基于SG3525的半桥高频开关电源设计

1、毕业论文题目 基于SG3525勺半桥高频开关电源设计专 业电气自动化技术班 级08152学生姓名 刘永发指导教师 张军、谢应然辩论日期2021-5-14佛山职业技术学院III佛山职业技术学院毕业论文任务书系：机电工程系 专业：电气自动化技术 班08152学号：27姓名：刘永发一、毕业论文课题：基于SG3525的半桥高频开关电源设计二、毕业论文的内容及要求：用SG3525作为主控制芯片。1、SG3525芯片的介绍2、 电源系统介绍3、 进行系统硬件电路设计，画出系统硬件原理图。4、 进行硬件电路的调试。5、 在设计的根底上完成毕业论文 。三、参考资料1、网络收集资料2、根据工作中的一手资料。3、

2、 开关电源设计?第二版美普莱斯曼著电子工业出版社4、 开关电源设计与优化?玛尼克塔拉著电子工业出版社四、毕业论文课题时间：2021年12月15日至2021年5月7日五、进度安排：周次工作内容预定目标及检查方式2021-2021学年第1学期第1820周资料查阅、收集及整理 制定课题设计方案确定课题题目，明确设计内容及要求，完成资料收集与整理， 制定出课题设计方案。面授寒假撰写毕业论文报告在查阅参考资料的根底上，根据课题设计任务内容及要求，按照学院毕业论文格式要求，撰写毕业论文报告。、e-mail2021-2021学年第2学期第1周毕业论文期中检查检查毕业论文进展程度，对毕业论文过程中存在的具体问

3、题进 彳仆对性的指导。面授2021-2021学年第2学期第211周撰写完成毕业论文报告继续撰写毕业论文报告，完成毕业论文报告的修改与定稿。面2021-2021学年第2学期第12周毕业论文报告评阅毕业论如导教师和评阅教师完成学生毕业论文报告评阅。面2021-2021学年第2学期第13周毕业辩论组织并完成毕业辩论。六、备注：1、本任务书一式二份，教研室、指导教师和学生各执一份；2、学生须将此任务书按装订要求进行装订。指导教师：教研室主任：目录III第1章绪论.11.1课题背景.11.1.1开关电源原理.1一、 开关电源的电路组成：.1二、 输入电路的原理及常见电路： .22、DC输入滤波电路原理：

4、 .3第2章SG3525芯片的工作原理 .42.1本章PW品制芯片SG3525能简介：.42.1.1. SG3525引脚功能及特点简介 ： .42.1.2. SG3525的工作原理 .6第3章电源系统介绍.73.1主电路结构及其工作原理 .73.2控制电路.8第4章高频变压器的设计 .94.1原副边电压比n. 94.2磁芯的选取及变压器的结构.94.3变压器初、次级匝数.94.4确定绕组的导线线径和导线股数 .10结论.10致谢:.13III参考文献:.14刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计1第1章绪论1.1课题背景随着PW眦术的不断开展和完善，开关电源具有体积小、效率高等一系列

5、优点，在各类电子产品中得到广泛的应用。但由丁开关电源的控制电路比拟复 杂、输出纹波电压较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制。电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化 ，因此需要尽可能地降低电 源电路中的损耗。开关电源中的调整管工作丁开关状态，必然存在开关损耗，而 且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面，开关电源中的变压器、电抗 器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高而增加。目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十kHz;采用MOSFET的开关电源转换频率可达几白kHz。为提高开关频率必须 采用高速开关器件。对丁兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路， 这种

6、工作方 式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零， 噪声 也很小， 这是提高开关电源工作频率的一种方式。 采用谐振开关方式的兆赫级变 换器已经实用化。开关电源的集成化与小型化已成为现实。 然而， 把功率开关管与控制电路都 集成在同一芯片上，必须解决电隔离和热绝缘的问题。开关电源以其高的性价比得到了广泛的应用。开关电源的电路拓扑结构很多 常用的电路拓扑有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。 其中，在半 桥电路中，变压器初级在整个周期中都流过电流，磁芯利用充分，且没有偏磁的 问题，所使用的功率开关管耐压要求较低， 开关管的饱和压降减少到了最小， 对 输入滤波电容使用

