毕业设计（论文）-基于SG3525的两相BUCK变换器.docx

闽南师范大学毕业论文（设计）基于SG3525的两相BUCK变换器Two - phase BUCK Converter based on SG3525姓 名： 学 号： 系 别： 物理与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2013级 指导教师： 2017年 3 月 27 日闽 南 师 范 大 学 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权闽南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：日期： 年 月 日导师签名：日期： 年 月 日.摘要 目前，越来越多的设备已不仅仅可由单一电源供电，而要多个电源配合供电来保障大功率设备的正常工作。本文介绍以SG3525为核心，主体电路采用两路BUCK电路成相互配合的开关电源电路，介绍了SG3525芯片的工作原理及通过11脚，14脚两脚推挽输出，两脚相位差180度，通过控制2脚电压，来控制输出电压的占空比，从而影响负载的的电压。当11脚和14脚的输出电流达到5至10毫安就可以驱动光耦A3120，直接驱动mos管的栅极。从而驱动主电路。最后比较采样电压来决定改变占空比进行电压调整。当两路电源有一个支路出现故障时，另一路可以继续供电，保证了系统的正常工作，提高了供电的可靠性。关键词：SG3525;PWM,开关电源全套图纸加扣 3012250582AbstractAtpresent,the transition from unilateral power supply to multilateral power supplies is a big progress for power consumption equipment.It make sure of normal operation under high-power condition.This article describes a switching power supply circuit which is made of the SG3525 as the core and two BUCK circuits as the main circuit.In addition,it introduces how the SG3525 chip works and how to control the push-pull output through the 11 pin and the 14 pin.What the difference between two pins is 180 degrees,to control the bilateral voltage and the duty cycle of output power is a method of controlling the effect on load voltage.When the output current of the 11 pin and 14 pin reaches 510 mA,the A3120 OC will be drove, and after that the mos tube gate will be drove.So then it will drive the main circuit to work.Afterward,it will adjust the voltage by means of comparing the sampling voltage and correcting the duty cycle.If an error occurred in one branch of bilateral power supplies,the other would continue to work.That will ensure the system to work normally and improve the reliability of power supply.Key words: SG3525; PWM, switching power supply目录中英文摘要I1 引言11.1 选题背景及实际意义11.2 开关电源技术发展概况11.3本文的主要内容12硬件介绍32.1 SG3525引脚功能及特点简介32.2 PWM控制基本原理43系统设计63.1 实现功能63.2 总系统框图63.3 DC/DC降压变换器方案64电路设计64.1电路参数的设计74.2主电路的设计74.2.1单相Buck电路与两相的对比74.2.2主电路图84.2.3工作原理84.2.4 推挽输出84.2.5 SG3525输出波形94.3器件参数的选取94.3.1开关管的选择94.3.1电容的计算114.3.3电感的选择114.3.4续流二极管的选择114.4 驱动电路的设计124.4.1驱动类型的选择124.4.2光耦A3120124.4.3驱动光耦A3120电路144.5 