高压高频开关电源分析张翔

1、研究生课程考试答题册得分:学 号姓名考试科目现代电源变换技术考时日期2021.1.8西北工业大学研究生院第一章 引言1 概述广义地讲 , 电源变换就是通过电子线路或其它手段使已有的某一频 率、某一电压的电源成为所需的频率和电压的电源所进行的变换。它包括 ( 1)DC 一 AC 变换将一种直流电压变换为另一种直流电压 ;(2)AC 一 DC 变换将交流电压变为直流电压 ;(3)DC 一 AC 变换将直流电压变为所需 的交流电压 ;(4)AC 一 AC 变换将一种频率的交流电压变为另一种频率的 交流电压。目前 , 电源变换大多采用电力电子技术。电源变换技术的开展 , 是以现代微电子技术和电力电子技

2、术的开展为 前提的 , 是依托现代的电力电子器件及推陈出新的电子线路 , 伴随日益提 高的生产应用需求而开展的。由于新型的电力电子器件不断涌现 , 不断成 熟 , 加之新型的脉宽调制电路、双零开关谐振电路的不断完善 , 新型电源 变换技术获得了越来越广泛的应用。相应地 , 新型电源变换装置正在向大 功率、小体积、高频率、高可靠性和模块化、数字化、智能化的方向开展。2 开关电源文献综述2.1 历史开展1955年美国罗耶(GH.Roger)创造的自激振荡推挽晶体管单变压器直 流变换器，是实现高频转换控制电路的开端； 1957 年美国人查赛( Jensen) 创造了自激式推挽双变压器； 1964年美

3、国科学家们提出取消工频变压器的 串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途 径；到了 1969 年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的 缩短等元器件改善，终于做成了 25千赫的开关电源。2.2 目前现状目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计 算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电 子信息产业飞速开展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电 源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz电源， 虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关 损耗，而要减少开关损耗

4、，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提 高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌 或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠 性。其中，为防止随开关从开启 -关闭，所发生的电压浪涌，可采用 R-C 或 L-C 缓冲器；而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯 制成的磁缓冲器。不过，对 1MHz 以上的高频，要采用谐振电路，以使开 关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也 可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源 的研究很活泼，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理 论上把开

5、关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种 主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆 Hz 的变换器的实用化研 究。可关断晶闸管 GTOGTO是一种可以借助负的门极电流脉冲关断的晶闸管，它除具有普通 晶闸管耐压高、电流大、耐浪涌能力强、造价廉价等优点外， 还具有自关 断能力， 且工作频率较高， 控制线路较简单。 进入80年代后， 它在高电压、 大电流应用方面取得了很大的进步。电力晶体管 GTRGTR是一种大功率、高反压的巨型晶体管，它具有开关时间短、饱和 压降低等优点，近年来被广泛用于交流电机调速和中频电源等装置中。 静电感应晶闸管 SITH它是一种在栅极上加反向偏压即处于阻

6、断状态 , 除去反向偏压即处于 导通状态的常开器件。它具有动态特性均匀、导通电阻小、正向压降低、 开关速度快、开关损耗低、耐量大等优点。功率场控晶体管 (Power MOSFET)它是一种单极型的电压控制器件 , 具有输入阻抗高、控制方便、热稳 定性好、抗干扰能力强、开关速度快、无二次击穿等优点。静电感应晶体管 (SIT)它是一种具有非饱和输出特性的器件，既可以工作在开关状态，也可 工作在放大状态。它具有工作频率高、输出功率大、失真小、输入阻抗高、 开关特性好、抗辐射能力强等优点。绝缘门极晶体管( IGBT )它集MOSFET电压鼓励和达林顿功率管大电流、正向饱和压降低的特 性于一体 , 具有

7、工作频率高、可靠性高、开关损耗低、脉冲拖尾电流低、工 作平安区大等优点， 应用在电机控制、50kHz以上的中频电源、各种开关 电源以及其它要求高速度、低损耗的领域。2.2.7MOS 晶闸管(MTC)MTC是晶闸管与MOSFET相结合的产物，主导元件是SCR，控制元件 是MOSFET。MCT具有高电压、大电流、低通态压降、高电流密度、高输 入阻抗、低驱动功率和高开关速度、高 dv/dt与di/dt耐量等优点,是一种很理 想的电子开关器件，是目前人们评价最高的一种混合器件。功率集成电路 (PIC)它是功率器件与驱动电路、控制电路以及保护电路的集成，它将成为 机与电的关键接口和机电一体化的关键部件，