7、电压要求也较低。由丁以上诸多原因，半桥式变换器在高频开 关电源设计中得到广泛的应用。1.1.1开关电源原理一、开关电源的电路组成：开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器 EMI、 整流滤波电路、 功 率变换电路、PWIMI制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压 保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计2开关电源的电路组成方框图如下:I航既驾I I我H I技器 i 晓压h|取牌| | 棵F3 TC ;广一.谆岛保护|膈疑根仲二1-1tl _ _ _TP- - J q-瀚曲过座保炉MJ开关电源电路方框图二、输

8、入电路的原理及常见电路:1、AC输入整流滤波电路原理：1防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1 MOV2 MOV3 F1、F2、F3、FDGW成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其 工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上， 假设电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。2输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双兀型滤波网络主要是对输入电源的 电磁噪姬4一 功宰史可一*沉、勰斗 输出一卜- r-GND斯、演波幸沃rC6刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计3声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生刘永发：基于SG3525

9、的半桥高频开关电源设计4的高频杂波对电网干扰。 当电源开启瞬间， 要对C5充电， 由丁瞬间电流大，加RT1热敏电阻就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小RT1是负温系数元件，这时 它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。3整流滤波电路：交流电压经BRG催流后，经C5滤波后得到较为纯洁的直流 电压。假设C5容量变小，输出的交流纹波将增大。2、DC输入滤波电路原理：输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双兀型滤波网络主要是对输入电源的电 磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频 杂波对电网干扰。C3 C4为安规电容，L

10、2、L3为差模电感。R1、R2、R3 Z1、C6 Q1、Z2、R4 R5 Q2 RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机 的瞬间，由丁C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流 在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短 的时间烧毁，以保护后级电路。第2章SG3525芯片的工作原理2.1本章PW喘制芯片SG3525能简介：随着电能变换技术的开展，功率MOSFET开关变换器中开始广泛使用，为此 美国硅通用半导体公司Silicon General推出SG3525 SG352砒用丁

11、驱动N沟道功率MOSFET其产品一推出就受到广泛好评。SG352源列PWIMI制器分军 品、工业品、民品三个等级。下面我们对SG352船点、引脚功能、电气参数、 工作原理以及典型应用进行介绍。SG352砒电流控制型PWMI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。在脉宽比拟器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与 误差放大器输出信DCINL1AL2FIL4A刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计5号进行比拟，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差 电压变化而变化。由丁结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高

12、， 是目前比拟理想的新型控 制器。2.1.1 SG3525引脚功能及特点简介：SG352淀一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM制芯片，它简 单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有 欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM存器，有过流保护功能，频率可调，同 时能限制最大占空比。其性能特点如下：1工作电压范围宽：835V。2内置5. 1 V土1. 0%的基准电压源。3芯片内振荡器工作频率宽100Hz400 kHz。4具有振荡器外部同步功能。5死区时间可调。为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉式工作电路，使开关速度更陕，末级输出或吸入电流最大值可达40

13、0mA6内设欠压锁定电路。当输入电压小丁8V寸芯片内部锁定，停止工作基准源 及必要电路除外，使消耗电流降至小丁2mA7有软启动电路。比拟器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8,可外接 软启动电容。该电容器内部的基准电压Uref由包流源供电，到达2. 5V勺时间为t=2 . 5V/50卜AC,占空比由小到大50 %变化。8内置PWMt宽调制。锁存器将比拟器送来的所有的跳动和振荡信号消除。 只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计6其引脚及原理图如图1下:发扪俺入116| Vi cf同输入215Z Vs同步端仁3Z3H i - F.振满麝输