SG3525电路的设计144.5.1 SG3525外围设计154.5.2 器件的选取15-5系统测试与分析165.1测试工具175.2测试准备175.3问题解决175.4数据采集175.4.1 SG3525的输出波形和光耦A3120的输出波形175.4.2二极管的波形195.4.3负载电压数据记录195.5数据分析206 总结216.1 工作总结226.2 不足和展望22致谢23附录24附录一：器件清单25附录二：原理图25附录三：PCB图26附录四：实物图2729- -1 引言1.1 选题背景及实际意义电源设备在工业发展、农业生产、电子发明、动力管理技术及灯光使用、电冰箱等日常生活各个方面经常被使用,是电子设备和机电设备的基础。应用开关控制进行电压调节的固定电源，经过固定周期，改变输出电压是由改变开关的导通时间来完成的，这种电源被叫做开关电源。开关电源，就是电源稳压器在截止和饱和区1。开关管截止不导通时，与普通按钮的断开一样，开关管饱和导通时，与普通按钮的关闭一样。这与一般的按钮功能相同，晶体管被称为开关管，开关电源是用来限制开关电源的电压的2。在工业发展和日常生活中开关电源提供了很大的便利。开关电源广泛运用于工业、交通运输等是因为它比线性电源效率高、体积小和重量轻，目前开关电源已经成为工厂、电力系统供电的主要形式。开关电源也在产业上被大批使用，主要运用在工业机器人、工业化生产线等。生活水平改良，社会发展的加快，人们愈来愈渴望日常生活中不停电，智能化的开关电源必不可少，多模块联合供电通常被用在家用电器和工业生产之间，目的是为了增强对负载的供电稳定性。因此必要模块化电源在经过变压后提高电源的效率、满足电器对电压的要求，这样模块化的供电技术就表现得非常重要。目前，模块化开关电源主要由PWM技术驱动，具有调速范围宽、速度快、电流波形系数好等特点。1.2 开关电源技术发展概况电力电子技术与用电负荷的供求关系3每一天都在上升甚至供不应求，电力电子技术经常用在工业生产、农业生产和照明的供电。自从1957年第一个晶闸管在美国被研制出来，电源技术不断发展，1980年后IGBT产生，IGBT是金属-氧化物半导体场效应晶体管和半导体三极管复合起来的4。再加上软开关技术的使用，使得电源效率增大。电源的负载要求是由现代的电子设备的发展而提出的5。具有特殊使用方式的电源设备的主要的追求，是要夹带适合电子元件要求的高性能。安全必须保证。减小无功损耗、减小电磁影响、节约电能等绿色环保是全世界对于电能的突出追求6，并发布了很多法律法规来规范要求和约束电能。1.3本文的主要内容本文主要研究内容为基于SG3525的两相Buck变换器设计、研制和实验测试：（1） 通过SG3525的外围电路的设计，确定了开关频率，使两路输出脉冲的占空比在050%且可调。（2） 通过SG3525两路PWM输出，将PWM输出作为两相Buck电路的控制信号7。（3） 对比两相Buck与传统单相Buck电路的损耗、效率。 致力于给用户提供舒适的安全的电能条件，同时验证该方案的可行性。2硬件介绍随着开关电源技术的发展，功率MOSFET在开关电源中开始大范围的使用，SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的8。2.1 SG3525引脚功能及特点简介其内部结构和原理框图如下：图2-1 SG3525引脚图图2-2 SG3525内部结构图1.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在系统中，该端接给定信号。3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。9. Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。10. 11.Output A（引脚11）：输出端A。12.Ground(引脚12)：信号地。13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。14.Output B（引脚14）：输出端B。15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。特点如下：1.工作电压范围宽：835V。2. 5.1（1 1.0%）V微调基准电源。3.振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz. 4.具有振荡器外部同步功能。5.死区时间可调。6.内置软启动电路。7.具有输入欠电压锁定功能。8.具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。9.逐个脉冲关断。10.双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值)。2.2 PWM控制基本原理PWM控制就是对脉冲的宽度进行控制的技术，我们把冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果相同的原理就叫做PWM控制基本原理。