基于SG3525的單相AC—DC變換電路的設(shè)計(jì)與制作

【摘要】隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性高效率開(kāi)關(guān)電源得到了廣泛應(yīng)用，交流變直流的變化成為變換電源技術(shù)的重要方法。本文采用SG3525脈寬調(diào)制芯片設(shè)計(jì)電源變換電路，TL431與光耦PC817作為輸入電路、輸出電路、過(guò)壓保護(hù)電路和過(guò)流保護(hù)四大部分組成主控電路。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試后測(cè)試得到，當(dāng)輸入交流電壓為24A時(shí)，輸出直流電流2A，直流電壓36V。

【關(guān)鍵詞】SG3525;開(kāi)關(guān)電源;AC-DC變換;設(shè)計(jì)

1.引言

SG3525能輸出穩(wěn)定PWM脈沖，采用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)作為交流變成直流的控制器件，所用到的其他元器件較少。它簡(jiǎn)單可靠及使用方便，其芯片內(nèi)部含有電壓過(guò)小時(shí)可以將其鎖定的電路、脈寬鎖存器、具有電壓電流過(guò)大時(shí)能夠保護(hù)的功能，可以調(diào)節(jié)輸出頻率、占空比等電路。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用市電供電，中間插入了一個(gè)電源變壓器，將220V市電變換成24V電壓，通過(guò)整流、濾波，變換成開(kāi)關(guān)電源所需要的直流電源，系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示[1]。電路主要包括隔離降壓電路、整流濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、輸出電路、穩(wěn)壓電路、過(guò)流保護(hù)電路以及輔助電源電路等[2]。

圖2-1 系統(tǒng)總體框圖

3.硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要由整流電路、升壓斬波電路、PWM波形調(diào)制、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)等模塊組成，各個(gè)部分的工作原理及設(shè)計(jì)如下。

3.1 脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)脈寬調(diào)制器采用SG3525，它性能優(yōu)良、功能齊全和通用性比較強(qiáng)的單片集成脈寬調(diào)制控制的芯片，它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力[3];當(dāng)內(nèi)部電壓過(guò)小的時(shí)候，它可以將其鎖定的電路、脈寬調(diào)制鎖存器，電流過(guò)大時(shí)可以起到一定保護(hù)的功能，而且頻率的范圍也可以進(jìn)行調(diào)整等諸多優(yōu)點(diǎn)。

3.2 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路組成

SG3525的內(nèi)部有基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟啟動(dòng)電路和輸出電路構(gòu)成[4]?？刂菩酒捎妹}寬調(diào)制控集成電路SG3525產(chǎn)生PWM波形，控制開(kāi)關(guān)管的通斷、選擇為1000pF和24K;開(kāi)關(guān)頻率選44kHz;采用SG3525可推直接驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管。

3.2.1 頻率可調(diào)

如下公式所述，改變電阻和電容的值來(lái)調(diào)節(jié)PWM波的輸出頻率，頻率等于1除以RT乘以0.7加上RD乘以0.3在乘以CT的乘積，其頻率的計(jì)算公式為：

（3-1）

3.2.2 死區(qū)時(shí)間可調(diào)

為了防止逆變橋的上下橋臂在強(qiáng)電流的情況下直通，可以通過(guò)調(diào)節(jié)SG3525的5腳外接可變電阻從而可以改變死區(qū)時(shí)間的大小。

3.2.3 具有PWM脈沖信號(hào)封鎖功能

在SG3525脈寬調(diào)制芯片中，10腳功能用于電壓或者電流過(guò)大時(shí)的故障保護(hù)電路，當(dāng)該腳為高電平的時(shí)候?qū)?huì)封鎖輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。當(dāng)10腳電壓低于2.5V時(shí)（即為低電平時(shí)），可以及時(shí)地封鎖輸出脈沖，這是為了防止出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流故障時(shí)對(duì)電路產(chǎn)生的一系列危害。

3.2.4 芯片內(nèi)振蕩器

工作頻率為100Hz～400KHz。設(shè)有引腳3為同步端，為多個(gè)SG3525連用提供方便。

3.2.5 具有軟啟動(dòng)電路

SG3525內(nèi)置了PWM鎖存器，它可以將送來(lái)的置位信號(hào)進(jìn)行比較之后再進(jìn)行鎖存，并且可以將噪聲、振鈴等諸多信號(hào)全部濾除，該系統(tǒng)的可靠性提高，這是因?yàn)閮H在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)到來(lái)的時(shí)候，PWM鎖存器才能重新置位[5]。

