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(guó)硅通用半導(dǎo)體公司推出了SG3525,以用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片,它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活,輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式,增加了驅(qū)動(dòng)能力;內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器,有過(guò)流保護(hù)功能,頻率可調(diào),同時(shí)能限制最大占空比。其性能特點(diǎn)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(shí)間可調(diào)。為了適應(yīng)驅(qū)動(dòng)快速場(chǎng)效應(yīng)管的需要,末級(jí)采用推拉式工作電路,使開關(guān)速度更陜,末級(jí)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(shí)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(dòng)電路。比較器的反相輸入端即軟啟動(dòng)控制端芯片的引腳8,可外接軟啟動(dòng)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(shí)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(lái)的所有的跳動(dòng)和振蕩信號(hào)消除。只有在下一個(gè)時(shí)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(jiǎn)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(shuō)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(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)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(gè)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(gè)輸入端?;蚍情T的另兩個(gè)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(gè)輸出互補(bǔ),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(shí)間,保證VT1及VT2不同時(shí)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(jì)
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(jì)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(lái)控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)閉,MOSFET驅(qū)動(dòng)采用推挽方式,本設(shè)計(jì)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(diǎn)上有分壓電阻給TL431提供參考電壓,并通過(guò)光電隔離反饋到SG3525,以調(diào)節(jié)控制輸出方波占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。由于本設(shè)計(jì)采用推挽式功率變換電路,在輸入回路中僅有一個(gè)開關(guān)的通態(tài)壓降,而半橋和全橋電路有2個(gè),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(chǎng)合,這也是本設(shè)計(jì)為什么采用推挽變換器的原因。其中的變壓器可同時(shí)實(shí)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(jì)
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(gè)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(jí)繞組電壓幅值Up2取5.6V,最大工作比α=0.45,次級(jí)繞組峰值電流Ip2=1 A,次
(變壓器效率η取為1,這個(gè)效率不包括整流二極管在內(nèi)),取工作磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)取0.2~0.3),實(shí)際計(jì)算是取Km=0.2 5,則計(jì)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(jì)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(shí),其功率容量已足夠大。繞組匝數(shù)計(jì)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(shí)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(guò)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(dòng)電路設(shè)計(jì)
采用SG3525集成PWM控制器作為控制芯片,它的外圍電路簡(jiǎn)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(jì)取CT=4700pF,RT=3.3kΩ,RD=100Ω,經(jīng)計(jì)算振蕩器輸出頻率是90kHz,PWM輸出頻率定為45kHz。軟啟動(dòng)電容接入端(引腳8)接一個(gè)lμF的軟啟動(dòng)電容。只有軟啟動(dòng)電容充電使引腳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(dòng)電容一起可控制PWM控制器以產(chǎn)生方波。它的輸出級(jí)ll、14腳輸出兩路互補(bǔ)的PWM波,采用圖騰柱式結(jié)構(gòu),灌拉電流能力超過(guò)200mA,可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET管,只需加一門級(jí)電阻即可。在本設(shè)計(jì)選用的是IR公司生產(chǎn)的IRF630。其具體設(shè)計(jì)電路如原理圖中所示。
2.3 反饋補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
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(gè)電阻任意設(shè)置到Vref(2.5V)到36V范圍內(nèi)。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω。用它來(lái)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?zhàn)饔?,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(shí),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(shí),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(guò)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(guò)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(jì)
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(huì)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(jì)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L(zhǎng)1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(jì)如原理圖所示。
3 實(shí)驗(yàn)波形和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖4是滿載時(shí)輸出波形,從圖中可以看出,滿載時(shí)+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(shí)MOSFET漏一源極電壓波形(衰減lO倍后),可以看出此時(shí)占空比最大約為45%。
為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓。
4 結(jié)束語(yǔ)
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(jì)方案,特別適用于低壓輸入的場(chǎng)合。整個(gè)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(shí)驗(yàn)證明,它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠,成本低廉,而且重量輕、體積小,具有很大的實(shí)用潛力。