电气工程毕业设计（论文）半桥开关电源设计

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1、XXXX学院毕业设计（论文）半桥开关电源Half bridge switch power 性 名： XXX 学 号： XXX 系 别： 物理与电子信息工程系 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： XX 指导教师： XXX XX 年XX 月 XX 日32摘要开关电源是现代电力电子设备不可或缺的组成部分，其质量的优劣直接影响子设备性能，其体积的大小也直接影响到电子设备整体的体积。本设计根据设计任务进行了方案设计，设计了相应的硬件电路，研制了15W（15V、1A）半桥开关电源。整个系统包括主电路、控制电路和驱动电路三部分内容。系统主电路包括单相输入整流、半桥式逆变、高频交流输出、输出整流、输出滤波

2、几部分。控制电路包括主电路开关管控制脉冲的产生和保护电路。论文具体地介绍了主电路、控制电路、驱动电路等各部分的设计及实验过程，包括元器件的选取以及参数计算。本设计中采用的芯片主要是PWM控制芯片SG3525A、光电耦合芯片PC817和半桥驱动芯片IR2110。设计过程中程充分利用了SG3525A的控制性能，具有宽的可调工作频率，死区时间可调，具有输入欠电压锁定功能和双路输出电流。关键词：开关电源；IR2110；SG3525；高频变压器；MOSFETAbstractSwitching mode power supply(SMPS) is a significant part of the pow

3、er electronics, which effects the performance and volume of the electronic equipment. The scheme has made a plan of designs based on the task of design, designed corresponding hardware circuit and developed 15W(15V、1A) half-bridge Switch power supply, it also can display voltage .The system included

4、 three parts: the main circuit part, the control circuit part and driving circuit. And the main circuit part consisted of one-phase input rectification, half-bridge in version, high-frequency a.c.output and output rectification. The control circuit involved two parts: One is the circuit brings the p

5、ulse controls the swiches in main circuit, and the other is the protect circuit. And then detailedly recommended the designs of main circuit, control circuit and driving circuit, including selected components and calculated parameter. The CMOS chip that is applied in the design is、PWM Controller SG3

6、525、optical coupler Circuit PC817、 half bridge drive chipIR2110. The controlled feature of PWM Controller SG3525A is fully utilized in the process of design, which has wide adjustable operating frequency and dead time, input under voltage lock function and twin channel output current. Key words：Swit

7、ch power supply；SG3525A；High-frequency transformer；Mosfet摘要IAbstractI1.引言11.1开关电源技术的发展概况11.2 开关电源的发展方向11.3 开关电源的基本概念11.4开关电源的分类11.5 开关电源的技术要点22.系统的整体方案分析与选择22.1 整个课题的设计思路22.2 各个部分的工作原理和功能23. 开关电源的主回路设计43.1主电路结构43.1电源的设计要求5（1）输出电压:额定工作电压15V；53.2输入整流回路的电路设计53.3 DC-AC逆变回路的设计63.4高频变压器设计103.5 输出整流回路的设计13

8、4. MOSFET驱动电路的设计144.1 MOSFET对驱动电路通常要求14（1）触发脉冲具有足够快的上升和下降速度；144.2半桥驱动芯片IR2110及其工作过程154.3半桥驱动电路器件参数选择174.4 IR2110 1脚7脚波形如图（4-4）185. 开关电源控制电路的设计185.1 控制芯片SG3525内部逻辑电路结构195.2 内部逻辑电路结构分析195.3 SG3525的特点215.4 芯片管脚及其功能介绍215.5 SG3525波形225.6 反馈电路原理的设计246.辅助电源266.1辅助电源设计267.硬件调试267.1 辅助电源的调试267.2 控制电路调试277.3

9、驱动电路调试277.4 主电路的调试27结束语27参考文献28附录：29致 谢311.引言开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。随着开关电源在计算机、通信、家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量增长和效率、体积、重量及可靠性等方面要求更高。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。在半桥式变换器电路中,变压器初级在整个周期中都流过电流,磁芯利用得更加充分。它克

10、服了推挽式电路的缺点,所使用的功率晶体管耐压要求较低；晶体管的饱和压降减少到了最小;对输入滤波电容使用电压要求也较低，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。 本文将介绍一款半桥式开关电源,所用开关器件为功率MOSFET管, 开关工作频率为45 kHz,具有体积小、重量轻、成本低等特点1。1.1开关电源技术的发展概况最早的开关电源出现在60年代，出现的是串联型开关电源，功率晶体管用于开关状态，后来脉宽调制(PWM)控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源， PWM开关电源效率可达65%-70%，1974年研制成了工作频率达到20kHz的开关电源，在电源技术发展史上誉为2