PWM控制基本原理的应用非常广泛9。PWM控制技术也就是占空比可以改变的脉冲波形。该技术以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。3系统设计3.1 实现功能（1） 在芯片SG3525正常工作下，调节SG3525的16脚滑动变阻器的阻值，使输出电压的占空比可以从0到50%变化。（2） 负载电压 *2 （3-1） （输出电压为u0；E为输入电压；t1为开关管的通态时间；t2为开关管的断态时间）3.2 总系统框图经设计，该系统主要由3个模块构成：SG3525模块、主电路模块、和驱动电路.系统通过PWM控制与光耦A3120驱动MOS管HRF3205构成的电路进行DC-DC转换。图3-1 总系统框图3.3 DC/DC降压变换器方案方案一：选择LM2576组成主电路，LM2576是BUCK型稳压器，无需驱动电路，应用时非常简便且外围元件少。同时，设计要求不能够采用整块的直流-直流变换模块，LM2576不符合要求。方案二：选择SG3525内部含有脉冲宽度调制的芯片来设计直流-直流变换器10，SG3525容易靠得住并且用起来很方便，带动能力是推拉输出形式，带动能力比较强。综合上述两个降压方案，本次设计的DC/DC降压变换器我选择方案二。4电路设计4.1电路参数的设计（1） 输入电压20V。（2） 输出电流控制在0.5A到1A之间。（3） 看输出电压 （4-1） （输出电压为u0；E为输入电压；t1为开关管的通态时间；t2为开关管的断态时间） （4）看电路效率是否能达到80%以上。4.2主电路的设计图4-1 主电路拓扑结构图Buck是电力电子里面一个最基本的电路，主电路的拓扑结构是一个两相Buck电路。4.2.1单相Buck电路与两相的对比Buck电路的特点：效率高，可靠性好;工作效率高,产生电磁辐射干扰。单相Buck电路的占空比可以从0调到百分百，而两相Buck电路每相各占负载电压占空比的百分之50，每相只能调负载占空比0到百分之50。单相电路器件发热比较多，容易损坏元器件，损耗比较大，存在着纹波大，开关噪声以及高辐射。两相电路需要的元器件多，但两相Buck电路比单相可以大大的减少电源电流引起的干扰大大减低。两相Buck电路若需要滤波，只需要接上简单的LC滤波器就可以起到良好的滤波效果。两相电路当有一路发生故障时，另一路可以继续工作，使得总体的可靠性大大的提高。综上所述，故选择用两相Buck电路为主电路。4.2.2主电路图开关电源并联供电主电路如下图4-2主电路图4.2.3工作原理主电路原理图如图4-2所示，系统直接输入15V直流电作为两路同步BUCK电路的工作电源11。主电路采用主从模块设置的同步BUCK电路实现DC/DC变换输出12.电路中开关管为HRF3205，栅极控制信号均为PWM波。L1、L2、C4为两路同步BUCK电路的滤波电路13。主电路如图4-2所示,电路中的功率开关管为HRF3205， S点为MOSFET的源极，G点为MOSFET的门极。其中，电阻R22和R23的作用是防止MOSFET被击穿，一般取10 k左右。在MOS管的栅极和驱动之间串接一个电阻，就是图4-2的R20和R21。这个叫做“栅极电阻”，其作用是调节开关管的开关频率，对开关管内部电容的充放电起限流作用，防止电流过大损坏MOS管内部的寄生电容。4.2.4 推挽输出推挽放大器电路中，当输入信号变化到另一个半周后，两个三极管的工作状态就互换，两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化，所以称为推挽放大器。 这种电路主要用于低功耗情况下能输出较大功率的交流信号，通常用于低频放大电路设计中。可增强输出的负载能力。4.2.5 SG3525输出波形假设输入的工作电压使15V，SG3525输出的波形周期为200us，占空比调到百分之五十，那么理想输出波形11脚和14脚应该是相位相差180度，幅值都是15V的方波。图4-3 SG3525的11脚的理想输出波形图4-4 SG3525的14脚的理想输出波形4.3器件参数的选取4.3.1开关管的选择IGBT是有双极型的三极管14，IGBT作为全控型半导体器件，而且是电压来驱动的功率半导体器件，所以经常被用在电压高于600伏特的高电压场合。处于技术和安全的考虑，本文研究的是两相变换。所以就不选用IGBT作为功率开关管了，而是选择MOSFET场效应管作为开关管15。MOSFET开关管作为电力电子器件的一个重要开关管，因为其驱动电路比较简单，而且开关速度也比较快，可以适应较高频率的开关特性；所以，在工业以及电子行业应用非常广泛，金氧半场效晶体管是金属氧化物半导体场效应管的简称。依照其“沟道”极性的不同，金属氧化物半导体场效应管，大概可分为N沟道型与P沟道型。以电子作为多子的场效应管即N沟道型场效应晶体管也被叫做NMOSFET开关管，以空穴作为多子的场效应管即P沟道型场效应晶体管也被叫做PMOSFET开关管。 出于安全问题本文研究的是两相Buck变换器，经综合考虑后，使用的是MOSFET管HRF3205。