高频开关稳压电源的设计

1、摘要电子设备离不开电源，电源供给电子设备所需要的能量，这就决定了电源在电子设备中的重要性。电源的质量直接影响着电子设备的工作可靠性，所以电子设备对电源的要求日趋增高。现有的电源主要由线性稳压电源和开关稳压电源两大类组成。这两类电源由于各自的特点而被广泛应用。线性稳压电源的优点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小。它的不足之处是要求采用工频变压器和滤波器，它们的重量和体积都很大，并且调整管的功耗较大，是电源的效率大大降低，一般情况均不会超过50%。但它的优良的输出特性，使其在对电源性能要求较高的场合仍得到广泛的应用。相对线性稳压电源来说，开关稳压电源的优点更能满足现代电子设备的要

2、求，从20世纪中期开关电源问世以来，由于它的突出优点，使其在计算机、通信、航天、办公和家用电器等方面得到了广泛的应用，大有取代线性稳压电源之势。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。关键词：高频开关稳压电源、SG3525、PWM目录1 高频开关稳压电源概述11.1 高频开关稳压电源简介11.2 高频开关稳压电源的发展状况21.3高频开关稳压电源的基本原理32设计任务与分析42.1 任务要求42.2任务分析43 系统设计方案53.1系统总体方案设计53.2 功率变换器电路设计63.2.1 全桥功率变换器工作原理63.2.2全桥功率变换器控制方式73.3控制

3、电路设计83.3.1 SG3525结构和功能介绍83.3.2控制电路的设计93.4 驱动电路设计103.5 辅助电源电路设计113.6过流检测及保护电路设计133.6.1电力电子器件的缓冲电路133.6.2 电力电子器件的保护电路133.7整流器输出电路设计15小结与体会16附录1818高频开关稳压电源的设计1 高频开关稳压电源概述1.1 高频开关稳压电源简介电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域,没有它的存在，现代的各种电力设备和给我们生活带来方便的各种电器将不可能实现。有相当一部分设备和电器是使用直流电的，而接入家庭的是都是交流电，这就需要电源转换成所需的直流电。各种AC-DC电源中高频

4、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，而得到了广泛应用。开关稳压电源的主要优点有：（1）效率高：电源按硬开关模式工作时开关损耗大，高频化可以缩小电源的体积重量，但开关的损耗更大了，为此研究开发出开关电压/电流波形不交叠的技术，即零电压(ZVS) /零电流(ZCS)软开关技术，有效的提高了开关电源的效率。最近国外小功率AC-DC开关电源模块(48/12V)总效率可达到88%；48/5VAC-DC开关电源模块的效率可达到92-93%，二十世纪末，国产的50-100A输出，全桥移相ZV-ZCS-PWM开关电源模块的效率超过93%。（2）可靠性和稳定性较好；（3）体积小、重量轻：

5、例如在九十年代中期30A/48V开关整流器模块采用移相全桥ZVS-PWM技术后，仅重7kg。比用PWM技术的同类产品，重量下降40%。（4）对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍维持较稳定的输出。 高频稳压电源要求高功率密度，外型尺寸小，高效率，高可靠性，高功率因数，以及智能化，低成本，EMI小，分布电源结构等。现在功率MOSFET和IGBT己完全取代功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关电源的高频化有了可能：器件的工作频率可达400KHz(AC-DC开关变换器)和1MHz(DC-DC开关变换器)，超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效，低电压输出(

6、U3V)的开关电源创造了条件。电流型控制及多环控制已得到较普遍应用，电荷控制，一周期控制，数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使电子电源动态性能有很大提高，电路也有大幅度简化。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的应用。1.2 高频开关稳压电源的发展状况 （1）高频化开关电源采用高频开关调制，容易实现功率等级密集化。理论分析和实践经验表明，电器产品的变压器、电感和

7、电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。由于功率电子器件的工作频率上限逐步提高，促使许多原来传统设备高频化。开关电源一般采用10kHz100 kHz的高频调制，随着软开关技术的发展，工作频率还在不断提高。（2）电源电路的模块化、集成化模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。常见的的器件模块含有一单元、两单元、六单元直至更多单元器件。电源单元的模块化，使单个有限功率等级的电源可以采用均流技术、热拔插技术并联，既扩大了功率容量，满足了大电流输出的要求，又通过增加功率很小（相对整个系统来说）的冗余电源模块极大地提高了系统的可靠性。模块化电源出现单模块故障，也不会影响

