基于SG3525和M57963AL芯片設計低壓大電流開關電源控制電路

劉謙

摘要：起動機是飛機發(fā)動機上重要的起動裝置，在實際維修中為了測試它的性能通常采用蓄電池或可控硅整流電源才能滿足數(shù)百安的電源輸出要求，前者由于調壓困難操作不便已基本淘汰，后者由于電源柜體巨大價格昂貴逐漸被以IGBT為核心的開關電源所取代，本文基于SG3525和M57963AL芯片設計了一套用于低壓大電流開關電源控制用的電路，成功用于一臺起動機測試用電源，現(xiàn)將控制電路、驅動電路、顯示電路、保護電和輔助電路的設計做一個介紹。

Abstract： The starter is an important starting device on the aircraft engine. In actual maintenance， in order to test its performance， the Storage battery or SCR rectifier power supply rectifier power supply is usually used to meet the power output requirements of hundreds of amperes. The former has been basically eliminated due to the difficulty of voltage regulation and the inconvenience of operation. The latter is gradually replaced by a switching power supply with IGBT as the core due to the huge and expensive power supply cabinet. Based on the SG3525 and M57963AL chips， a set of circuits for low-voltage and high-current switching power supply control is designed in this paper， and it is successfully used in a starter test. With the power supply， the design of the control circuit， drive circuit， display circuit， protection circuit and auxiliary circuit will now be introduced.

關鍵詞：開關電源;SG3525;M57963AL;控制電路

Key words： switching power;SG3525;M57963AL;control circuit

中圖分類號：TN47 ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0123-03

0 ?引言

隨著功率器技術、軟件開關技術的發(fā)展，開關電源已經(jīng)應用到生活的各個方面。開關電源從電路結構上主要由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源組成，在實際設計中，由于工作需求的不同，在低壓大電流拓撲結構中我們會采取不同主結構方式，本文涉及的開關電源由于主要應用于起動電機測試，對輸出電壓的精度要求不高，為此我們采取了正激電路結構作為主電路結構，負責處理電能的轉換，而控制電路主要處理各種取樣信號，通過對比標準設定進而控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達到輸出穩(wěn)定的電壓值，同時通過保護電路設計，為系統(tǒng)提供過壓、過流等保護，電源的精度、紋波、輸出特性等指標均與控制電路的設計相關。由于SG3525芯片和M57963AL芯片功能強大，周邊電路豐富，以此兩芯片為基礎設計了控制電路和驅動電路等?，F(xiàn)在就主要針對控制電路作一設計說明。

1 ?主控制電路的設計

SG3525的脈沖寬度調制芯片是一款由國半導體公司研發(fā)和生產，具有各種必需的功能和通用性的芯片，由于其優(yōu)異的性能在開關電源領域得到普遍的應用，其主要的組成結構包括振蕩器、PWM比較器、誤差放大器等，其內部組成框圖、引腳功能、芯片功能、主控芯片內部工作原理在此就不再贅述。

在主控制電路設計過程中，對各種可能會對電路造成損害的故障情況都進行了充分的考慮，并充分利用了芯片中的電路保護功能，降低各種突發(fā)情況對電路的損壞。

如圖1所示，為應用SG3525芯片設計完成的控制電路的原理圖，通過其關斷控制功能避免了逆變器電源出現(xiàn)故障時給電路帶來的損害。電源的輸入輸出電壓、電流信號經(jīng)分壓、濾波及縮放后與各自的保護限值比較，通過最終的輸出信號來控制芯片的運行情況;如果電源出現(xiàn)工作故障等突發(fā)情況時，會依次造成比較器的電平值以及芯片的引腳8輸出水平的降低，從而啟動前路的保護功能，停止脈沖的輸出，避免電源故障給電路帶來進一步的破壞。

其控制電路的產生PWM脈沖信號的基本工作原理是：首先將電路反饋的電源電壓值或者電流值與預先設定好的理論值相比確定兩者之間存在的偏差，對該信號進行PI調節(jié)之后將其傳輸至放大器的正引腳2進行處理，之后在引腳9輸出結果并與附加的鋸齒波進行對比，最終生成PWM脈沖信號[1]。

2 ?驅動電路設計

M57963AL驅動芯片是一款日本三菱公司研發(fā)和生產的M57963AL驅動芯片，它不僅實現(xiàn)了輸入與輸出信號之間的光電隔離，同時還具備短路保護功能以及較高的驅動效率，是一種驅動電路設計中較為理想的驅動芯片，由于該芯片相關資料較多，其內部結構圖、引腳功能、芯片參數(shù)及其芯片特點在此也就不再贅述。