11、0kHZ革命。1976年，美国硅通用公司首次生产出世界上第一片集成脉宽调制器，使开关电源的控制器得到简化，系统的可靠性也大为增强。八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜、用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。近年来越来越多领域应用开关电源，取得显著效益2。1.2 开关电源的发展方向一、频率要高，这样动响应才快，也是配合高速微处理器必须的；二、体积要减，变压器、电感、电容都要减小体积；三、效率要高，产的热能减少，散热容易，容易达到高功率密度，进而制造超大功率的高频开电源；四

12、、电源系统的高度集成化2。1.3 开关电源的基本概念电源是将各种能源转换成为用电设备所需要的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流直流或者直流直流电能变换，通常称其为开关电源。 开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。开关电源的这一技术特点使得它具有，效率高、体积小、重量轻、频率高、电感、电容等滤波元件和变压器体积小。1.4开关电源的分类开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电

13、压，也称为直流斩波斩波器的工作方式有两种：一、脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用）；二、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：（1） Buck电路降压斩波器。（2） Boost电路升压斩波器。（3） Buck-Boost电路降压或升压斩波器。（4） Cuk电路降压或升压斩波器。AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。 AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限可分为一象限、二象限、三象限、四象限3

14、。1.5 开关电源的技术要点开关电源技术包含以下几个重要的组成部分：一、元器件技术 包括涉及开关器件的电力电子器件技术和涉及变压器、电感等主要磁性元件的磁技术，以及涉及电容等其他无源元件的技术。二、电路技术 主要研究各种基本开关电路和相应的软开关电路，以及各种吸收电路等。三、控制技术 主要研究适用于开关电源的各种控制方法，如电压模式控制和各种电流模式控制等。四、电磁兼容技术 研究开关电源中电磁干扰的产生、传播和抑制等问题。五、散热技术 利用传热学理论，分析和解决开关电源主要发热元件的散热问题。2.系统的整体方案分析与选择2.1 整个课题的设计思路整个课题的设计，分为三部分。一、主电路的设计，包

15、括整流输入滤波、半桥式逆变电路、高频变压输出、输出整流、输出滤波。二、开关管的驱动电路。三、控制电路的设计，包括控制逆变电路开关管工作的脉冲输出、软启动、调占空比以及保护电路。2.2 各个部分的工作原理和功能2.2.1 电源主电路首先，电源流入输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波电容将脉动直流电变为较平滑的直流电。其次，功率开关桥由控制电路提供触发脉冲把滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。最后，输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需的直流电压或电流。2.2.2 控制电路控制电路是整个电源系统重要部位，由它控制整个电源

16、的工作并实现相应的保护功能。一般来说，控制电路应具有以下功能:控制脉冲产生电路、电压反馈控制电路、占空比可调、软启动及各种保护电路等。根据电路功能的分工可将控制电路分为几大部分：脉冲产生电路、触发电路、电压反馈控制电路、软启动电路、保护电路等。脉冲产生电路是控制电路的核心。脉冲产生电路根据电压反馈控制电路信号产生出所需的脉冲信号保护电路以及软启动电路等提供的控制。电压反馈控制电路通过检测输出电压的大小，对输出电压进行分压采样，然后将采样电压和参考电压相比较得出误差信号来调节输出脉冲的脉宽达到调节输出电压的目的。 控制电路要能提供出满足开关元件要求的触发脉冲。这就要求控制电路要有合适的触发电路，

17、该触发电路能将控制电路输出脉冲放大到足以激励高压开关管，由于它所提供的脉冲幅度以及波形关系到晶体管的饱和压降、存储时间、开通和关断瞬间电压电流上升下降等运行特性，从而将直接影响其损耗和发热。因此，应该合理设计触发电路，实现功率元件的最佳开通与关断。电源的输出滤波电容较大，输出电压的突然建立将会形成非常大的电容充电电流，叠加在负载电流上，它不仅会使高压开关管负担过重而可能损坏，而且，由于持续时间长，往往会引起过流保护电路发生误动作。若为了避免由此引起的误动作而将保护电路搞得非常迟钝，这将会增加过流保护的不安全性。输出电压在合闸时容易出现过冲，这种过冲，合闸时可能发生，在关闭电源时也可能发生，只要