8、系统的正常工作，而且为修复提供了充分的时间。（3）绿色化电源系统的绿色化有两层含义：首先是节电，其次这些电源要减少对电网及其他电器的污染，国际电工委员会（IEC）对此制定了一系列电磁兼容标准（EMC）,如IEC555、IEC917、IEC1000等。我国电磁兼容问题已广泛受到政府、企业和消费者的关注，参照相关国际标准，制定了GB/T4365-1995等100多项电磁兼容国家标准，EMC认证工作也于1999年正式开展。20世纪末，各种有源滤波器和功率因数补偿方案及专用芯片的生产，为21世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于

9、更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术在实际需要的推动下将快速发展，从而设计出性能更优良的开关电源。1.3高频开关稳压电源的基本原理 高频开关稳压电源是需要直流电设备中常用的AC-DC转换电源，它的作用是把公网上的220v交流电转换成适用的直流电。公网上的工频交流电先整流滤波为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到2050KHz的高频交流，然后再经高频整流与滤波，就得到所需的直流电。工频整流滤波由桥式电路实现，功率变换由PWM控制芯片按周期控制开关管的导通实现，高频整流与滤波由副边感应线圈、二极管和电容组成的LCD电路实现。公网上的工频交流电可通过桥式电路整流滤波后初步转换成固定直流即

10、图中的直流电源U 。由PWM控制芯片控制开关管Q 的导通与否。当开关管Q 导通时,忽略其饱和压降,电源电压U 加在主变原边，副边感应电压于二极管D 极性相反使二极管D 反偏截止,副边电路中无电流,直流电源U 供给的能量临时储存于主变原边电感中。当开关管Q 截止时,电感产生反压,为上负下正，同时在副边感应出电压,为上正下负与二极管D 极性相同使二极管D 导通,电容C 充电,同时给负载R 供电,主变原边储能转移到副边从而得到释放。当开关管Q 重新导通时,电容C 给负载R 供电,同时主变原边重新储能,如此反复电阻R 上就得到直流电。输出电压的大小由原副边匝比n、占空比d 和输入电压U 来决定。2设计

11、任务与分析2.1 任务要求初始条件：设计高频开关稳压电源，主电路采用半桥或全桥变换器，电压：+12V，电流20A，功率300W。要求完成的主要任务: 1. 系统总体方案设计。2. 功率变换器电路设计。3. 驱动电路（如SG3525）及辅助电源（如LM317）电路设计。4. 过电流检测与保护电路设计。5. 整流器输出电路设计。2.2任务分析本次能力拓展训练要求设计高频稳压电源，输出电压+12V，电流20A，功率300W。一般电压小于100V，选用全波整流输出。典型的由UC3824 构成的他激型反激开关电源常应用于低于100W 的场合，不适合本次设计。本次设计采用全桥变换器，采用SG3525 PW

12、M控制芯片。3 系统设计方案3.1系统总体方案设计高频开关电源主要由输入环节、功率变换电路以及控制驱动保护电路3大部分组成。如图3.1为高频开关稳压电源的基本框图。图3.1 高频开关稳压电源的基本框图高频开关电源由以下几个部分组成：一、主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直

13、流电源。本设计方案的主电路采用单相交流输入，全桥变换的电路拓扑结构，逆变器主开关器件采用VMOSFET，开关频率去50kHz。二、控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。本设计方案的控制、驱动电路集成芯片为SG3525。三、检测电路除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。四、辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。本设计的辅助电源采用LM317实现。3.2 功率变换器电路设计功率变换电路是开关电源的核心部分，针对整流以后不同的

14、直流电压功率变换电路有多种不同的拓扑结构，本此设计采用的是全桥变换器拓扑结构。3.2.1 全桥功率变换器工作原理全桥变换器由四个晶闸管组成，相对于半桥而言，功率晶体管及其驱动装置相应的增加1倍，成本较高，但可用在要求功率较大的场合，有四个开关管组成两个桥臂。两个桥臂分别导通激励高频功率变压器，进行能量变换，但是存在开关管“直通”的危险。 全桥电路原理图如下图3.2所示。由四个功率开关器件V1V4组成，变压器T连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件V1、V4和V2、V3分别交替导通或截止，使变压器T的次级有功率输出。当功率开关器件V1、V4导通时，另一对V2、V3则截止，这时V2和V3两端承受

