996.7祖润，胡俊达毕业设计指导机械工业，1995.8星平电力电子技术与电力拖动自动控制系统校，1999.目录第1章 概述.1第2章 系统总体方案确定.2第3章 主电路设计.33.1 主电路结构设计.33.2 主电路元器件的计算与选型.43.3 主电路保护设计.7第4章 单元电路设计与分析.84.1 控制电路芯片介绍.84.2 控制功能单元电路设计.9 4.3 驱动电路的设计.11 第5章 总结.12 附录 评分表第1章 概述开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。开关电源技术运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。 电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域,在现代的各种电力设备中都得到里广泛的应用。特别是在小型与各种家用电器和电子设备量使用了各种ACDC转化电路，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻等突出优点而得到最为广泛的应用。本课题是设计一种基于SG3525 PWM控制芯片为核心构成的高频开关电源电路。SG3525芯片能同时满足较好的电气性能和较低的成本,因而被广泛用于小功率开关电源。用其作为PWM控制芯片组成的电路具有结构简单、体积小、容易实现的特点。实验表明由该PWM控制芯片控制的开关电源的性能可同集成稳压器媲美,效率比线性稳压电源高,有很好的发展前景。电子电源微处理器监控，电源系统部通信，电源系统智能化技术以与电力电子系统的集成化与封装技术。总之，开发高功率密度，高效率，高性能，高可靠性以与智能化电源系统仍然是今后开关电源技术的发展方向。第2章 系统总体方案确定本课题的任务是基于SG3525PWM控制芯片为核心构成开关稳压电源。整流滤波环节是把从公网上输入的交流电初步转换成直流电，该直流电的电压U 与公网电压一样，并不符合设计要求。还要再经过逆变和高频整流滤波环节才能用于设备。交流电的频率与逆变电路中开关管Q 的导通频率一样，开关管的导通是由SG3525 PWM控制芯片决定的。逆变后的高频交流经过由变压器副边线圈、续流二极管和电容组成的LCD电路就可得到所需的直流电。其输出电压的大小由变压器原副边匝比n、占空比d 和输入电压U 来决定。在转化过程中公网中的交流电压不是一成不变的，为了得到稳定的直流电，只能对占空比d进行不断的调整。故加入电压检测电路，并把检测结果送入脉宽调制中构成负反馈。即主电路采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、在整流滤波的方法，该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控 制 PWM 输出信号的占空比， 以维持电源的输出直流电压在一定的围保持不变，达到了稳压的效果。其总设计框图如图2-1所示。图2-1 总设计框图第3章 主电路设计3.1主电路结构设计半桥式开关电源主电路如图3-1所示。图中开关管Q1、Q2 选用MOSFET, 因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快与安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管Q1、Q2 组成, 另一个桥臂由电容C6、C7 组成。高频变压器初级一端接在C6、C7 的中点, 另一端接在Q1、Q2 的公共连接端, Q1、Q2 中点的电压等于整流后直流电压的一半,开关Q1、Q2 交替导通就在变压器的次级形成幅值为V i/2的交流方波电压。通过调节开关管的占空比, 就能改变变压器二次侧整流输出平均电压V o。Q1、Q2断态时承受的峰电压均为V i，由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容变压器原边并联的R2、C5组成RC吸收电路，用来吸收高频尖峰。在半桥电路中，占空比定义为：D=2ton/Ts逆变电路采用的电力电子器件为美国IR公司生产的全控型电力MOSFET管，其型号为IRFP450,主要参数为：额定电流16A,额定耐压500V，通态电阻0.4。两只MOSFET管与 两只电容C1、C2组成一个逆变桥，在两路PWM信号的控制下实现了逆变，将直流电压变换为脉宽可调的交流电压，并在桥臂两端输出开关频率约为26KHz、占空比可调的矩形脉冲电压。然后通过降压、整流、滤波后获得可调的直流电源电压输出。