支路电流最大值为Imax=2.0A，则开关管耐流值Ice应满足:开关管额定电流快速开关HRF3205允许通过的最大电流为33A、最大耐压为100V，可满足设计要求。同时由于HRF3205导通电阻为0.052，反向恢复时间100ns，开关速度快，导通压降小，导通功耗低，完全符合电路所需要求。图4-5 开关管表4-1 HRF3205最大额定参数参数最大值单位门极电压V雪崩电流62Adv/dt二极管恢复峰值电压变化率5.0V/ns重复雪崩能量20mJ=25功率耗散200W持续漏极电流110A持续漏极电流80A表4-2 HRF3205电气特性参数最小典型最大单位测试条件门极开启电压24V前向压降1.3V打开延时14nsVDD=28V,ID=62ARG=4.5,VGS=10V上升时间101关断时间50下降时间654.3.1电容的计算输出电容： CO=C8=220uF一个工作周期共向输出电容充电荷 Q0.5*(I)*(0.5T) （4-2）纹波 0.5VP-P= Q/CO （4-3）CO=(35)(I) T/(2VP-P) （4-4）产生纹波的两个因素：输出电容容量有限。4.3.3电感的选择电感量：L270H。 （4-5） （4-6） 4.3.4续流二极管的选择续流二极管：FR307快恢复二极管 向偏压(VIN)max-VSTA （4-7） 峰值电流(IO)maxI （4-8）FR3073A/1kV满足要求。 表4-3 FR307特性正向平均整流电流3.0 A反向重复峰值电压1000 V正向不重复峰值电流150 A正向峰值电压1.3 V反向峰值电流5.0 A（常温）反向恢复时间500 ns4.4 驱动电路的设计4.4.1驱动类型的选择电力电子器件的驱动总体上可以分为隔离驱动和非隔离驱动，电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的桥梁，如果选取的驱动电路比较好，那么不仅仅开关时间可以缩短，开关损耗也可以减少，还可以使电力电子器件工作在比较理想的状态下。驱动电路的作用是将控制电路所发出的控制信号经过一系列的处理，然后将信号加在它所控制的电力电子开关管的控制端，对与全控型器件，不仅要供给使其开通的信号，还要给器件供给关断的信号，从而保证电力电子器件可以有效、可靠的工作。驱动电路一般分为电流型驱动和电压型驱动，他们是按照电路加在电力电子器件上面的控制信号的不同而划分的。对于隔离驱动，我们平时一般采用的较多的是光电隔离器或者电磁隔离器，光电隔离器一般是采用光耦来隔离，也叫作光电隔离耦合器。驱动光耦电路的由于光电耦合器使主电路和控制电路相互分开，而且电信号的传输具有单向性等特点。光电耦合器除了以上特点之外，它还有比较强的共模抑制的能力，因为它的输入的端口是低电阻元件，是属于电流型工作的。4.4.2光耦A3120 本HCPL-3120包含一个GaAsP LED，而HCPL-312和HCNW3120包含的ALGaAs LED。这些光电耦合器非常适合用于驱动功率IGBT和电机控制用的MOSFET逆变器应用。电压和由这些电流供给光耦合器使他们理想使用于直接驱动IGBT与收视率高达1200V/100A。A3120特点：l2A最小峰值电流输出l15KV绝缘耐压l0.5V最大低电位输出（负偏压除外）l5mA供电电流l欠压锁定（UVLO）l500nS最大开关时间l15-30V宽压工作环境，-40-150度工作温l工业级温度范围：-40-100度图4-6 A3120内部结构图A3120其重要参数如下表所示：表4-4 A3120重要参数输入阈值电压If=5 mV电源电流10 mA电源电压10-35 V输出电流2.0 A开关转换时间0.5 S隔离电压1200 Vrms最大绝缘工作电压600 Vpk允许的最高过电压6000 Vpk工作频率最高为40 KHz表4-5 A3120真值表LEDVcc-VeeVcc-VeeVo关闭0 - 30 V0 - 30 V低ON0 - 11 V0 - 9.5 V低ON11 - 13.5 V9.5 - 12 V过渡ON13.5 - 30 V12 - 30 V高4.4.3驱动光耦A3120电路驱动光耦A3120电路如下：图4-7 驱动电路图因为驱动光耦A3120的电流为5至10mA,所以R3和R4的选取：(15-1.8)/0.01=1.32K 综上,故R3和R4选择1.5K.使A3120的工作电压为15V，这时A3120里面三极管集电极端是高电平，使三极管导通，输出从发射集输出，驱动主电路。4.5 SG3525电路的设计4.5.1 SG3525外围设计图4-8 SG3525外围设计4.5.2 器件的选取（1）9脚电压的选取把SG3525的1脚，2脚和9脚设计成一个电压跟随器。把9脚电压稳定在时V。图4-9 电压跟随器（2）波形频率的取值 SG3525的波形的频率是由5脚CT和6脚RT决定的。 SG3525频率计算公式Fosc=1/CT(0.67RT+1.3RD），根据我们给的RT和RD可以计算出我们波形的频率为5.1kHz。5系统测试与分析5.1测试工具本设计所使用的仪器和设备如表5-1所示：表5-1仪器和设备序号名称型号数量1万用表GDM-813512示波器DS210213学生电源UTP3333TD25.2测试准备（1）焊接完成之后，人眼观察电路板是否存在虚焊、漏焊的现象，再使用万用表的蜂鸣档来检查电路板是否存在断路或者短路，以免上电发生短路，损坏器件。