王曉鋒，王京梅，孫 俊，李 莉

(電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川成都 610054)

隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET被廣泛應(yīng)用于開關(guān)變換器中。為此，美國硅通用半導(dǎo)體公司(Silicon General)推出了SG3525，以用于驅(qū)動n溝道功率MOSFET。SG3525是電流控制型PWM控制器，可在其脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，開關(guān)電源無論是電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。介紹了由SG3525芯片為控制核心的500 W高頻開關(guān)電源模塊，該電源模塊可應(yīng)用于車載逆變電源的前級升壓。

1 SG3525的結(jié)構(gòu)特性

SG3525脈寬調(diào)制控制器［1］，不僅具有可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制功能，而且還具有可編式軟起動，脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。通過調(diào)節(jié)SG3525第5腳上CT的電容和第6腳RT上的電阻就可以改變輸出控制信號PWM的頻率，調(diào)節(jié)第9腳COMP的電壓可以改變輸出脈寬，這些功能可以改善開關(guān)電源的動態(tài)性能和簡化控制電路的設(shè)計(jì)。

1.1 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟起動電路和輸出電路構(gòu)成。

1.2 欠壓鎖定功能

基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的輸入電壓為15腳的輸入電壓VC，當(dāng)VC低于8 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的輸出精度值就得不到保證，由于設(shè)置了欠壓鎖定電路，當(dāng)出現(xiàn)欠壓時(shí)，欠壓鎖定器輸出一個(gè)高電平信號，再經(jīng)過或非門輸出轉(zhuǎn)化為一個(gè)低電平信號輸出到T1和T5的基極，晶體管T1和T5關(guān)斷，SG3525的13腳輸出為VC，11腳和14腳無脈沖輸出，功率驅(qū)動電路輸出至功率場效應(yīng)管的控制脈沖消失，變換器無電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定保護(hù)的目的。

1.3 系統(tǒng)故障關(guān)閉功能

圖1 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)

集成控制器SG3525內(nèi)部的T3晶體管基極經(jīng)一個(gè)電阻連接10引腳。當(dāng)系統(tǒng)過流時(shí)，過流保護(hù)保護(hù)電路將輸送給10腳一個(gè)高電平，由于T3基極與兩個(gè)或非門相連，故障信號產(chǎn)生的關(guān)閉過程與欠電壓鎖定過程類似。在電路中，過流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號到與門的輸入端，當(dāng)出現(xiàn)過流信號時(shí)，檢測環(huán)節(jié)輸出一低電平信號到與門的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)。

1.4 軟起動功能

軟起動功能的實(shí)現(xiàn)主要由SG3525內(nèi)部的晶體管T3、外接電容C3及鎖存器來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)欠壓或者有過流故障時(shí)，欠壓鎖定器的高電平傳到T3晶體管基極，T3導(dǎo)通為8引腳的外接電容C3提供放電的途徑，C3經(jīng)T3放電到零電壓后，限制了比較器的PWM脈沖電壓輸出，使PWM比較器輸出為高電平，PWM高電平經(jīng)PWM鎖存器輸出至或非門仍為恒定的邏輯高電平，晶體管T1和T5關(guān)斷，封鎖輸出。當(dāng)故障消除后，欠壓鎖定器輸出恢復(fù)為低電平正常值，T3截止，C3電容由50 μA電流源緩慢充電，C3充電對PWM比較器和PWM鎖存器的輸出產(chǎn)生影響，同時(shí)對兩個(gè)或非門的輸出脈沖產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使輸出脈沖由窄緩慢變寬，只有C3充電結(jié)束后，脈沖寬度不受C3充電的影響。這種軟起動方式，可使系統(tǒng)主回路電機(jī)及功率場效應(yīng)管承受過大的沖擊浪涌電流。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電源輸入電壓是由12 V蓄電池提供，圖2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DC 10～35 V，輸入額定電壓為12 V，輸出為360 V，額定功率為500 W。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)動采用由8050和8550構(gòu)成圖騰柱輸出的直接推挽方式，增強(qiáng)了驅(qū)動能力。本設(shè)計(jì)在變壓器的中心抽頭加入12 V直流電壓，輸出部分采用橋式整流，在輸出點(diǎn)上有分壓電阻，將采樣到的電壓反饋到SG3525的1腳和9腳，以調(diào)節(jié)控制輸出方波占空比來穩(wěn)定輸出電壓。采用推挽式功率變換電路，由于開關(guān)電源中的兩個(gè)開關(guān)管輪流交替工作，其輸出電壓波形對稱，并且開關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度高、電壓輸出特性良好。推挽式變壓器開關(guān)電源是所有開關(guān)電源中電壓利用率最高的開關(guān)電源，在輸入電壓低的情況下，仍能維持較大功率輸出［2］。

2.1 控制及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

圖2 DC/DC推挽變換器原理圖

如圖2所示，電路以SG3525為控制芯片，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，取CT=2.2 nF，RT=11 kΩ，RD=220 Ω。根據(jù) f=1/［CT(0.7RT+3RD)］計(jì)算出振蕩器輸出頻率約54 kHz，PWM輸出頻率約為27 kHz。軟啟動電容接入端接一個(gè)4.7 μF的軟啟動電容。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，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Uref，同相輸入端及外圍電阻構(gòu)成。2腳的電壓固定值為5.1 V。SG3525的1，2，9腳及其外圍電路構(gòu)成了PI調(diào)節(jié)器，其輸出與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11、14腳輸出兩路互補(bǔ)的PWM波，采用圖騰柱式結(jié)構(gòu)，灌電流和拉電流最大可達(dá)400 mA。

2.2 過流保護(hù)