3.3 SG3525的工作原理

SG3525內(nèi)部設(shè)置有5.1V精密基準(zhǔn)電源，還設(shè)有同步功能，為了對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)，可變電阻加在第5引腳和第7引腳之間，以便有效的調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間的大小，SG3525集成一個(gè)電路，該電路具有軟啟動(dòng)功能，通過(guò)外接一個(gè)定時(shí)電容便可以對(duì)該電路進(jìn)行有效的控制調(diào)節(jié)，圖3-1為其外圍電路接線圖[6]。

圖3-1 SG3525的外圍電路接線圖

當(dāng)輸入電壓升高或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)輸出電壓便會(huì)增加，而且誤差放大器的輸出會(huì)降低，從而使得PWM比較器的輸出的正脈沖的寬度增加，PWM鎖存器輸出高電平的時(shí)間增加，輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)變短，最終使得輸出電壓降為額定值，完成了穩(wěn)定電壓的狀態(tài)變化過(guò)程，反之亦然。電壓過(guò)小時(shí)具有欠電壓鎖定功能，如果輸入電壓過(guò)低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電[7]。此外，SG3525還具有以下功能，即無(wú)論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖信號(hào)中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)，PWM脈寬調(diào)制鎖存器才被復(fù)位[8]。

3.4 工作頻率及功率開(kāi)關(guān)管的選取

由于開(kāi)關(guān)電源對(duì)開(kāi)關(guān)二極管的開(kāi)關(guān)速度及頻率要求是非常的高，一般在快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管中進(jìn)行選擇，選取兩者中的最優(yōu)者最為開(kāi)關(guān)管。由于肖特基二極管的正向?qū)▔航当容^小，恢復(fù)時(shí)間較短等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇肖特基二極管。

4.系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

4.1 整流電路

整流電路是將50Hz單相交流220V的交流市電電壓經(jīng)過(guò)變壓器降壓之后，變成24V/2A的交流電壓，通常采用電容性負(fù)載以及二極管IN4007作為整流電路，其電路圖如圖4-1所示。

圖4-1 整流電路

4.2 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換電路

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換電路主要包括SG3525 PWM波形控制電路和升壓斬波電路，以及還有周?chē)妮o助電路，例如過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路，反饋穩(wěn)壓電路等[9]。

4.3 SG3525 PWM波形調(diào)制電路

在圖4-2所示的PWM波形控制電路中，集成控制器SG3525的振蕩頻率由7腳的電阻，振蕩器頻率由外接電阻、和電容決定，頻率等于1除以RT乘以0.7加上RD乘以0.3在乘以CT的乘積，其振蕩頻率的計(jì)算公式為：

（4-1）

SG3525管腳1與9相連接相當(dāng)于給該芯片構(gòu)成了一個(gè)可反饋補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)，2腳接基準(zhǔn)電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓輸出端，將得到的取樣電壓值作為其設(shè)定的初始電壓值，8腳可接一個(gè)無(wú)極性小于1uF的電容，其電容是用來(lái)在軟啟動(dòng)時(shí)減少功率開(kāi)關(guān)管的沖擊力而設(shè)置，管腳11和14采用的是并聯(lián)單端輸出的方式連接，其外部加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，增強(qiáng)了其電源輸出電壓的可靠性與穩(wěn)定性[10]。

4.4 過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路（見(jiàn)圖4.3）

SG3525有關(guān)斷保護(hù)功能，可用于過(guò)流保護(hù)，采樣電阻（0.1Ω），若電流過(guò)大，開(kāi)關(guān)管將會(huì)處于關(guān)斷狀態(tài)，使輸出電壓降低，形成保護(hù)功能，一旦檢測(cè)電壓降低，就會(huì)重新產(chǎn)生PWM波形，此電路具有自恢復(fù)功能，過(guò)流保護(hù)動(dòng)作電流為5.5A，其電路圖如圖4-3所示[11]。

