半桥同步整流设计报告

1、半桥倍流同步整流电源的设计摘要：现如今，微处理器要求更低的供电电压，以降低功耗，这就要求供电系 统能提供更大的输出电流，低压大电流技术越发引起人们的广泛关注。 本电源系 统以对称半桥为主要拓扑，结合倍流整流和同步整流的结构，并且使用MSP430单片机控制和采样显示，实现了 5V, 15A大电流的供电系统。效率较高，输出纹 波小。关键词：对称半桥，倍流整流，同步整流，SG3525一、方案论证与比较1电源变换拓扑方案论证方案一：（如下图）此电路为传统的半桥拓扑。由于 MOS管只承受一倍电源 电压，而不像单端类的承受两倍电源电压，且较之全桥拓扑少了两个昂贵的 MOS 管，因此得到很大的应用。但在低压

2、大电流的设计中，输出整流管的损耗无疑会 大大降低效率，而且电感的设计也会变得困难，因此不适合大电流的设计。MOSFET-NGNDGND方案二：传统半桥+同步整流。将上图半桥的输出整流管改为低导通阻的 MOSFET。如此可大大减小输出整流的损耗，提高效率。比较适合大电流的整流 方案，但变压器的绕制和电感的设计较麻烦。方案三：（如下图）半桥倍流同步整流。倍流整流很早就被人提出，它的特 点是变压器输出没有中心抽头，这就大大简化了变压器的设计，并且提高了变压 器的利用率。而流过变压器和输出电感的电流仅有输出电流的一半， 这使得变压器和电感的制作变得简单。并 且由波形分析可以知道，输出电流的纹波是互相

3、抵消的。该电路的不足是电路时序有要求， 控制稍显复杂。由上分析我们选择方 案三。2控制方案选择方案一：由于控制芯片SG3525输出两路互补对称的PWM信号，则可将控 制信号做如下设置（如下图）。将驱动Q1的信号与Q4同步起来，Q2和Q3的信号同步，则可以实现倍流 同步整流的时序同步，方案简单易行，但由于 SG3525在输出较小占空比时有较 大的死区，则输出MOSFET的续流二极管会产生较大的损耗。方案二：。反激变换。将SG3525的驱动信号反向后送入输出整流 MOS管，如此可以极大的减少低占空比时的损耗，且仅需一对反向驱动，故选 用方案二。MAX価二、电路设计与参数计算1总体方案设计电路整体采

4、用半桥结构，电压型控制器件 SG3525产生PWM控制信号，频 率为30KHZ，分别经过半桥驱动IR2110和双反向驱动MAX626，分别驱动开关 管和输出整流MOS管。功率变换产生的电压波形经倍流整流输出。电流采样使 用高端电阻采样，为0.005欧。电流信号转化为电压信号，经放大、比较，送至 单片机和控制芯片。单片机LCD显示输出电压、电流并且可以通过按键调节电 压和电流过流点。下图为总体的系统框图。2电源主电路设计根据指标，系统输入电压为2530V,输出电压为5V，输出电流为15A，输 出电流过流点为18A(+-1A)。输出整流管我们选择了 IRF3025。其耐压值为55V， 额定电流为1

5、10A，导通阻为8m欧。非常适合用作同步整流的低压大电流结构。控制芯片我们选用SG3525,这是一款非常实用的电压型控制器件。它自带了高 精度的 5.1V 基准，工作电压宽，具备软启动和输入高电平关断，其输出采用图 腾柱输出，拉灌电流达200mA。驱动芯片采用IR2110和MAX626。IR2110为专 用的半桥驱动芯片，其输出入电流达2A，延时短。MAX626输出峰值电流达2A， 开关延时仅20ns。反馈控制使用光耦PC817+TL431精密基准，适应性强。1.1 主变压器的设计绝大多数磁性元件都是自行设计的， 变压器作为功率变换的主体， 其设计的 好坏直接影响到系统的质量。根据要求，输入电

6、压为 2530V，输出电压为5V， 输出电流为15A。效率> 80%。则输出功率Pout=75W, Pin=93.75W我们选用EC40的磁芯，其高宽比较大， 且便于绕制。平均输入电流 Iin=Pin/Vin=3.8A ，输入峰值电流 Ipk=2.8Pout/Vin(min)=8.4A 由：V=NAe(dB/dt)Np/Ns=Vp/Vs=(Vin/2)/(V out/D)得：匝比 N=Np/Ns=5：6；Dmax=0.3；再考虑大电流下的铜损和铁损， 变压器原边取 5匝，副边取 6匝，辅助绕组 取7匝。原边采用线径 0.47的铜线 4线并绕，副边采用 9线并绕。1.2 输出滤波器设计及计

7、算 由于采用倍流同步整流，输出滤波器的平均电流只有输出电流的一半。由：V=L(di/dt)可知电感 L=Et/r*Io, 其中 Et 为电感的伏秒数， r 为输出电流的纹波比， Io 为电感平均电流。为了达到纹波峰峰值小于10mV，我们取L=400uH，可以满足要求。 输出电容与电感一起，对于负载的能量传送和谐波抑制有十分重要的作用。输出电容我们采用大容量电解电容加高频特性好的薄膜电容。根据C=Iout(max)*D/f*Vpp其中 f=30KHz ， Vpp=10mV， Iout=15A电解电容使用一个3300uF和两个1000uF的电容并联，薄膜电容使用两个0.01uF的并联。1.3 反馈