该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控制PWM输出信号的占空比，以维持电源的输出直流电压在一定的围保持不变，达到了稳压的效果。图3-1开关电源主电路3.2主电路元器件的计算与选型3.2.1 变压器的选择 1）原副边电压比n 电压比计算的原则是电路在最大占空比和最低输入电压的条件下，输出电压能达到要求的上限，公式如下： nViminDmax/(Vomax V) 式中 V 为电路中的压降，一般取 2V，取 Vimin130V，代入上式得 n0.42 。 2）磁芯的选取与变压器的结构目前变压器较为简洁常用的设计方法是Ap法。可根据下面公式选取合适的磁芯： AP=AeAWPt/（2f Bk cj） 式中，Ae为磁芯截面积；Aw为磁芯的窗口截面积；Pt为变压器传输的总功率；f为开关频率；B 为磁芯材料所允许的最大磁通摆幅； kc 为绕组的窗口填充系数j 为导线的电流密度。在这里有 PT=800（11/0.85）, 0.85 为效率，里B 取 0.2T， kc 取 0.4，j一般取 4A/mm2。查有关磁芯手册，查得 EE55 磁芯，其 Ae=353mm2，Aw=280mm2，则其Ap=98840mm4。考虑到留有一定的裕量使电源更可靠地工作，这里采用两个磁芯组合而成。 由于变压器传输的功率较大，寄生参数对其影响很大。所以变压器的绕制方法很重要，否则会引起变压器的性能下降。为了减小漏感，这里采用治绕法。同时，为了减小高频噪音和变压器的分布电容，原副边之间加入屏蔽层。 3）变压器初、次级匝数为了保证在任何条件下磁芯不饱和，设计时应按照最大伏秒面积计算匝数。因为电路中电压的波形都是方波，所以最大伏秒面积的计算可以简化为电压和脉冲宽度的乘积。通常计算二次侧最大伏秒面积较为方便。对半桥电路有： N2=vo/（2BAefs ） ，N1 =nN2 代入数值计算得，变压器的次级匝数为 30.6 匝，实际电路中取 35 匝，由原副边电压比 n 可计算得到变压器的初次级匝数为 15 匝。4） 确定绕组的导线线径和导线股数在选用绕组的导线线径，要考虑导线的集肤效应。为了更有效的利用导线，减小集肤效应的影响，一般要求导线线径小于两倍穿透深度，即应选用线径 r 小于 20.42mm2的铜导线1。在此采用 0.31mm线径的导线多股并绕。原、副边导线的截面积分别为：AC1=Iomax/jn=4/4=0.428mm2 ， AC2=Iomax/j=4/4=1mm2 单股线面积为： 3.140.310.31/4=0.0754mm2 计算原边和副边的导线股数分别为： 1/0.0754=13.26 （股） ，0.428/0.0754=5.67（股）3.2.2 变压器二次侧整流二极管的设计1）额定电压变压器副边是双半波整流电路，加在整流二极管上的反相电压为在整流开关时，有一定的电压振荡，因此要考虑2倍裕量可以选用2*123V=246V的整流管。2）额定电流在双半波整流电路中，在一个开关周期，整流管的开关情况是：当变压器副边有电压时，只有一个整流管导通；当变压器副边电压为零时，两个整流管同时导通，可近似认为它们流过的电流相等，即为平均负载电流的一半，可近似计算整流管的电流为：整流管中流过的最大电流为：3.2.2 开关管的选择交流输入电压的最大值为260V，整流滤波后的直流电压的最大值为368V。所以功率开关管关断时最大漏极电压为368V，应选择耐压在600V以上的功率开关管。输出滤波电感电流的最大值为5A，那么变压器原边电流最大值为5A/6=0.83A，这也是功率开关管中流过的最大电流。考虑到2倍余量2*0.83A=1.6A3.2.3二极管的选择设输入交流电压为：则经过桥式整流后的平均电压为：二极管两端承受的最大反相电压为：所以根据实际情况即可选择整流二极管：IN4007 如图3-2为半桥电路所接的二极管图3-2半桥电路3.3 主电路保护设计控制电路是电源电路中工作电压最低的地方，在主电路中的正常和非正常电压或电流都可能破坏控制电路。所以控制电路的保护和其与主电路的隔离至关重要。在控制电路中要作好过电压、过电流和电压尖峰三种情况的防护，保护控制电路不受损坏。保护电路是开关电源中必不可少的补充，在这个电路中采用了输入过流保护、输出过流保护、过热保护等。输入过流保护是通过在原边主电路中串入小磁环，小磁环感应电压输出经过整流桥将电流信号转为电压信号（plp）经一个三极管接至软启动8脚，当原边电流大于设定值即plp高于0.7v时则将8脚电压拉低，关断3525的PWM的输出从而保护电路。第4章 单元电路设计与分析4.1 控制电路芯片介绍控制电路的核心是根据反馈控制原理，将期望输出电压信号与实际输出电压信号进行比较，利用误差信号对功率开关器件的导通与关断比例进行调节，从而实现实际输出电压维持在期望输出电压附近的目标。本课题选用SG3525芯片做集成控制器。