如圖3所示，過流保護(hù)是通過在電壓輸出端串接一個(gè)0.33 Ω/5 W的精密電阻作為電流檢測元件，再將其采樣到的信號輸送到線性光耦PC817中，假如流過采樣電阻的電流過大，將導(dǎo)致光耦的發(fā)光二極管導(dǎo)通，進(jìn)而使光耦輸送給SG3525的腳10一個(gè)高電平，使得其11腳和14腳輸出的PWM波立即消失，開關(guān)管停止工作，變壓器無輸出，達(dá)到過流保護(hù)的目的。設(shè)計(jì)省去了傳統(tǒng)的電流檢測元件:電流互感器，采用線性光耦進(jìn)行輸入和輸出的隔離，使電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，降低了誤報(bào)率。

圖3 過流保護(hù)電路

2.3.1 最大磁通變化選擇

對于大部分的鐵氧體材料，磁感應(yīng)強(qiáng)度在±0.2 T范圍內(nèi)時(shí)，磁滯回線的變化可近似等于線性變化，如果超出了這個(gè)范圍，鐵氧體磁芯的磁滯回線就進(jìn)入了彎曲部分，此時(shí)當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，勵(lì)磁電流將會增大，線圈損耗不可避免的會增大。但是對于大多數(shù)鐵氧體來說，選擇峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2 T仍然很危險(xiǎn)，因?yàn)楫?dāng)供電電壓或者負(fù)載快速變化時(shí)，如果誤差反饋放大器在某些開關(guān)周期內(nèi)變化沒有這么快速的話，那么磁感應(yīng)強(qiáng)度就會達(dá)到飽和值，進(jìn)而損壞開關(guān)管，因此，選擇峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.16 T［3－4］。

2.3.2 磁芯選擇

假設(shè)變壓器效率為80%，窗口使用系數(shù)為0.4，當(dāng)輸入電壓為最小值Vin(min)=10 V時(shí)，每個(gè)開關(guān)管在其半周期內(nèi)的占空比最大，假設(shè)為0.8 T/2，則變壓器的磁芯

式中，Bmax為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度;f為變壓器工作頻率;Ae為變壓器磁芯的有效截面積;Ab為變壓器磁芯的窗口面積;Dcma為繞線電流密度，取500圓密爾每有效值安培。

選取的磁芯材料為PC40，磁芯型號為EE42/21/20，該磁芯的有效截面積Ae=2.35 cm2，窗口面積Ab=2.75 cm2，代入上式得PO=620.4 W，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)目標(biāo)500 W，所以選用該磁芯已經(jīng)足夠。

2.3.3 變壓器匝數(shù)的選擇

初級匝數(shù)NP可由法拉第定律得

式中，Vin(min)為輸入電壓的最小值;T為周期;Ae為磁芯有效截面積;ΔB為0.8 T/2時(shí)間內(nèi)的磁通變化。

取NP=2匝，次級繞組匝數(shù)

在變壓器的繞制過程中，為減少漏感，要將初級繞組和次級繞組緊密耦合。

2.4 輸出濾波器的設(shè)計(jì)

2.4.1 輸出電感的設(shè)計(jì)

輸出電感不允許進(jìn)入不連續(xù)工作模式，否則反饋環(huán)對負(fù)載變化的調(diào)節(jié)性能將嚴(yán)重下降［5］，于是

而VO=V1(2Ton/T)，取 Ton=0.8T/2，Idc(min)取額定電流Io的1/10，則

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，取LO=4 mH已經(jīng)足夠，上式中LO、VO和T的單位分別為H、V、和s;Idc(min)為最小輸出電流;Io為額定輸出電流，單位均為A。

2.4.2 輸出電容的設(shè)計(jì)

輸出電容CO的選擇應(yīng)滿足最大輸出紋波電壓的要求，輸出紋波電壓由濾波電容的ESR的大小決定，紋波電壓峰峰值Vr為

式中，dI是所選的電感電流紋波的峰峰值。

另外，對于鋁電解電容，在很大容值及額定電壓范圍內(nèi)，其ROCO的值基本不變，范圍是50×10－6～80×10－6。因此 CO可選為

假設(shè)Vr=VO/5000，dI=2IO/10，代入數(shù)據(jù)得CO≈310 μF，實(shí)際當(dāng)中選用的是330 μF/450 V 的鋁電解電容。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

參照以上分析所得到的參數(shù)設(shè)計(jì)了一款基于SG3525控制芯片的推挽式DC/DC直流升壓變換器，經(jīng)過測試，滿載時(shí)，最大占空比接近0.5，電源效率為85%。圖4和圖5給出了電源正常工作時(shí)相關(guān)點(diǎn)的實(shí)測波形。

4 結(jié)束語

集成開關(guān)電源芯片的應(yīng)用克服了以往開關(guān)電源設(shè)計(jì)中外圍元件和輔助電路復(fù)雜等問題，使開關(guān)電源高效化、模塊化，縮短了研發(fā)周期。該設(shè)計(jì)方案適用于要求低電壓輸入，而輸出功率又比較大的場合。實(shí)驗(yàn)證明，此結(jié)構(gòu)的電源性能穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

［1］ 王劍英，長敏慧.新型開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1999.

［2］ 戶川治朗.實(shí)用電源電路設(shè)計(jì)［M］.高玉萍，唐伯雁，李大寨，譯.北京:科學(xué)出版社，2005.

［3］ 普萊斯曼.開關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.2版.王志強(qiáng)，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［4］ BILLINGS K.開關(guān)電源手冊［M］.張占松，汪仁煌，謝麗萍，譯.北京:人民郵電出版社，2006.

［5］ 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.