高频开关稳压电源的设计(2)

2设计任务与分析

2.1 任务要求

初始条件：

设计高频开关稳压电源，主电路采用半桥或全桥变换器，电压：+12V，电流20A，功率300W。 要求完成的主要任务:

1. 系统总体方案设计。 2. 功率变换器电路设计。

3. 驱动电路（如SG3525）及辅助电源（如LM317）电路设计。 4. 过电流检测与保护电路设计。 5. 整流器输出电路设计。

2.2任务分析

本次能力拓展训练要求设计高频稳压电源，输出电压+12V，电流20A，功率300W。一般电压小于100V，选用全波整流输出。典型的由UC3824 构成的他激型反激开关电源常应用于低于100W 的场合，不适合本次设计。本次设计采用全桥变换器，采用SG3525 PWM控制芯片。

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3 系统设计方案

3.1系统总体方案设计

高频开关电源主要由输入环节、功率变换电路以及控制驱动保护电路3大部分组成。如图3.1为高频开关稳压电源的基本框图。

图3.1 高频开关稳压电源的基本框图

高频开关电源由以下几个部分组成： 一、主电路

从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：

1、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馈到公共电网。

2、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。

3、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部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

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4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

本设计方案的主电路采用单相交流输入，全桥变换的电路拓扑结构，逆变器主开关器件采用VMOSFET，开关频率去50kHz。 二、控制电路

一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，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。 本设计方案的控制、驱动电路集成芯片为SG3525。 三、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。 四、辅助电源

提供所有单一电路的不同要求电源。 本设计的辅助电源采用LM317实现。

3.2 功率变换器电路设计

功率变换电路是开关电源的核心部分，针对整流以后不同的直流电压功率变换电路有多种不同的拓扑结构，本此设计采用的是全桥变换器拓扑结构。

3.2.1 全桥功率变换器工作原理

全桥变换器由四个晶闸管组成，相对于半桥而言，功率晶体管及其驱动装置相应的增加1倍，成本较高，但可用在要求功率较大的场合，有四个开关管组成两个桥臂。两个桥臂分别导通激励高频功率变压器，进行能量变换，但是存在开关管“直通”的危险。

全桥电路原理图如下图3.2所示。由四个功率开关器件V1~V4组成，变压器T连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件V1、V4和V2、V3分别交替导通或截止，使变压器T的次级有功率输出。当功率开关器件V1、V4导通时，另一对V2、V3则截止，这时V2和V3两端承受的电压为输入电压Uin在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管V5~V8箝位于输入电压Uin。

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+ -

Uce UinV3V7TV4V6V5V1 Uin/20V8V2 IcTonTofftL+0Tt-图3.2 全桥电路原理图

在全桥变换电路拓扑结构中，主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边有一个中心抽头绕组采用全波整流输出。因此，变压器铁心和绕组的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压，四个能量恢复二极管能消除一部分由漏感产生的瞬间电压。这样无须设置能量恢复绕组，反激能量便得到恢复利用。当然，全桥变换器需要功率元件较多。在导通的回路上，至少有两个管压降，因此功率损耗也比双晶体管推挽式变换器1 倍。但是在高压离线开关电源系统中，这些损耗还是可接受的。另外，能量恢复（再生）方式，由于有四个二极管，损耗略有增加。

3.2.2全桥功率变换器控制方式

全桥变换器本质上有三种基本的控制方式：双极性控制、有限双极性控制和移相控制。双极性控制方式控制电路简单，技术成熟，但开关器件通常工作在硬开关状态，开关管的电流和电压尖峰很高，需要很大的安全工作区；移相控制方式是国内外电源界研究的热门课题，但尚存在不足；有限双极性控制方式具有更多的优越性，是中、大功率应用场合的理想控制方式。本次设计选用有限双极性控制方式。

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3.3控制电路设计

控制电路的核心是根据反馈控制原理，将期望输出电压信号与实际输出电压信号进行比较，利用误差信号对功率开关器件的导通与关断比例进行调节，从而实现实际输出电压维持在期望输出电压附近的目标。本课题选用SG3525芯片做集成控制器。

3.3.1 SG3525结构和功能介绍

PWM控制芯片SG3525 具体的引脚图及内部结构如图3.3及图3.4所示。其中脚16为SG352的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5、脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络。

S12345678IN-IN+SYNCOSCCTRTDISSSVRET16VI15OUTB14VCCGND1312OUTA11SD10COMP9

图3.3 SG3525引脚图

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