PWM控制芯片SG3525 具体的部引脚结构如图1与图2所示。其中脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.11）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5、脚6、脚7 有一个双门限比较器，设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 与脚2 分别为芯片部误差放大器 的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。 根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。 如图4-1所示为SG3525引脚图图1SG3525引脚图如图2为SG3525的部框图图2SG3525的部框图4.2控制功能单元电路设计控制电路是开关电源的核心部分，控制环节的好坏直接影响电路的整体性能，在这个电路中采用的是以SG3525芯片为核心的控制电路。如图2所示,采用恒频脉宽调制控制方式。误差放大器的输入信号是电压反馈信号,是由输出电压经分压电路获取,与普通误差放大器的接法不同的是该电压反馈接成射极跟随器形式，反馈信号比较精确，因而可以精确地控制占空比调节输出电压，提高了稳压精度。SG3525芯片振荡频率的设定围为100 500 kHz, 芯片的脚5 和脚7 间串联一个电阻Rd 就可以在较大围调节死区时间。 SG3525的振荡频率可表示为2：f s =1/(CT (0.7RT + 3R d) 式中: CT , RT 分别是与脚5、脚6 相连的振荡器的电容和电阻; R d 是与脚7 相连的放电端电阻值。此处CT 、 RT 、R d分别为图中的C53、R47、R48，取值分别为2200p、10k、100，即频率为62khz。 管脚8 接一个电容的作用是用来软启动， 减少功率开关管的开机冲击。11 和14 脚输出采用图腾柱输出,本电路采用外加驱动隔离电路，增强了驱动能力和电源的可靠性。保护电路是开关电源中必不可少的补充，在这个电路中采用了输入过流保护、输出过流保护、过热保护等。输入过流保护是通过在原边主电路中串入小磁环，小磁环感应电压输出经过 整流桥将电流信号转为电压信号（plp）经一个三极管接至软启动8脚，当原边电流大于设定值即plp高于0.7v时则将8脚电压拉低， 关断3525的PWM的输出从而保护电路。如图4-2为控制电路图4-2 控制电路4.3驱动电路的设计设计驱动电路的目的是去除驱动电路的毛刺和对高功率管MOSFET的栅极起保护作用。本电路采用外加驱动隔离电路，输出采用图腾柱输出,增强了驱动能力和电源的可靠性。驱动隔离电路如图4-3 所示。图4-3 驱动隔离电路第5章 总结随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。开关电源技术运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。因此对开关电源的了解很有必要。而本次课程设计正是基于SG3525的脉宽调制高频开关稳压电源设计。这次课程设计我通过查找并阅读相关资料完成了基于SG3525的脉宽调制高频开关稳压电源的设计。SG3525是一个以前学习中没有接触过的芯片，而且电路的设计中还要有各种保护和检测电路，可以说是比较复杂的，因此需要自己去学习这个芯片的功能、部结构、应用等等。通过查找SG3525和电路例的过程扩展了自己的视野，在网络时代里，我们应该有效的利用好这一资源。这次的课程设计的完成，网络提供了很大的助力。而通过这两周的课程设计，让我把这学期学习的电力电子技术这门课能够很好的梳理了一遍，将所学的容连贯起来，让我学完这门课再回过头去咀嚼整流电路，逆变，开关电源，PWM控制等等。最后，感葵银老师布置任务之前提供给我们的相关文献资料，这些资料很有针对性这让我们省了不少去网上搜索的时间，此外，感老师为我们这组耐心讲解Microsoft Vision软件的使用，使我们获益匪浅。附录电气信息学院课程设计评分表项 目评 价优良中与格差设计方案合理性与创造性（10%）硬件设计与调试情况（20%）参数计算与设备选型情况*(10%)设计说明书质量(20%)答辩情况(10%)完成任务情况(10%)独立工作能力(10%)出勤情况(10%)综 合 评 分指导教师签名：_ 日 期：_ 注：表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填容；此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸与程序清单）。