15、的电压为输入电压Uin在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管V5V8箝位于输入电压Uin。图3.2 全桥电路原理图在全桥变换电路拓扑结构中，主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边有一个中心抽头绕组采用全波整流输出。因此，变压器铁心和绕组的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压，四个能量恢复二极管能消除一部分由漏感产生的瞬间电压。这样无须设置能量恢复绕组，反激能量便得到恢复利用。当然，全桥变换器需要功率元件较多。在导通的回路上，至少有两个管压降，因此功率损耗也比双晶体管推挽式变换器1

16、倍。但是在高压离线开关电源系统中，这些损耗还是可接受的。另外，能量恢复（再生）方式，由于有四个二极管，损耗略有增加。3.2.2全桥功率变换器控制方式全桥变换器本质上有三种基本的控制方式：双极性控制、有限双极性控制和移相控制。双极性控制方式控制电路简单，技术成熟，但开关器件通常工作在硬开关状态，开关管的电流和电压尖峰很高，需要很大的安全工作区；移相控制方式是国内外电源界研究的热门课题，但尚存在不足；有限双极性控制方式具有更多的优越性，是中、大功率应用场合的理想控制方式。本次设计选用有限双极性控制方式。3.3控制电路设计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

17、，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。3.3.1 SG3525结构和功能介绍PWM控制芯片SG3525 具体的引脚图及内部结构如图3.3及图3.4所示。其中脚16为SG352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 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，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及脚2分别为芯片内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

18、，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。 图3.3 SG3525引脚图图3.4 SG3525内部结构图3.3.2控制电路的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3.5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

19、范围为100500kHz,芯片的脚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的振荡频率可表示为2：f s =1/(CT (0.7RT + 3Rd) 式中: CT , RT 分别是与脚5、脚6 相连的振荡器的电容和电阻; Rd是与脚7相连的放电端电阻值。此处CT、RT、Rd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

20、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。 图3.5 控制电路3.4 驱动电路设计MOSFET 为电压控制型器件，驱动功率小，所以驱动电路也比较简单。驱动电路要求能够提供足够的栅极电压和栅极电容充电电流，并能泻放栅极电荷。驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，能够提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT 可靠的开通和关断，提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IG

21、BT 能迅速建立栅控电场而导通，并且尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。当MOSFET 容量较大时，采用图3.6所示的驱动电路。该驱动电路结构简单，具有负压关断能力，且驱动功率大。R3、R5为串联的栅极电阻，可以衰减由MOSFET输入电容和在栅-源电路中的任何串联引线电感所产生的高频寄生振荡，栅极-源极GS间并联一支5.1K-20K的电阻，可以提高MOSFET的耐压，dv/dt耐量和抗干扰能力。为了防止在栅极施加过电压，不论测试器件还是在电路中或者其他任何时刻，都要保证加在栅源之间的电压Vgs不超过额定最大值,所以在GS间并两只反串的稳压二极管1N4746，将Vgs 钳位至+-18V。

22、图3.6 驱动电路3.5 辅助电源电路设计 辅助电源采用LM317构成，LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317系列稳压块的型号很多：例如LM317HVH、W317L等。稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo=1.25V37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo=1.25V45V），所以R2/R1的比值范围只

23、能是028.6。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时，没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。因此，在本次设计中，SG3525和EXB841均需要可工作在20V电压环

24、境下，所以设置Uo 为20V，取电阻R1=200，电容C1、C2可分别去典型值0.1uF和1uF，由上式可得R=(Vo/1.251)R1 =(20/1.251)200 = 3K。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。LM317构成的辅助电源如图3.7所示图3.7 LM317 辅助电源电路图3.6过流检测及保护电路设计3.6.1电力电子器件的缓冲电路用于电能变换的电力半导体器件绝大多数工作在开关工作模式，开关损耗是影响其正常运行的重要因素。在硬开关工作方式下，增加缓冲电路是正确使用器件的有效措施，其主要作用是：抑制开关器

25、件的、，改变开关轨迹，减少开关损耗，使之工作在安全工作区内。由于缓冲电路对自关断器件的安全运行起着至关重要的作用，因此人们研究了多种缓冲电路。开关器件在开通时，缓冲电路电感中储存有磁能，而开关器件关断时，关断缓冲电路中电容储存有电能，这些能量都以热的形式消耗在缓冲电路的电阻上。在普通晶闸管的应用中，通常选用无极性缓冲电路。在晶闸管回路中串入电感以抑制关断时瞬时过电压，并且防止因过大而引起的误触发。采用GTO、BJT、IGBT等自关断器件时，由于它们的工作频率比SCR高得多，因此有必要采用有极性缓冲电路，以便加快电容或者电感的抑制作用。应该指出，耗能式缓冲电路能够减小开关器件的开关损耗，是因为把