作為飛機起動電機的測試設備電源，起動電機測試用電源需0～24V可調，功率應不低于4.2kW，輸出電流應不低于430A，經(jīng)過開關管IGBT的計算在考慮實際損耗以及轉換效率的情況下，我們采用了比亞迪公司的BG100B12LY，該開關管可以實現(xiàn)大功率開關控制，能夠滿足在低壓條件下大電流的輸出。驅動電路的設計情況見圖2，其中設置了2個IGBT，并且為其分別配置了一臺驅動器，保證其工作效率和電路的可靠性。

如圖2所示，本次電路設計方案中采用了M57962AL驅動芯片，電路當中配置了兩個電源進行供電，其電壓分別為+15V和-9V。其中-9V電壓起到關斷電壓的作用，通過其能夠有效消除電路中的其他干擾，保證關斷功能的順利實現(xiàn)，為電路的正常工作提供可有力的保障。其中R3的值可以在IGBT開關損耗與尖峰電壓值之間起到良好的融合和調節(jié)作用，適當降低其取值能夠降低開關運行的時間并進一步減小其損耗，適當增大其取值則能夠有效減小尖峰電壓值;但是當R3取值過大或者過小時都會對電路的正常工作造成影響，極大地提高開關的損耗值以及電路中的尖峰電壓。經(jīng)過論證，本次R3取值為2，既能夠起到調節(jié)作用，又不會對電路造成損害。

正常狀態(tài)下，芯片管腳5的輸出電平會隨著管腳13、14輸入的變化而進行相應的變化;當輸出電平較高時，電路會實現(xiàn)開功能，此時僅有Q1導通，IGBT的供電電壓為+15V;而當輸出電平較低時，電路會實現(xiàn)關功能，此時僅有Q2導通，IGBT的供電電壓為-9V。

當電路發(fā)生短路時可通過管腳1來檢測電路中通過的電流值，其發(fā)送的較高電流檢測信號會提升IGBT的集電極電壓，當達到或者超過15V的限值時會啟動芯片的保護功能，降低管腳8、5的輸出電平，此時僅有Q2導通，從而實現(xiàn)IGBT的關斷。為了縮短短路保護功能的單次持續(xù)時間，在電路設計中為管腳2配置了電容C1，并通過其連接至+15V電源;短路保護功能的單次持續(xù)時間與其電容大小成正比，在該裝置的作用下，短路保護啟動后1～2ms后會停止保護功能并進行新一次的短路檢測，并視檢測結果來決定是否恢復驅動芯片的正常工作。當電路短路故障長時間存在時管腳8會向IGBT發(fā)送周期為1～2ms的連續(xù)脈沖信號，本次設計中在兩者之間設置了光耦U1進行了光電隔離，從而有效提高了電路的安全性。本次采用的驅動芯片具有相對簡單的周邊電路，同時還具有短路保護的功能，能夠有效降低甚至避免IGBT由于電路短路故障等情況帶來的損害，從而在很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 ?顯示電路設計

為了便于輸出電壓和輸出電流的讀取，設計當中在開關電源箱體部門設置了相應的顯示模塊，這樣在實際操作過程中可以直接從箱體上觀察到開關電源的實際輸出電流和電壓值。其顯示電路板電路圖如圖3所示。

圖3右上方所示，這是數(shù)字顯示表的輔助電源，將220AC通過變壓器降為5V的交流電后，通過17，19（18，20）接線端口經(jīng)橋式整流電路D4（D5）整流，整流后得到一個電壓波動很大的直流電源，在其后加入104的小電容與470uF的電解電容進行紋波濾波，同時為了得到穩(wěn)定的需要的數(shù)顯電表電壓源，接入三端穩(wěn)壓電源（直接整流出的直流電源由于會隨著負載變化產生電壓變化，所以不能作為穩(wěn)壓電源直接驅動負載。）其中C2，C3為顯示輔助電源的濾波電容。圖的右下方，從電流分配器到的電流信號和輸出端得到的電壓信號經(jīng)C9，C10濾波電容后接到數(shù)顯表上，數(shù)顯表就可顯示出當前的電壓、電流數(shù)值;圖的左上方為當設備檢測到故障信號或過熱信號時，會將1，2端置為低電平，供電段12與1（2）腳端形成壓差，二極管D1、D2指示燈點亮。正常情況下1，2端為高電平信號，指示燈滅;當4腳接入電源后，在4，5兩腳間形成回路，工作指示燈亮;穩(wěn)壓，穩(wěn)流輸出切換通過聯(lián)動開關S1實現(xiàn)，調節(jié)可變電阻R1改變基準電壓，實現(xiàn)電壓調節(jié)，S2為電源啟動開關。

