SG3525脉宽调制高频开关稳压电源设计.docx

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SG3525脉宽调制高频开关稳压电源设计

湖南工程学院

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

指导教师赵葵银

2014年12月22日

湖南工程学院

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：

学生姓名：

学号：

指导老师：

赵葵银

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

设计内容与设计要求

一．设计内容：

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20~50KHz地高频交流，再经高频整流与滤波，得到所需地直流；

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）功率变换电路中地高频开关器件采用IGBT或MOSFET.

4）系统具有完善地保护

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）主电路元器件地计算及选型

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地工作原理，并给出必要地波形分析.

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：

5A

3）电压调整率：

≤1%

4）负载调整率：

≤1%

5）效率：

≥0.8

6）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、实验及仿真等.

7．总结与体会；

8．附录（完整地总电路图）；

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:

课题内容介绍和查找资料；

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：

电路原理及波形分析、实验调试及仿真等

星期四~五:

写设计报告，打印相关图纸；

星期五下午:

答辩及资料整理

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．机械工业出版社，1998.

2．王兆安，黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000.

3．浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000.

4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000.

5．郑琼林，耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996.

6．刘定建，朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996.

7．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.

8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999.

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......................................................................................3

3.1主电路结构设计.......................................................................3

3.2主电路元器件地计算及选型...................................................4

3.3主电路保护设计.......................................................................7

第4章单元电路设计与分析......................................................................8

4.1控制电路芯片介绍...................................................................8

4.2控制功能单元电路设计...........................................................9

4.3驱动电路地设计....................................................................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地时间比率，维持稳定输出电压地一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成.随着电力电子技术地发展和创新，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、轻量和高效率地特点被广泛应用于以电子计算机为主导地各种终端设备、通信设备等几乎所有地电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少地一种电源方式.

电源装置是电力电子技术应用地一个重要领域,在现代地各种电力设备中都得到里广泛地应用.特别是在小型及各种家用电器和电子设备中大量使用了各种AC—DC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地应用.本课题是设计一种基于SG3525PWM控制芯片为核心构成地高频开关电源电路.

SG3525芯片能同时满足较好地电气性能和较低地成本,因而被广泛用于小功率开关电源.用其作为PWM控制芯片组成地电路具有结构简单、体积小、容易实现地特点.实验表明由该PWM控制芯片控制地开关电源地性能可同集成稳压器媲美,效率比线性稳压电源高,有很好地发展前景.

电子电源微处理器监控，电源系统内部通信，电源系统智能化技术以及电力电子系统地集成化与封装技术.总之，开发高功率密度，高效率，高性能，高可靠性以及智能化电源系统仍然是今后开关电源技术地发展方向.

第2章系统总体方案确定

本课题地任务是基于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地交流电初步转换成直流电，该直流电地电压U与公网电压相同，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.

交流电地频率与逆变电路中开关管Q地导通频率相同，开关管地导通是由SG3525PWM控制芯片决定地.逆变后地高频交流经过由变压器副边线圈、续流二极管和电容组成地LCD电路就可得到所需地直流电.其输出电压地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地交流电压不是一成不变地，为了得到稳定地直流电，只能对占空比d进行不断地调整.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、在整流滤波地方法，该电源在开环时，它地负载特性较差，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输出信号地占空比，以维持电源地输出直流电压在一定地范围内保持不变，达到了稳压地效果.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、开关速度快及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地中点,另一端接在Q1、Q2地公共连接端,Q1、Q2中点地电压等于整流后直流电压地一半,开关Q1、Q2交替导通就在变压器地次级形成幅值为Vi/2地交流方波电压.通过调节开关管地占空比,就能改变变压器二次侧整流输出平均电压Vo.Q1、Q2断态时承受地峰电压均为Vi，由于电容地隔直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成地变压器一次电压地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地问题，无须另加隔直电容变压器原边并联地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

逆变电路采用地电力电子器件为美国IR公司生产地全控型电力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0.4Ω.两只MOSFET管与两只电容C1、C2组成一个逆变桥，在两路PWM信号地控制下实现了逆变，将直流电压变换为脉宽可调地交流电压，并在桥臂两端输出开关频率约为26KHz、占空比可调地矩形脉冲电压.然后通过降压、整流、滤波后获得可调地直流电源电压输出.该电源在开环时，它地负载特性较差，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输出信号地占空比，以维持电源地输出直流电压在一定地范围内保持不变，达到了稳压地效果.

图3-1开关电源主电路

3.2主电路元器件地计算及选型

3.2.1变压器地选择

1）原副边电压比n

电压比计算地原则是电路在最大占空比和最低输入电压地条件下，输出电压能达到要求地上限，公式如下：

n≤ViminDmax/（Vomax＋V）△式中V△为电路中地压降，一般取2V，取Vimin＝130V，代入上式得n＝0.42.

2）磁芯地选取及变压器地结构

目前变压器较为简洁常用地设计方法是Ap法.可根据下面公式选取合适地磁芯：

AP=AeAW≥Pt/（2fBk△cj）式中，Ae为磁芯截面积；Aw为磁芯地窗口截面积；Pt为变压器传输地总功率；f为开关频率；△B为磁芯材料所允许地最大磁通摆幅；kc为绕组地窗口填充系数j为导线地电流密度.在这里有PT=800×（1＋1/0.85）,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.考虑到留有一定地裕量使电源更可靠地工作，这里采用两个磁芯组合而成.由于变压器传输地功率较大，寄生参数对其影响很大.所以变压器地绕制方法很重要，否则会引起变压器地性能下降.为了减小漏感，这里采用三明治绕法.同时，为了减小高频噪音和变压器地分布电容，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.因为电路中电压地波形都是方波，所以最大伏－秒面积地计算可以简化为电压和脉冲宽度地乘积.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=n×N2代入数值计算得，变压器地次级匝数为30.6匝，实际电路中取35匝，由原副边电压比n可计算得到变压器地初次级匝数为15匝.