14、出匚4J A、6 匚51R1匚61 1二1放旭端匚7to二1削锁控制歉果功耐匚8!16- 5.】V制催|欠JI t招迂振陶器输出引脚功能说明直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压 稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚5须外接电容CT,脚6须外接电阻RI振荡器频率厂由外接电阻RT和电容CT决定，G(。.7& + 3%)振荡器的输出分为两路，-路以时钟脉冲形式送至双稳态触 发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比拟器的同相输入端，比拟器的反 向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比拟器中进行 比拟，输出一个随误差放大器输出电

15、压上下而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振 荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出上下电平,将PwM永冲送 至三极管VT1及VT2的基极，锯齿波的作用是参加死区时间，保证VT1及VT2不同时导通。最后，VTl刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计7及VT2分别输出相位相差为180的PWNfc。I. Inv.input引脚1:误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反 馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端引脚9相连，可构成跟随器。2.Noninv.input引脚2:误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环

16、系统 中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端引脚9之间接入不同类型的反应网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。3.Sync引脚3:振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可 实现与外电路同步。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。该端与引脚5之间外接一只放电电阻， 构成放电回路。8.Soft-Start引脚8:软启动电容接入端。该端通常接一只5的软启动电9.Compensation引脚9: PWM匕较器补偿信号输入端。在该端与引

17、脚2之间 接入不同类型的反应网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。10.Shutdown引脚10 :外部关断信号输入端。 该端接高电平时控制器输出 被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。II. Output A引脚11:输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。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。引脚14和引脚11是两路互补输出端。15. Vcc引脚15:偏置电源接入端。16. Vref引脚16:基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准 电压。特点如下：1工作电压范围宽：8-3

18、5V。25.1 1 1.0% V微调基准电源。3振荡器工作频率范围宽：100HzH 400KHz.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。2.1.2 SG3525的工作原理SG3525内置了5.1 V精密基准电源，微调至1.0%,在误差放大器共模输入电 压范围内，无须外接分压电组。SG352刘增加了同步功能，可以工作在主从模 式，也可以与外部刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计8系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引

19、脚之间参加一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由丁SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525勺软启动接入端引脚8上通常接一个5的软启动电容。上电过程 中，由丁电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM匕较器 反向输入端处丁低电平，PW防较器输出高电平。此时，PWI存器的输出也为 高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上， 使之无法导通。只有软启 动电容充电至其上的电压使引脚8处丁高电平时，SG3525t开始工作。由丁实 际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压那么加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输

20、入电压的升高或负载的变化 而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWlMt较器输出为正的时间变长，PW倾存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短， 从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown 引脚10上的信号为高电平时，PW顺存器将立即动作，禁止SG3525勺输出，同时，软启动 电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结 束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬:空，应通过接地电阻 可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525勺正常工作。欠电压锁定功

21、能同样作用丁输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525勺输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG352弛具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWMft冲中止，输 出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PW嗽存器才被复位。刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计9第3章电源系统介绍本文设计的是12v/300A的半桥高频开关电源，电路由主电路和控制电路组成。3.1主电路结构及其工作原理半桥式开关电源主电路如图3所示。图中开关管Q1、Q2选用IGBT,因为它 是电压驱动全控型器件，具有驱动电路简单、驱动功率很小、载流密度小、饱和 压降低、开关速度快及平安工作区大等优点。半桥式

22、逆变电路一个桥臂由开关管Q1、Q2组成，另一个桥臂由电容E1、E2组成。高频变压器初级一端接在E1、E2的中点，另一端接在Q1、Q2的公共连接端，Q1、Q2中点的电压等丁整流后 直流电压的一半，开关Q Q2交替导通就在变压器的次级形成幅值为V i/2的 交流方波电压。通过调节开关管的占空比， 就能改变变压器二次侧整流输出平均 电压V o。Q1、Q2断态时承受的峰值电压均为Vi ,由丁电容的隔直作用，半桥 型电路对由丁两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量 具有自动平衡作用， 因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容。变压器原边并联的R3 C4组成RC