8、 PIC 的开展和应用将使电力 电子技术进入智能化时代。目前，以IPM等为代表的第三代智能功率模块正 在大规模地占领市场。2.3 未来开展趋势模块化是开关电源开展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式 电源系统针对开关电源运行噪声大的缺点，假设单独追求高频化其噪声也必 将随着增大，而采用局部谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但局部谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需 在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。电力电子技术 的不断创新，使开关电源产业有着广阔的开展前景。要加快我国开关电源 产业的开展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合

9、开展之路，为我国国民经济的高速开展做出奉献。第二章 高频高压开关电源的工作原理分析2.1推动高频高压开关电源开展的主要技术功率半导体器件20世纪 90年代，用在电力电子变换的功率半导体器件 91有许多新的进 展，如:功率MOSFET和IGBT已完全取代功率晶体管(GTR)和中小电流的 晶闸管，使实际开关电源高频化有了可能。超快恢复二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效率的开关电源创造了条件。(2) 功率半导体器件的水平超过预测，电压、电流额定值分别达到:IGBT，330OV，1200A和25O0V，1800A;PowerMOSFET, 500V， 24OA;GCT(Gate eo

10、mmutatedTurr一offThyristor)4.skv，3kA;二极管，s000V， 4000A。(3) 功率半导体器件的晶片理想材料是碳化硅，已作出 25mm，40mm晶片，并试制出一批碳化硅器件样品。如肖特基二极管，175OV，70n 1A，正向压降VF一 1.3V。但是SIC器件要到达实用化，还需要一定时间。碳化硅(SIC) 是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是禁带宽、工作温度高(可达600r )、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。(4) 20世纪80年代，将功率器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等 集

11、成封装，称为智能功率模块(IPM)或智能功率集成电路。IPM工作电压可 高达15V;环境温度达+125 C。20世纪90年代，随着大规模分布电源系统的开展， 将IPM的设计观念推 广到更大容量、更高电压的集成电力电子电路，并提高了集成度，称为集 成电力电子模块 ( I PEM ) 。将功率器件与电路、控制，以及检测、执行元件 集成封装，得到标准的、可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于专 用、特殊设计。优点是可高效为用户提供产品，显著降低本钱，提高可靠 性。软开关技术PW开关电源按硬开关模式工作，开关过程中，开关器件的电压和 电流波形有交叠，因而开关损耗大。PWI开关电源高频化可以缩小体积重

12、量，但频率越高，开关损耗越大，为此必须研究开关电压和电流波 形不交叠的技术，即所谓零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术。软开关技术的开发和利用提高了开关电源的效率。 1994年2月，IEEE电力电子学会组织会议曾指出，高功率密度DC一 DC零电压开关变换器与开关器件性能、无源器件性能、封装技术等有很大 的关系。并预测不久，在保证可靠性增加一倍的根底上，功率变换器 本钱将降低一半，功率密度可提高一倍。现在，有的开关变换器产品 已到达这一目标。由于DC/DC变换电路中的功率开关管不是理想器件，在开通时开 关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降过程，同时它的电流 也不是

13、立即上升到负载电流，有一个上升时间。在这段时间里，电流 和电压有一个交叠区， 产生损耗， 我们称之为开通损耗 ( Turn-on Loss )。 当开关管关断时，开关管的电压不是立即上升到电源电压，电流也不 是立即下降到零，同样存在交叠区，产生损耗，我们称之为关断损耗( Turn-off Loss )4 。因此在开关管工作时要产生开通损耗和关断 损耗，我们统称为开关损耗( Switching Loss )。在一定条件下，开 关管在每个开关周期内的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率 就越低。开关损耗的存在限制了变换器的开关频率的提高