26、开关损耗从器件本身转移至缓冲器内，然后再消耗在电阻上，也就是说，开关器件的损耗减少了，安全运行得到了保证，但总的开关损耗并不一定减少。为了回收这部分能量，人们还研究出了各种馈能式缓冲电路，以减少实际的电能损耗。但是由于整机体积的限制和附加元件的成本问题，使馈能式缓冲器推广应用受到了很大的限制。3.6.2 电力电子器件的保护电路电力电子器件均有安全工作区的限制，也就是说都有电流、电压和瞬时功耗的极限值。尽管在设计时会合理选择器件，但一些不可预见的故障会威胁到器件的安全，所以必须采取保护措施，主要包括：（1）过电流保护：为了防止桥臂中两个开关器件直通，通常对两个开关器件的驱动信号进行互锁并设置死区

27、。由于负载短路、元器件损坏等原因，电力电子装置会出现过电流或短路故障，应该在过载及短路时对装置进行保护。（2）电流信号的检测：电流检测信号用于反馈控制及保护环节，要求取样可靠、准确。电流信号的检测与传送对电力电子装置是一个很重要的环节。电流信号检测的关键是正确选择和使用检测元件。根据响应速度的快慢，电流检测元件可分为慢速型电流检测元件和快速型电流检测元件。（3）输出过压保护：如果装置反馈环节出现问题，输出电压可能过高，影响负载的安全，此时应该采取封锁驱动信号的保护措施；但负载突变往往也会引起输出端电压短时变化，为了不出现误保护，过压保护一般应具有反延时特性，即过压越多，保护延时越短，反之则较长

28、。反延时的保护思想也适用于过流等保护。输出过电压检测应该设置在输出端，输出是交流电压时可使用电压互感器（变压器）检测；输出是直流电压则可采用电阻分压或电压霍尔取样。（4）输入瞬态电压抑制：交流电网上使用的用电设备由于受电磁感应、雷电天气的影响，常常会遭受瞬态高压的袭击，尤其在强烈的雷电发生时电网上瞬时产生数千伏高压是常有的事，其时间虽短，但它携带的能量足以在瞬间内损坏开关电源中的电子器件。应付这种瞬态电压的方法很多，一种简单的方法是在交流线路间放置金属氧化物压敏电阻MOV，这种器件是一种可变电阻，当瞬态电压出现时，其阻值迅速地下降到最低值，将输入电压限制在安全范围内，让瞬态能量消耗在电阻体内。

29、选择这种器件必须遵守两条原则：一是MOV器件的额定电压应大于电源稳态最大工作电压的20%左右；二是应计算或估算电路可能遇到的瞬时冲击能量的大小以确定MOV器件吸收瞬态冲击电流的额定值，然后根据器件制造商提供的产品说明书选择合适的器件。（5）输入欠压保护：如果输入电压过低，开关器件的工作电流将过大，可能超过其最大电流值而烧坏。如果蓄电池过低压供电，放电电流必然过大，可能造成蓄电池永久损坏。因此对有些装置需要设置欠压保护电路。（6）过温保护：如果装置内部温度过高，可能是散热系统发生故障，也可能是严重过载，这样会威胁开关器件的安全，应该采取封锁驱动信号等保护措施。温度检测可以采用不同温度等级的常开或

30、常闭温度开关。例如，70度的常闭温度开关是指：开关一般情况下闭合，温度达到或超过70度开关就断开。（7）器件控制极保护：电力电子装置中所用的主开关器件以电压型开关器件占主导地位，它们的控制特性好，驱动功率小，但控制极比电流型开关器件容易损坏，应该注意控制极的保护。此外，开关管控制极的状态会影响器件的耐压水平。如BJT的基极反偏的集-射极击穿电压比基极开路时大的多。因此，开关管断态时，控制极最好加上反偏压。（8）自锁式保护电路：如果在电路发生故障时，封锁驱动信号，故障消失后，立即放开驱动信号，不一定能够对装置起到保护作用。因为封锁了驱动信号，装置就停止运行，检测到的信号反映不出故障，装置可能会反复起、停，因此，对于短路等严重故障，应该采用自锁式保护电路。保护电路的类型和控制方法比较多，应根据装置的特点和用户要求设计。3.7整流器输出电路设计全波整流、倍流整流、全桥整流是输出变换器中常用的几种副边整流电路。根据三种电路各自不同的特点，通常在输出电压较低的情况下（100V）采用全波整流电路比较合适，而在高压输出的情况下，