18、达到足够的幅度将会给负载造成损害，而且，反复的大电流冲击对电容器本身亦不利，同时还会引起干扰，因此，开关电源必须具备输出电压软启动的功能。软启动电路在电源合闸和重新启动时提供一个逐渐建立的电压给脉冲产生电路，从而使控制电路的输出脉冲有一个逐渐建立的过程。2.2.3 驱动电路驱动电路是控制电路与主电路的接口，同开关电源的可靠性、效率等性能相关。驱动电路需要有很高的快速性，能提供一定的驱动功率，并且有较高的看干扰和隔离噪声能力。2.2.4高频开关变换器的基本原理用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器(L或/和C)的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压。这就使DC-

19、DC的基本手段。一个周期Ts内，电子开关接通时间ton所占整个周期Ts的比例，称作接通占空比D。很明显，接通占空比越大，负载上电压越大; 1TS=fs称作开关频率，fs越高，负载上电压也越高。这中DC-DC变换器中的开关都在某一固定的频率下工作，这种保持开关频率恒定但改变接通时间长短(即脉冲的宽度)，使负载变化时，负载上电压变化不大的方法，称脉宽调制法Pulse Width Modulation)。由于电子开关按外加控制脉冲而通断，控制本身流过的电流、二端所加的电压无关，因此，电子开关称为硬开关。凡是脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器，称为PWM开关变换器。它是以使用硬开关为主要特征的。2.

20、2.5 整流滤波回路的选择整流滤波回路是开关电源的重要组成部分，它可以提高电压、电流的稳定度，减小干扰。按其所在的位置不同，分为输入和输出整流滤波回路。2.2.5.1 输入整流滤波回路本文研究的电源额定工作状态的技术要求为:输出电压15V,输出电流1A，输出功率约15w了减小电源的输入滤波电容等原因，本文实验用电源电路采用单相桥式整流。2.2.5.2 输出整流滤波回路电源的能量输出通过高频变压器实现，其主要作用是电压变换、功率传递和实现输入输出之间的隔离，与普通电力变压器的功能相仿。然而，它与比较脆弱的器件-高压开关管相连后施加较高的输入电压，其性能的优劣就不只是涉及变压器本身的效率、发热，而

21、将决定整个电源的技术性能，甚至会导致高压开关管的损坏。因此，在绕制高频变压器时要尽量减小原、副边的漏感，从而减小功率开关管关断时的尖峰电压，降低损耗，提高效率。在副边使用全波整流的方式，然后由滤波电感和滤波电容共同完成输出滤波功能，使输出达到设计要求。3. 开关电源的主回路设计3.1主电路结构半桥式开关电源主电路如图3-1所示。图中开关管Q1、Q2选用MOSFET。因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管Q1、Q2组成,另一个桥臂由电容C1、C2组成。高频变压器初级一端接在C1、C2的中点,另一端接在Q1、Q2的公

22、共连接端,Q1、Q2中点的电压等于整流后直流电压的一半,开关Q1、Q2交替导通就在变压器的次级形成幅值为的交流方波电压。通过调节开关管的占空比,就能改变变压器二次侧整流输出平均电压V o。Q1、Q2断态时承受的峰值电压均为Vi，变压器原边并联的R7、C3、VD1组成RCD吸收电路，C5和R9用来吸收高频尖峰。图3-13.1电源的设计要求（1）输出电压:额定工作电压15V；（2）输出电流:额定工作电流1A；（3）输入条件:50Hz，交流220V；（4）纹波电压Vor为20mV。3.2输入整流回路的电路设计3.2.1 输入整流回路的结构图3-2输入整流回路的结构图（3-2）3.2.2 输入整流回路

23、的器件的计算选型输入整流滤波电路，主要有两部分组成: 整流桥； 输入滤波电路。3.2.2.1 整流桥输入为50Hz交流电，电压为220V 1. 整流桥的耐压: 整流二极管的峰值电压可用公式（3-1）计算:U=220(1+25%)1.414=388.85V 公式（3-1）取裕量，整流桥的耐压选为1000V.2. 整流桥的额定电流: 因为电源的输入功率随效率变化，所以应取电源效率最差时的值。在此，我们按一般开关电源的效率取值，取min=0.8电源的输入功率可用公式（3-2）计算:Pin= =18.75 （W） 公式（3-2）最大输入线电流可用公式（3-3）计算:Imax=P= =0.1218A 公

24、式（3-3）考虑瞬间冲击电流，留裕量取整流桥的额定电流为8A。最后选择整流桥RS8083.2.2.2 输入滤波电容输入电容器Cin决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小，而且要在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进行设计。通过直流输入电路的平均电流可用公式（3-4）计算：Idc= =0.0744 (A) 公式（3-4 ） E为输入电压最低时输入整流电路的输出平均电压。计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式（3-5）计算:Cin=（400600）Idc 公式（3-5）=（400600）0.0744=29.7644.64 （uF）实际用两个470uF/250V的电