4）确定绕组地导线线径和导线股数

在选用绕组地导线线径，要考虑导线地集肤效应.为了更有效地利用导线，减小集肤效应地影响，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2△＝0.42mm2地铜导线[1].在此采用0.31mm线径地导线多股并绕.原、副边导线地截面积分别为：

AC1=Iomax/jn=4/4=0.428mm2，AC2=Iomax/j=4/4=1mm2单股线面积为：

3.14×0.31×0.31/4=0.0754mm2计算原边和副边地导线股数分别为：

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地设计

1）额定电压

变压器副边是双半波整流电路，加在整流二极管上地反相电压为

在整流开关时，有一定地电压振荡，因此要考虑2倍裕量可以选用2*123V=246V地整流管.

2）额定电流

在双半波整流电路中，在一个开关周期内，整流管地开关情况是：

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地电流相等，即为平均负载电流地一半，可近似计算整流管地电流为：

整流管中流过地最大电流为：

3.2.2开关管地选择

交流输入电压地最大值为260V，整流滤波后地直流电压地最大值为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以上地功率开关管.输出滤波电感电流地最大值为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地最大电流.考虑到2倍余量2*0.83A=1.6A

3.2.3二极管地选择

设输入交流电压为：

则经过桥式整流后地平均电压为：

二极管两端承受地最大反相电压为：

所以根据实际情况即可选择整流二极管：

IN4007

如图3-2为半桥电路所接地二极管

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地地方，在主电路中地正常和非正常电压或电流都可能破坏控制电路.所以控制电路地保护和其与主电路地隔离至关重要.在控制电路中要作好过电压、过电流和电压尖峰三种情况地防护，保护控制电路不受损坏.保护电路是开关电源中必不可少地补充，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地PWM地输出从而保护电路.

第4章单元电路设计与分析

4.1控制电路芯片介绍

控制电路地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地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地目标.本课题选用SG3525芯片做集成控制器.

PWM控制芯片SG3525具体地内部引脚结构如图1及图2所示.其中脚16为SG3525地基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路.脚5、脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接地电阻电容电路共同构成SG3525地振荡器.振荡器还设有外同步输入端（脚3）.脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器地反相输入端、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.根据系统地动态、静态特性要求，在误差放大器地输出脚9和脚1之间一般要添加适当地反馈补偿网络.如图4-1所示为SG3525引脚图

图1SG3525引脚图

如图2为SG3525地内部框图

图2SG3525地内部框图

4.2控制功能单元电路设计

控制电路是开关电源地核心部分，控制环节地好坏直接影响电路地整体性能，在这个电路中采用地是以SG3525芯片为核心地控制电路.如图2所示,采用恒频脉宽调制控制方式.误差放大器地输入信号是电压反馈信号,是由输出电压经分压电路获取,与普通误差放大器地接法不同地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芯片振荡频率地设定范围为100～500kHz,芯片地脚5和脚7间串联一个电阻Rd就可以在较大范围内调节死区时间.SG3525地振荡频率可表示为[2]：

fs=1/（CT（0.7RT+3Rd））式中:

CT,RT分别是与脚5、脚6相连地振荡器地电容和电阻。

Rd是与脚7相连地放电端电阻值.此处CT、RT、Rd分别为图中地C53、R47、R48，取值分别为2200p、10k、100，即频率为62khz.管脚8接一个电容地作用是用来软启动，减少功率开关管地开机冲击.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地可靠性.保护电路是开关电源中必不可少地补充，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地PWM地输出从而保护电路.如图4-2为控制电路

图4-2控制电路

4.3驱动电路地设计

设计驱动电路地目地是去除驱动电路地毛刺和对高功率管MOSFET地栅极起保护作用.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地可靠性.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

随着电力电子技术地发展和创新，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、轻量和高效率地特点被广泛应用于以电子计算机为主导地各种终端设备、通信设备等几乎所有地电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少地一种电源方式.因此对开关电源地了解很有必要.而本次课程设计正是基于SG3525地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地脉宽调制高频开关稳压电源地设计.SG3525是一个以前学习中没有接触过地芯片，而且电路地设计中还要有各种保护和检测电路，可以说是比较复杂地，因此需要自己去学习这个芯片地功能、内部结构、应用等等.通过查找SG3525和电路范例地过程扩展了自己地视野，在网络时代里，我们应该有效地利用好这一资源.这次地课程设计地完成，网络提供了很大地助力.而通过这两周地课程设计，让我把这学期学习地《电力电子技术》这门课能够很好地梳理了一遍，将所学地内容连贯起来，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，感谢赵葵银老师布置任务之前提供给我们地相关文献资料，这些资料很有针对性这让我们省了不少去网上搜索地时间，此外，感谢赵老师为我们这组耐心讲解MicrosoftVision软件地使用，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

及格

差

设计方案合理性与创造性（10%）

硬件设计及调试情况（20%）

参数计算及设备选型情况*（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：

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日期：

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注：

①表中标*号工程是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

②此表装订在课程设计说明书地最后一页.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大小地图纸及程序清单）.