4 ?保護電路設計

4.1 過壓欠壓保護電路設計 ?根據(jù)其工作原理，開關電源的輸出電壓值會在開始工作的極短時間內從0V提升至最大電壓值，同時電路中的電流也會相應的急速升高;如果沒有設置相應的防護裝置，瞬間產生的強大電流會對其中IGBT開關管造成加大的損傷甚至破壞，因此需要對開關電源采取降壓啟動或窄脈沖啟動等措施。本設計的保護電路主要采用兩個LM393組成且與SG3525芯片的10管腳相連，將輸入電壓與參考電壓進行比較，當輸入電壓出現(xiàn)過壓或欠壓時會時SG3525芯片的10管腳直接拉低從而對電路起到保護作用。另外，在芯片的反相端即軟啟動控制端上連接了一個電容值為100pF的電容，該電容內部為5V基準參考電壓且50uA恒流源，在軟啟動過程中其內部的恒流源給外部電容充電，因此可以實現(xiàn)窄脈沖啟動，從而對電路進行保護作用。

4.2 過流保護設計 ?本次控制電路中的過流保護電路;其基本原理和實現(xiàn)過程為：首先通過在電路中的電壓輸出接口處串聯(lián)一個精密電阻，其具體的參數(shù)為0.33Ω/5W，并通過其來檢測電路中通過的電流;然后再將其檢測結果傳輸至線性光耦PC817處，并將其與預先設置好的控制值進行比較，如果檢測值過大則能夠使其中的發(fā)光二極管工作并輸出高電平信號到與之相連接的腳10，通過其他元件的工作停止PWM脈沖的輸出和變壓器的工作，避免電路受到損害。

5 ?輔助電源設計

開關電源的正常工作需要為主控電路、IGBT開關器件以及其他的外圍電路提供相應的直流電壓。本次設計的主控芯片SG3525工作需要+12V工作電壓，且外圍電路需要對應的-12V電壓作為參考電壓，因此在主控電路上通過變壓器轉換成需要的兩路電壓。輸入電源在經(jīng)過橋式電路、電容、電感整流濾波后，送入到正極性三端穩(wěn)壓器MC7812和負極性三端穩(wěn)壓器MC7912，輸出分別為+12V和-12V兩路電壓，輸出電流為1A，從而維主控電路正常工作。另外，本次選取的開關器件IGBT導通電壓為+9V的正向柵極驅動電壓，且本次設計共使用了兩個IGBT開關器件，因此在開關器件驅動電源上選擇兩路電壓輸出，相應的交流電壓經(jīng)過全橋整流和濾波電容后進入三端穩(wěn)壓芯片7809后得到+9V電壓。

6 ?總結

控制電路關系著開關電源運行的可靠性，因此，在對相關控制電路設計時需要了解并掌握相關的芯片知識，才能對控制電路進行合理有效的設計，使開關電源能安全高效地進行工作。本文對主控制電路和IGBT驅動電路在吸收了前人經(jīng)驗的基礎上設計了新的方案，同時對顯示電路、保護電路、輔助電源進行了設計，經(jīng)過實踐驗證，電源設備滿足了起動機的測試需求。

參考文獻：

[1]鮑怡伶，張浩然，趙陽.Boost PFC電路輻射EMI分析與抑制研究[J].南京師范大學學報（工程技術版），2019，19（04）：75-80.

[2]屈盼讓，范新明，蔡曉樂，孫少華.基于微控制器的可在線編程步進電機控制器設計[J].航空計算技術，2021，51（03）：93-97.

[3]岳鵬.大功率開關電源主電路研究[D].華南理工大學，2010.

[4]樹斌，馬斌.關于基站直流負載供電遠程智能控制方案的探討[C].中國通信學會通信電源委員會.2020年中國通信能源會議論文集.中國通信學會通信電源委員會：中國通信學會，2020：85-87.