14、，从而限制 了变换器的小型化和轻量化。开关管工作在硬开关状态时还会产生高 dv dt和di dt，从而产生电磁干扰EMI问题。并且如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能超过平安工作区，导致开关管损坏。所谓“软开关通常是指功率器件工作在零电压开关ZVS( ZeroVoltage Switching )模式或零电流 ZCS( Zero Current Switching ) 模式5。软开关技术的实质就是通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中的电流或两端电压按正弦或准正弦规律变化，当电流自然流过零 时，使器件关断；当电压下降到零时，使器件导通。功率器件在零电 压或电流条件下完成导通与关断过程，

15、将使功率器件的开关损耗理论 上为零，从而提高变换器的工作频率，减小变换器的体积和重量。图21给出了硬开关和软开关的电压与电流波形示意图，可以比照分析。由于为了解决硬开关全桥变换带来的一系列负面影响，我们采用适宜 的软开关技术来进行相应的设计。UUIIIUUIIa硬开关波形b软开关波形图2 1开关管的硬开关和软开关的理想波形控制技术由于开关变换器的强非线性，以及它具有离散和变结构的特点、 负载性质的多样性，主电器的性能必须满足负载大范围变化，所以这 些使开关变换器的控制问题和控制器的设计较为复杂。一些新的控制方法，如自适应、模糊控制、神经网络控制、以及各种调制策略在开 关电源中的应用，已引起人们

16、的注意。电流型控制及多环控制已在开 关电源中得到较广的应用 ；电荷控制、一周期控制、Hco控制、DSP空制技术的开发及相应专用集成控制芯片的控制，使开关电源动态性能有 很大提高，电路也大幅度简化。2.1.4 有源功率因数校正技术由于输入端有整流器件和滤波电容，许多整流电源供电的电子设 备使电网侧 输入端 功率因数仅为 0.65 。用有源功率因数校正技术 简 称APFC可提高到0.95 0.99，既治理了电网的“谐波污染，又提高 了电源的整体效率。另外还有高频磁元件、饱和电感的应用、分布电 源、电源智能化技术、开关电源的EMI与EM等技术都推动开关电源的开展。2.2 高频高压开关电源设计的根本原

17、理2.2.1 系统设计原理开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工 作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的根本构成如 图2.2所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部 分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电 路Rl、RZ检测输出电压变化，与基准电压Ur比拟，误差电压经过放大及脉宽调制PWM电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比， 从而到达调整输出电压大小的目的。图2.3是一种电路实现形式。DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的 PW变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型 变换图22开关电源的根本构成对于串联

18、线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的 频率特性决定但对于开关型稳压电源输入的瞬态变化比拟多地表现在 输出端提高开关频率的同时，由于反响放大器的频率特性得到改善， 开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输 出端LC滤波器特性决定，所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波 器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。咼频咼压开关电源的电路结构有多种(1) 按驱动方式分，有自励式和他励式。(2) 按DC/DC变换器的工作方式分：单端正励式和反励式、推挽式半桥式、全桥式等；降压型、升压型和升降压型等(3) 按电路组成分，有谐振型和非谐振型。 按控制方式分：脉冲宽度调制(PWM

19、式;脉冲频率调制(PFM) 式；PWI与PFM混合式。(5)按电源是否隔离和反响控制信号祸合方式分，有隔离式、非隔 离式和变压器藕合式、光电祸合式等。高频高压开关电源系统原理框图如图2.4所示。高压电源的输入信号赖自220V的交流市电，经整流滤波后与PWI脉冲调制器的输出信号一起驱动高频变压器，通过高频变压器得到的高压电源再经整流滤波后，输出直 流高压。输出反响信号经光电隔离后反响给脉冲调制器，通过与脉冲调制 器中误差放大器的基准电压比拟，控制脉冲调制器的输出占空比，以调节 输出电压。图2.4系统原理框图2.2.2 高频高压开关电源的组成高频高压开关电源通过 MOSFE或IGBT的高频工作，开

20、关频率一般 控制在50一 100kHz范围内，实现高效率和小型化。高频开关电源主要 由以下几个局部组成(1) 主电路 从交流电网输入、直流输出的全过程，包括以下几个局部。 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 产生的杂波反响到公共电网。 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。 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 核心局部，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 输出整流与滤波根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。(2) 控制电路 一方面从输出端取样，经与设定标准进行比拟，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，到达输出稳定，另一