4.5 欠壓鎖定功能

SG3525控制器內(nèi)設(shè)有電壓過(guò)小時(shí)可以將其自動(dòng)鎖定的電路，當(dāng)輸入電壓小于時(shí)芯片內(nèi)部將會(huì)自動(dòng)鎖定，停止芯片內(nèi)部的一切工作，使消耗電流降至小于2mA。

4.6 光電隔離器

電路中使用光電耦合器的作用是對(duì)主電路和控 制電路進(jìn)行隔離，開(kāi)關(guān) 電源電路中，開(kāi)關(guān)的控制是至關(guān)重要的，對(duì)精度的要求以及對(duì)穩(wěn)定性要求非常高，且控制電路對(duì)噪聲特別的敏感，一旦有噪聲，控制電路中的控制信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生紊亂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電源的工作和其性能，因此，用光電耦合器將電源中的兩部分進(jìn)行隔離，這樣便防止了噪聲通過(guò)傳導(dǎo)的途徑傳入到控制電路中[12]。

5.變壓器的繞制

5.1 磁芯材料與線徑的選擇

繞制變壓器時(shí)考慮到我們對(duì)電源輸出功率的要求比較高，功率大約為150W左右，因此，我們對(duì)集中線徑材料的性能進(jìn)行了比較，我們選擇了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS相對(duì)較高，溫度穩(wěn)定性較好的漆包線，加工方便的且性?xún)r(jià)比較低的鋅錳鐵氧體材料PQ32/30磁芯來(lái)繞制本設(shè)計(jì)中的脈沖變壓器。本設(shè)計(jì)采用的是頻率為44KHz，查表可得知在此頻率下的穿透深度為0.3312mm，直徑應(yīng)為此深度的2倍，即為0.6624mm，因此我們選擇的AWG規(guī)格應(yīng)為21#，直徑為0.0785CM（此數(shù) 據(jù)是含漆 皮時(shí)的直徑）[14]。

5.2 初次級(jí)匝數(shù)比的確定

脈沖控制芯片SG3525的最大脈寬可為0.48，近似為0.5計(jì)算。工作頻率應(yīng)設(shè)定為44KHz，當(dāng)輸入的交流電壓為24V時(shí)，輸出最大直流電壓為，則電源效率取80%，最終確定本設(shè)計(jì)中SG3525的工作周期T為：

（5-1）

最大導(dǎo)通時(shí)間為：

（5-2）

變壓器次級(jí)輸出電壓（）為：

（5-3）

公式中為肖特基二極管的正向壓降，取值0.6V，為濾波電感的壓降取值為0.4。設(shè)變壓器初級(jí)最低直流電壓為，=36V， 則：

（5-4）

變壓器匝數(shù)比為：

（5-5）

輸入功率為：

（5-6）

根據(jù)資料32/30磁芯的有效截面積，磁通密度取0.2，則變壓器次級(jí)匝數(shù)為：

（5-7）

變壓器初級(jí)匝數(shù)為：

（5-8）

取匝。

6.系統(tǒng)調(diào)試

硬件調(diào)試：由于本設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制主要由PWM脈寬調(diào)制芯片SG3525自動(dòng)將其控制，根據(jù)理論值進(jìn)行元器件的選擇，由于精度的要求比較高且受到電路內(nèi)部干擾的影響，往往多次修改和調(diào)整基礎(chǔ)電壓方能得到好的反饋電壓，使輸出達(dá)到我們所需要的理想值。

7.實(shí)驗(yàn)測(cè)試

（1）輸出電壓范圍測(cè)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試，輸出直流電壓隨輸入電壓的升高而逐漸升高，當(dāng)輸出電壓達(dá)到36V時(shí)，將不再隨輸入電壓的升高而升高，測(cè)試值如表7輸出電壓測(cè)試表所示。

（2）效率測(cè)試

輸入電壓，輸入電流，輸出電壓，輸出電流，則電源效率為

（7-1）

8.結(jié)論

本電路經(jīng)過(guò)測(cè)試，其在一定的負(fù)載范圍內(nèi)的輸出可穩(wěn)定為36V。本電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，所需元器件較少，體積小，成本低，負(fù)載在全范圍內(nèi)變化時(shí)，本電源均能保持良好的輸出性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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作者簡(jiǎn)介：高振東（1974—），男，甘肅西峰人，學(xué)士，隴東學(xué)院講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)硬件及維護(hù)。