23、吸收电路，用来吸收高频尖 峰。值得注意的是，在半桥电路中，占空比定义为2 : D=2ton/Ts图3半桥电源主电路图3.2控制电路控制电路是开关电源的核心局部，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SG352融片为核心的控制电路。如图4所示，采 用包频脉宽调制控制方式。误差放大器的输入信号是电压反应信号，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应接成射极跟随 器形式，反应信号比拟精确，因而刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计10可以精确地控制占空比调节输出电压， 提高了 稳压精度。SG352融片振荡频率的设定范围为100500 kHz

24、,芯片的脚5和 脚7间申联一个电阻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：f s =1/( CT (0.7 RT + 3 R d).式中：CT , RT分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；R d是与 脚7相连的放电端电阻值。此处CT、RT、R d分别为图中的C21、R32、R30,取值分别为10000p、15k、200代即频率为13khz。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。 驱动隔离电路如 图5所示。保护电路是开关电源中必不可少的补充，

25、在这个电路中采用了输入过流保护、 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申入小磁环，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，当原边电流大丁设定值即plp高丁0.7v时那么将8脚电压拉低，关断3525的PWM输出从而保护电路。输出过流保护是通过在副边主回路中申联分流 器，取样分流器两端的电压信号送到误差放大器的反相端，正常工作时运放输出高电平，当输出过流时，运放输出为低电平，从而拉低电压反应信号，从而使PWM占空比减小，实现输出电流保护。过热保护是通过一个温控开关接到3525的10脚来实现的，当过热时温控开关闭合以关闭使8脚电压

26、拉低从而关闭PWM俞出。图4 SG3525勺控制电路刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计11图5驱动隔离电路图刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计12第4章高频变压器的设计4.1原副边电压比n电压比计算的原那么是电路在最大占空比和最低输入电压的条件下，输出电压能到达要求的上限，公式如下：n ViminDmaxZ(Voma) A V)式中叫电路中的压降，一般取2V。4.2磁芯的选取及变压器的结构目前变压器较为简洁常用的设计方法是Ap法。可根据下面公式选取适宜的 磁芯：AP=AeAWPtZ (2f Bkcj )式中，Ae为磁芯截面积；Aw为磁芯的窗口截 面积；Pt为变压器传输的

27、总功率；f为开关频率；B为磁芯材料所允许的最 大磁通摆幅；kc为绕组的窗口填充系数；j为导线的电流密度。在这里有PT=360(X ( 1+ 1Z0.9 ) , 0.9为效率，这里B取0.2T , kc取0.4 , j一般取4AZmm2查有关磁芯手册，查得U17磁芯，其Ae=442mm2 Aw=390mm2那么其Ap=98840mm4考虑到留有一定的裕量使电源更可靠地工作，这里采用12个磁芯组合而成。由丁变压器传输的功率较大，寄生参数对其影响很大。所以变压器的 绕制方法很重要，否那么会引起变压器的性能下降。4.3变压器初、次级匝数为了保证在任何条件下磁芯不饱和，设计时应按照最大伏-秒面积计算匝

28、数。因为电路中电压的波形都是方波， 所以最大伏一秒面积的计算可以简化为电 压和脉冲宽度的乘积。通常计算二次侧最大伏-秒面积较为方便。 对半桥电路有：N2=voZ (2A BAefs) ,N1=nXN2代入数值计算得，变压器的次级匝数为2匝, 取中抽为负极，由原副边电压比n可计算得到变压器的初级匝数为15匝。4.4确定绕组的导线线径和导线股数在选用绕组的导线线径，要考虑导线的集肤效应。为了更有效的利用导线， 减小集肤效应的影响，一般要求导线线径小丁两倍穿透深度,即应选用线径r小丁2A0刘永发：基于SG3525的半桥高频开关电源设计13结论经过以上分析和计算，本文设计的半桥开关电源额定输出功率为3600瓦，输出电压为12V,下列图为电路工作时的实验波形，输出电压为12V,输出电流为300A。图6为驱动电路输出的驱动波形，从图中可以看出驱动脉冲的前沿比拟 陡，电压上升很快，有一个微小的尖峰，可以迅速的驱动功率管，而在关断时