21、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。(3) 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。(4) 辅助电源为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直 流电源，以保证它们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的，也可以 由开关电源本身产生。2.3 开关变换器高频高压开关电源可分为 AC/DC和DC/DCW大类，DC/DC变换器现己 实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均己成熟和标准化，并 己得到用户的认可，但 AC/DC勺模块化，因其自身的特性使得在模块化 的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。变换DC/DC变换是

22、将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton 通用 ，二是频率调制方式， ton 不变，改变 Ts 易产生干扰 。其 具体的电路由以下几类。1Buck电路一降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。2Boost电路一升压斩波器，其输出平均电压Uc大于输入电压Ui ，极性相同。3Buck 一Boost电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压UOfc于或小于输入电压 Ui ，极性相反，电感传输。4Cuk电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压U,极性相反，电容传输。当今软开关技术使得 DC/DC

23、发生了质的飞跃，美国 VICOF公司设计 制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W 600W800W等，相应的功率密度为6、2、10、17w/em3，效率为50 一 90o，oo0本NemieLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关 电源模块Rh系列，其开关频率为200 一300kHz，功率密度己到达27W 几m，采用同步整流器Mos一FE代替肖特基二极管，是整个电路效 率提高到 90%o2.4 控制方式开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供应负载 RL，在整个开关接通期间， 电源E向负载提供能量；当开关

24、K断开时，输入电源 E便中断了能量的提 供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续 的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将 一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。改变接通时间 TON 和工作周期T的比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率 控制 TRC按TRC空制原理，有三种方式：(1) 脉冲宽度调制PW开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占 空比的方式。(2) 脉冲频率调制PFM导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率 来改变占空比的方式。(3) 混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式， 它是以上二种方式的混合。P

25、W脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期 来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来 实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无 关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需 恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的 功率因数大大改善。利用 PW逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使 用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。 脉宽调制(PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使 输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需 要的波形。也就是在输出波形的半个周

26、期中产生多个脉冲，使各脉冲 的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一 定的规那么对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大 小，也可改变输出频率，采用现有的器件和电路技术，一般可使PW开关电源工作在几十kHz至于百kHz的开关频率，电源装置在重量、效率、可靠性、价格和外形尺寸方面可认为是最正确的，适合于中、大功率的 应用场合。而且，采用一般的 PW调制方式，对元器件的要求也不会太 高，很适合于实现设备的高性价比。脉冲宽度调制PWM变换器就是通过重复通 /断开关工作方式把一 种直流电压电流变换为高频方波电压电流，再经过整流平波后变 为另一种直流电压输出。PW变换器有

27、功率开关管、整流二极管及滤波电路等元器件组成。输入输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器 进行隔离和升降压。PW变换器的工作原理如图 2.5所示。由于开关工作频率的提高，滤波电感 L,变压器T等磁性元件以及滤波电容 C等都可 以小型化。图2.5 PWM变化器的根本工作原理对于PW变换器，加在开关管 S两端的电压Us及通过S的电流i、的 波形近似为方波，如图2.6所示对于这种变换器，有两种工作方式。一种是保持开关工作周期Ts不变，控制开关导通时间 ton。的脉冲宽度调制PWM方式，另一种是 保持导通时间t on不变，改变开关工作周期Ts的脉冲频率调制PFM方式。offS on onUn图2.6变

28、换器幵关工作的波形对于这种变换器，有两种工作方式。一种是保持开关工作周期Ts不变，控制开关导通时间 ton。的脉冲宽度调制(PWM)方式，另一种是 保持导通时间t on不变，改变开关工作周期 Ts的脉冲频率调制(PFM)方 式。2.6 MOS管模型参数提取电路仿真是集成电路设计中的重要环节，电路仿真结果的精度虽然受 仿真工具的约束，但电路中器件模型参数的精度往往是影响电路模拟精度 的首要因素。阈值电压VT0和饱和区跨导KSKsWeff2LeffVgs2VTO1VDSVDS远小于1KsWf2LeffVGS2VTO1VGSId2K SW (S1eff )22Leff(KsWf(2Leff1)S。y