8、电路的计算反馈电路我们选用光耦PC817和精密基准TL431。由于输出电压为5伏， 并且 TL431 的基准脚需要 2uA 的电流，所以分压电阻都选为 10k。 PC871 的电 流传输比CTR约为0.81.6,即：lc/lf=CTR为了满足光耦和TL431的工作条件，取工作电流为3mA,与光耦串联的电阻 R=(5-1.2-2.5)/3mA=430 欧，取 470 欧。则在满足增益的条件下，光耦输出上拉 电阻取为2k。为了让反馈稳定工作，需要加补偿网络，我们选用II型补偿。由控制理论可知，电源闭环反馈的相位裕度需 >=45 度。由于输出滤波器是 一个二阶低通滤波器，会产生 180度的最大

9、相移，而 TL431 反馈也会产生相移， 经计算并实际测试，补偿网络的取值如下：3 控制电路设计控制系统是系统的关键部分，控制电路的好坏直接影响电路的效果。 为了达 到较好的控制精度，我们采用光耦+431的反馈方法，将光偶的反馈信号输到误 差放大器的同向端2脚，将误差放大器接成跟随器的形式。SG3525的部结构如SG3525芯片的频率围从100500KHz,其输出死区可通过 Rd调节。它的 振荡频率可通过 f=1/(Ct(0.7Rt+3Rd)计算得到。此处 Ct=1 nF, Rt=24K，Rd=68, 可得到输出频率为30KHz。为了充分利用SG3525的特点，我们设置了软启动和 输出过流保护

10、。软启动电容采用 2.2uF。输出过流保护信号直接接到误差放大器 的输出端，达到过流限流保护的作用。驱动半桥我们采用集成驱动芯片IR2110,简化了驱动电路的设计，有利于系统的调试。4采样保护电路设计为了防止输出电流过大，设置输出过流保护是十分必要的。由于输出电流 大，为了达到较好的效率，我们使用0.005欧的电阻。当输出电流达到过流点18A 时，采样电阻上的压降为0.09V，经INA155放大后，一方面送入单片机采样显 示，另一方面与过流基准比较，得到过流信号，电路进入限流保护模式。并且输 出过流点可由单片机调节，实现过流点步进调节。输出电压同样经分压输出到单 片机显示。二、系统调试调试阶段

11、。由于开关电源干扰大，我们调试中遇到不少问题。开始就发现 SG3525的驱动波形有一些异常，不是很稳定，于是我们加强了芯片的去耦设计， 但是效果不大。后来我们发现 SG3525的振荡波形并不稳定，猜想可能是地回路 上干扰过大，于是我们在输入都串上磁珠，后振荡波形稳定，驱动波形改善。在 调整率测试阶段，发现空载到满载的输出电压变化较大， 我们仔细查看了控制部 分，发现采样点的接地离 TL431的地较远。于是我们将输出电压直接采样，用 双绞线连接到TL431的接地端。测试结果表明调整率得到了改善，达到了1%的负载调整率。四、测试结果与分析1测量效率满载时输出电流为15A，电压，电流由万用表读出、卄

12、 +、，满载效率/%25/V27.5/V30/V81.08%81.49%81.85%81.86%81.74%81.85%81.87%81.84%81.96%平均值81.60%81.69%81.89%由上可知：满载效率达到要求 不同负载下效率输出电流5/A10/A15/A输入电压效率/%25N85.30%83.97%81.60%27.5/V84.80%84.06%81.69%30/V84.01%84.10%81.89%2纹波的测量输出纹波在满载15A时测量，由示波器读出25/V27.5/V30/V纹波/mV21.8由以上可得系统未达到输出纹波小于等于 10mV的要求3负载调整率输出电流0/A5/

13、A10/A15/A输入电压输出电压/V25V5.004.984.974.9627.5V5.004.984.974.9630V5.014.994.974.96由上可知：负载调整率为1%,满足系统要求 4电压调整率输入电压25/V27.5/V30/V输出电流输出电压/V0A5.005.005.015A4.984.984.9810A4.974.974.9715A4.964.964.965预设过流点误差测试条件：输入电压30V,预设值实际值偏差值17A18A19A五、设计总结1 指标对比通过对比指标和测量结果， 电源的效率， 电压调整率和负载调整率均达到要 求。实现了电压、 电流显示和过流点控制。 唯一的缺陷是输出的电压纹波没有达 到指标。若改善布局、减小漏感、使用高频元件可进一步减小输出电压纹波。2 设计小结 本系统以半桥为主拓扑， 采用输出倍流同步整流的设计， 是实现低压大电流 输出的良好选择。采用 SG3525 控制和集成驱动芯片，简化了电路设计，提高了 系统的稳定性。利用MSP430单片机对输出显示和控制，提高了系统的可视化和 数字控制。3