（2）根据原理图和PCB检查三个芯片的电源脚和接地脚是否使用正确，上电，使用万用表的电压档检查三个芯片各个引脚的工作电压是否正常。（3）上电，使用示波器测试电路中几个测试点的波形是否符合条件。5.3问题解决第一问题在于，我们给 SG3525的工作电压是15 V，正常情况下我们输入15 V的电压，11脚和14脚也要输出15 V的电压，但 SG3525的11脚和14脚实际输出电压只有5 V没由达到我理想的输出电压。后发现16脚的滑动变阻器由两个脚虚焊，导致了这个现象。第二问题在于，我们给的SG3525的11脚和14脚的两路推挽输出，电压有到达我们要的理想电压状况，但发现电流达不到驱动光耦的电流要求。经重新看了SG3525D的11脚和14脚的数据手册，发现它们两脚都是集电极开路直接输出。这时我们只要加上一个上拉电阻和一个电源就可以。5.4数据采集5.4.1 SG3525的输出波形和光耦A3120的输出波形给SG3525的工作电压为15V，光耦A3120的工作电压为14V。这时SG3525和A3120的输出波形如下图所示：图5-1 SG3525输出波形图5-2光耦A3120输出波形如图5-1所示，SG3525的11脚和14的使推挽输出，两脚相位差180度，输出电压幅值分别是13.9V和14.1V，频率为5.81kHz，占空比为49.42%的方波。如图5-2所示，A3120的输出波形是一个幅值为12.6V，频率为5.580kHz，占空比为48.80%的方波。综上所述，驱动电路输出的波形会跟随SG3525输出波形的占空比的变化而变换，而SG3525和A3120的输出电压是由它们的工作电压所决定的。虽然输出电压与理想状态下有所误差，但是这误差在一定范围内不影响实验结果。5.4.2二极管的波形图5-3二极管的波形由图5-3可知，二极管的波形是一个占空比99.88%，频率5.760kHz。5.4.3负载电压数据记录输入电压15V时的数据： 表5-2 占空比与负载电压关系表占空比（%）负载电压（V）125.21156.35207.51258.42 309.753510.754011.214511.5248.8611.73图5-4负载电压与占空比关系图输出电压：从上表的测试数据中清楚可以看出，输出电压基本稳定在，满足设计要求。（输出电压为u0；E为输入电压；t1为开关管的通态时间；t2为开关管的断态时间）5.5数据分析表5-3两相供电各参数测试占空比（%）输入电压V1(V)输入电流I1(A)负载电压V2(V)负载电流I1(A)效率12200.279.210.4780%15200.3510.90.5584%20200.4612.660.6186%25200.5513.860.6987%30200.6214.860.7286%35200.6715.500.7485%40200.7416.380.7886%45200.7716.710.7987%48.78200.8017.110.8687%由表5-3可知，输出电流在0.47A0.86A变化，随着电流的增大，效率慢慢提高了。表5-4两相供电各参数测试占空比（%）输入电压V1(V)输入电流I1(A)负载电压V2(V)负载电流I1(A)效率12200.197.710.3876%15200.258.900.4479%20200.3610.800.5379%25200.4412.130.5778%30200.5213.130.6279%35200.5914.130.6780%40200.6414.990.7182%45200.6915.620.7282%48.78200.7215.960.7383%由表5-4可知，输出电流在0.38A0.73A变化，随着电流的增大，效率慢慢提高了。两相单相单相图5-5两相与单相效率对比综上的数据我们可知，随着占空比的提高，输出电流的提高，两相Buck电路比单相不仅输出功率更大，效率也更高，故我们选择两相Buck电路。6 总结6.1 工作总结本设计通过查阅相关资料，研究设计了SG3525和BUCK电路。在研究的过程中主要解决了以下几个方面的内容：（1）通过阅读大量的文献和期刊，了解了开关电源的现状与发展史，对BUCK电路的基本原理和结构进行了深入的了解。（2）以SG3525为主控芯片进行了占空比的硬件设计。（3）对光耦A3120的隔离应用做了硬件设计。（4）在上述工作的基础上，经过大量实验和调试，本系统的运行结果达到了预期的效果。6.2 不足和展望本系统的设计虽然达到了设计的要求，但由于本人的实际经验和学识水平有限，还有一些小问题需要改进：（1）输入电压不能太高。（2）利用更高级的处理器，并采用闭环反馈，减小误差。由于本人研究水平有限，此问题待以后研究。参考文献1苏玉刚，陈松，唐春森，周诗杰，孙跃.能量注入式谐振型开关电源的研制J.电源技术，2011，（10）:1262-1264.2刘钊，杨进华.开关电源模块并联供电系统J.长春大学学报，2013，（02）:161-164.3 龙鹰.大功率