29、 mx bm 0.002 b 0.002因此可以得到MOS管的阈值电压VT0和饱和区跨导KS如下KS 2m2-LefL 40 A/V2WfbVto 1Vm线性区跨导KLMOS管模型在线性区的方程式如式WfVds2Id Kl() (Vgs vto)vds(1VDS)Wf2Vds0.5VVsb0V WeffW 1m Leff L 5 m令y IdxVgsWeffm Kl()VdsWeffbKl()VDS(Vto于)Weff2ymxb6m 5 10b 6 10 6Klm LeffvDsweff250 AZKl/C°x 725CM 2 /V ?S263沟道长度调制系数入Vgs 3V,Vsb

30、0V,Weff W 1 m,Leff1 D VDSy 1 D , x VDS , m1 D ,b I Dy mx bm 3 107 b 1 10 5m10.03Vb体效应系数丫VT VTOy/2 F VSB yf2 Fy VtX 血 F VSB V2 Fm ,b VTO,y mx bVsb时因此先求得不同Vsb时的Vt,由图2.7中拟合曲线可以计算得到不同 的阈值电压VtI D(1/2A)1.0E2.0E3.0E4.0E5.0E6.0EV GS(V)Nsub0.37V图2.7Vsb(V)VT(V)1)(V")(J2IF |V SBJ2 |F0100.51.20.2541.01.50.

31、4591.51.50.6372.01.790.795F表2.1根据表2.1拟合得1m 0.9244V22.7本章小结本章介绍了高频高压开关电源的根本工作原理；总结了开关电源中常用的开关变换器； 介绍了开关电压的控制方式，采用功率MOSE管第3章咼频咼压开关电源的电路设计高频高压开关电源的主电路框图如图3.1所示。交流输入电压经电网滤波、桥式整流滤波得到300V直流电压，通过功率变换电路得到160V直流电压，通过全桥驱动电路将160V直流电压转换成160 V交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出高频交流电压，最后经过输出整 流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流 电压。图3

32、.1主电路框图3.1交流输入滤涉及输入桥式整流滤波电路开关电源的高速开关瞬态往往会产生很高的射频分量，从而污染交流馈电线路，交流电源能传递电气噪声和电磁辐射，导致开关电源 中的瞬变再辐射和传递到其它负载。电源输入滤波主要由工频低通滤 波器和共模扼制元件组成，封闭在磁屏蔽盒内且可靠接地。电源输入 滤波又称电磁干扰EMI或射频干扰滤波器。3.2软启动电路咼频咼压开关电源的输入端一般接有输入滤波器。在开机瞬间，滤波电容器会流过很大的浪涌电流，这个浪涌电流可以为正常输入电 流的数倍。这样大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合 闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏，并使输入保险丝熔断；轻者也会使空气

33、开关产生打火现象，合不上闸。另外，浪涌电流也会损害电容 器，使之寿命缩短，过早损坏。为此，要设置防止浪涌电流的软启动 电路，如图3.2所示，以保证开关电源正常而可靠地运行。12V+5CPUR2图3.2软启动电路图3.2采用继电器KI和限流电阻R2构成软启动电路。在输入 EMI滤 波器的输出断接入一个限流电阻R2,通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，以致影响开关电源的正常 工作，而在开机暂态过程结束后，用一个继电器KI自动短接它，使直流电源直接对开关稳压器供电,这种电路称之谓直流开关电源的“软 启动电路。3.3 功率变换电路及其驱动电路驱动电路是主电路和控制电路之间

34、的接口，良好的驱动电路设计 对装置的运行效率、可靠性和平安性都有重要意义。驱动电路的作用 是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动功率器件。确定功率器 件的种类及其型号后，可根据功率器件工作模式选择其适宜的驱动电 路，包括驱动电源、隔离装置、隔离变压器、逻辑门电路等等。开关元件选用功率M0管24N4OE其工作频率可提高到 200kHz以 上，具有开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFE。SG3525是电流控制型PW控制器，所谓电流 控制型脉宽调制器是按照接反响电流来调节脉宽的。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号进行

