任佳敏，阮巖

（1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710065；2.陜西省油氣井測控技術(shù)重點實驗室，西安710065）

0 引言

DC-DC就是直流-直流變流電路，它的功能是將一種直流電變?yōu)榱硪环N固定電壓或可調(diào)電壓的直流電，DC-DC開關(guān)電源因其具有高功率密度、高可靠性、高效率、體積小、重量輕等優(yōu)點[1]，廣泛應(yīng)用于航空航天、通信、計算機(jī)、家用電器等領(lǐng)域[2-3]。降壓型變換器電路是DC-DC變換器中最常用的電路之一[4]，由于是輸出電壓小于或等于輸入電壓的非隔離型變壓電路，因此又被稱為降壓型變換器（Buck變換器）。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品應(yīng)用方面，我們不僅要求產(chǎn)品性能高，更要保證產(chǎn)品的可靠性[5]，連續(xù)導(dǎo)通模式（Continuous Conduction Mode，CCM），即在開關(guān)的一個周期內(nèi)，電感電流是連續(xù)的，不會降到零[6]。本文以CCM模式Buck變換器為模型，通過對其進(jìn)行研究分析，設(shè)計了控制電路，使用SG3525芯片對其進(jìn)行控制，并通過建模仿真驗證了變換器能夠安全可靠的工作，實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的電能降壓變換。

1 Buck變換器工作原理

如圖1所示為Buck變換器電路原理。其中，UI為直流輸入電壓，VT為功率開關(guān)管，我們選用MOS管，VD為續(xù)流二極管，防止感應(yīng)電壓擊穿或燒壞元件，保護(hù)電路中的元件不被損壞，C為輸出濾波電容，L為輸出濾波電感（儲能電感），R為負(fù)載電阻，UO為直流輸出電壓。為了使推導(dǎo)過程方便簡潔，假定開關(guān)器件均是理想元器件，負(fù)載為純阻性負(fù)載，輸出電壓中的紋波電壓與輸出電壓的比值小到可以忽略。

圖1 Buck變換器電路原理

當(dāng)開關(guān)管VT導(dǎo)通時，輸入電壓UI向負(fù)載供電，此時二極管VD由于反向電壓，處于反偏狀態(tài)無法導(dǎo)通，通過電感L上的電流IL線性增加，電感儲存的能量也在增加，電容處于充電狀態(tài)，電容器兩端電壓逐漸升高，電感電流IL為電容充電電流I1與負(fù)載電流I0之和。

圖2開關(guān)導(dǎo)通電流路徑

當(dāng)開關(guān)管VT關(guān)斷時，由于電感續(xù)流作用，電感電流不會發(fā)生突變，電感兩端的電壓會出現(xiàn)反向的情況，此時二極管正向?qū)?，電感中儲存的磁場能量轉(zhuǎn)換為電能，繼續(xù)向負(fù)載供電，電感電流IL線性減小，同時電容C向負(fù)載R供電，放電電流為I2，負(fù)載電流I0為電感電流IL與電容放電電流I2之和。

圖3開關(guān)斷電流路徑

ton為VT處于開通狀態(tài)的時間；toff為VT處于關(guān)斷狀態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；在電感電流連續(xù)的條件下，電感兩端的電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的積分為零。可以推導(dǎo)出負(fù)載電壓平均值UO：

其中，D為占空比。輸出電壓UO與占空比D成正比，增大占空比D的值，輸出電壓隨之增大，負(fù)載輸出電壓的最大值為UI，調(diào)節(jié)占空比D的值可以有效控制輸出電壓值得大小。

2 SG3525控制電路

如圖4所示為SG3525芯片內(nèi)部原理圖。芯片基準(zhǔn)電壓+5.1V精度為±1%，基準(zhǔn)電壓值的大小在誤差放大器脈沖輸入端的共模范圍之內(nèi)，所以不用外接脈沖電阻，SG3525芯片既可以與外部時鐘同步，又可以在主從模式下工作，芯片內(nèi)部的主要電路包括基準(zhǔn)電源電路、具有同步功能的振蕩器、誤差放大器、脈沖同步觸發(fā)器、PWM比較器與鎖存器、脈沖輸出級電路、軟起動電路、關(guān)斷電路以及欠壓鎖定電路等[7-8]。

圖4 SG3525內(nèi)部原理圖

如圖5所示為SG3525芯片驅(qū)動電路，振蕩器生成的鋸齒波和誤差放大器的輸出信號相比較可產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號，該脈沖寬度調(diào)制脈沖信號經(jīng)鎖存后可以輸出A路和B路相位互差180o的PWM驅(qū)動信號。SG3525芯片引腳6外部接定時電阻RT、7腳為振蕩器放電端，外接定時電容CT和放電電阻RD，定時電阻的大小決定了定時電容充電時的電流，放電電阻為定時電容提供了放電通道，改變放電電阻的阻值大小既可以調(diào)節(jié)放電時間大小，同時又可以改變死區(qū)時間大小。SG3525輸出驅(qū)動信號的頻率和脈沖寬度都可以進(jìn)行調(diào)制，振蕩器輸出頻率由RT、CT和RD共同決定，脈沖寬度由R1和R2決定，改變R1和R2的分壓比可以改變脈沖寬度。本文RT=1.4kΩ，CT=0.01uF，RD=10Ω，R1=2.6k，R2=2.5k。

3 實驗仿真及結(jié)果

使用Saber仿真軟件對Buck電路進(jìn)行仿真，在Saber中的Sketch界面搭建的電路模型如圖6所示，可以根據(jù)仿真波形的結(jié)果，驗證電路模型的正確性。其中，直流輸入電壓UI為36V，輸出濾波電感L為80uH，輸出濾波電容C為0.3mF，負(fù)載電阻R為1.2Ω，占空比為0.45，如圖7所示為輸入電壓波形，圖8為輸出電壓波形，由仿真結(jié)果可知，輸出電壓UO大小為16V，符合設(shè)計要求。

圖5 SG3525驅(qū)動電路

圖6 Buck電路仿真模型圖

圖7輸入電壓波形

圖8輸出電壓波形

4 結(jié)語

通過對Buck直流變換器的工作原理進(jìn)行分析，采用SG3525控制芯片，對控制電路進(jìn)行設(shè)計，并使用Saber仿真軟件對主電路和控制電路進(jìn)行建模仿真，由仿真結(jié)果可知，輸入電壓36V，可以穩(wěn)定輸出16V電壓，從而驗證了設(shè)計的可行性。