35、比 较，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。 由于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，是目前比拟理想的新 型控制器。SG3525根据变压器副边反响的电压信号调整输出信号的占 空比。由于主电路采用双端正激式，门极信号需要隔离，因而SG3525输出端接于变压器TZ原边两端，两个副边分别驱动开关管栅极。控制器 SG3525PwM!成控制器通常分为电压型控制器和电流型控制器两种。电压 型控制器只有电压反响控制，可满足稳定输出电压的要求，电流型控 制器增加了电流反响控制，除了稳定输出电压外，还有以下优点：当 流过开关管

36、的电流到达给定值时，开关管自动关断；自动消除工频输入电压经整流后的纹波电压，在开关电源输出端，300Hz以下的纹波电压很低，因此可减小输出滤波电容的容量；多台开关电源并联工作时， PW开关控制器具有内在的均流能力；具有更快的负载动态响应。图3.3SG3525的引脚图和内部框图引脚1为误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反响信号。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。引脚2为误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，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响网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。引脚3为振荡器外接同步

37、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。INV.inputVrefViSYNCBOSC.OUTVCCTGNDRTADISCHSTUTDSOFTCOMP2153144135126117109816图3.3SG3253引脚图引脚4为振荡器输出端。引脚5为振荡器定时电容接入端。引肚p6为振荡器定时电阻接入端。引脚7为振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。引脚8为软启动电容接入端。该端通常接一只的软启动电容引脚9为PW比拟器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反响网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。引脚10为外部关断信号输入端。该端接高电

38、平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，用于实现限流控制，以实现故障保护。引脚11为输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。引脚12为信号地。弓!脚13为输出级偏置电压接入端。引脚14为输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。引脚15为偏置电源接入端，接 SG3525勺工作电源+ISV。引脚16为基准电源输出端。该端可输出温度稳定性极好的基准电 压。SG3525内部结构框图如图3.4所示，主要有基准电源、振荡器、误 差放大器、PW比拟器和锁存器、触发器、或非门电路和图腾输出电路 等几大局部组成。图3.4 SG3525 内部结构框图SG352在第一代脉宽调制芯片SG3524勺根底

39、上作了较大的改良，主要 表现在以下几个方面。电路中设置了欠电压锁定和限流关断电路为了防止在欠电压状态下 (<8V) 时有效地使输出保持在关断状态，电路中设置了欠电压封锁电路，当U>2.5V 时，欠电压封锁电路就开始工作，其上限值为 8V,但在电路到达8V前，电 路各局部已进入正常工作状态，而当从 8V下降到7.5V时，锁定电路又开始 恢复工作，其中有0.8V的回差电压，用于消除钳位电路在阀值点处的振荡。 在锁定电路工作期间，输出一高电平，加至组合逻辑门电路的输入端，以 封锁PW的脉冲信号。SG352没有电流限制放大器，它采用了关断控制电路 来进行限流控制，其中包括逐个脉冲的电流限制

40、和输出电流的限流控制， 只要将信号加于 ro 脚就能实现限流控制。另外 ro 脚也可提供各种程序控制 的需要。改良了振荡电路主要是将时基电容的放电电路与充电电源分开，单独设立 引脚7, C放电通过外接电阻F来实现，改变R即可改变C的放电时间常数，从 而也改变了死区时间，而C的充电是由R规定的内部电流源决定的。输出电路的改良SG352输出级采用了图腾柱输出电路，它能使输出管更快地关断，V1由达林顿管组成，最大驱动能力为100mA V2乍为开关器件，在其导通时可以迅 速把外接M0管栅极上的电荷从它的集电极泄放至地，最大吸收电流为 50mA振荡器通过外接时基电容和电阻产生锯齿波振荡，同时产生时钟脉 冲信号，该信号的脉冲宽度与锯齿波的下降沿相对应。时钟脉冲作为由T触发器组成的分相器的触发信号，用来产生误差为 180°的一对方波信号，误 差放大器是一个双级差分放大器，经差分放大的信号与振荡器输出的锯齿 波电压，加至PW比拟器的输入端，比拟器输出的调制信号经锁存后作为或 非门电路的输入信号，或非门电路的输出即为图腾柱电路的驱动信号SG3525勺工作原理SG352内置了 5.1V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还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提