25、解电容串联，放电电阻为两个R1=100K/1W电阻并联在电容上。3.3 DC-AC逆变回路的设计3.3.1 半桥电路的结构与工作过程在半桥式逆变电路中，变压器一次侧的两端分别连接在电容C1,C2的中点和开关S1, S2中点。电容C1,C2的中点电压为。S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。半桥式电路的结构如图3-3:图3-3具体的工作过程叙述如图（3-4）所示:（a）(b) (c)(d)图（3-4） 文字分析如下：S1导通时，二极管VD1处于通态如图（3-4）（a）示；S2导通时，二极管VD2处于

26、通态如图（3-4）（c）示，当两个开关都关断时，变压器绕组W1中的电流为零，根据变压器的磁势平衡方程，绕组W2和W3中的电流大小相等，方向相反，所以VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流如图（3-4）（b）（d）示。S1或S2导通是电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容。值得注意的是，在半桥电路中，占空比定义如公式（3-6） D= 公式（3-6）图（3-

27、5）S1、S2开通关断时间及其电压电流波形何对应的VD1、VD2波形如图（3-5），其中（a）（b）分别为S1和S2波形，（c）（d）分别为Us1和Us2波形，（e）（f）分别为Is1和Is2的波形，（g）（h）分别为Id1和Id2波形。t0到t1时段：S1导通S2截止，t1到t2时间S1和S2截止，t2到t3时段S1截止，S2导通。3.3.2 主要功率器件的选型3.3.2.1 几种功率器件的比较几种功率器件的优缺点如表(3-1)表（3-1）器件优点缺点GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流

28、容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO3.3.2.2 功率器件的选择在高频的开关电源设计中用的功率器件种类有IGBT和MOSFET，但是考虑到工作在高频的IG

29、BT成本较高，在本次设计选用MOSFET器件。3.3.2.3 MOSFET参数的确定（1） MOSFET额定电流Ice的选择MOSFET额定电流Ice的选择，要根据实际电路中最大额定电流Ie、负载类型、允许过载的程度等因数。在一般性电阻性负载的电压变换装置中，若实际电路中电流最大有效值为Ie，则要选MOSFET的Ice1.5Ie。本电路中Ice的选择为8A。（2）电压Vcer的选择考虑电网电压瞬间尖峰，电压波动，开关电源引起电压尖峰等，一般如果稳态时候，加在MOSFET之间的电压最高为Vm，则可选择的耐压值Vcer2.5Vm。本电路中选择Vcer=500V。所以选择IR公司的IFRP8403.

30、3.2.4 IRFP840主要参数IRFP840主要参数如表（3-2）：表（3-2）TYPEVdssRdsIdQgIRF840500V0.858A75nC3.3.3 MOSFET的开关特性MOSFET在感性负载下的开通过程。 阶段主要是Cos的充电过程，使VGS电压达到门槛电压； 阶段主要是CGS的充电过程，当VGS电压超过门槛电压后，漏极电流开迅上升； 阶段主要是CGD的充电过程，CGD又称为密勒电容，由于VGD的电压很高，本阶段需要很大的驱动电流，才能降VGD电压拉下来； 阶段主要是CGS的充电过程，使VGS上升到最后的驱动电压，上升的VGS使漏源电阻Rds(on)减小，MOSFET进入导

31、通状态。关断过程与开通过程的顺序相反，过程类似。3.4高频变压器设计（1)设定开关频率。开关频率对电源的体积、重量等影响很大。开关频率越高,变压器磁芯就会选得更小,输出滤波电感和电容体积也会减小,但开关损耗增加,效率下降,散热器体积加大。综合考虑两方面,设定其工作频率为f s=45kHz。（2)选磁芯磁芯规格的选取通常先估算变压器的效率，然后又输出功率和估算效率计算出变压器的输入功率，再根据生产厂家给出的磁芯规格和传送功功率的关系数据来选择。磁芯选用R2KB软磁铁氧体材料,其饱和磁感应强度Bs=4700 Gs,考虑到高温时Bs会下降,同时为防止合闸瞬间变压器饱和,设定最大工作磁密Bm= = 1

32、500 G s。对半桥变换器,当脉冲波形近似为方波时,可按式（3-7）来确定磁芯的大小。Ap =AeAw= 公式（3-7）式中:Ap为磁芯的面积乘积,cm4;Ae为磁芯的截面积,cm2;Aw为磁芯的窗口面积,cm 2;Po为输出功率,W; 为变压器效率,一般可取80%;fs为变换器工作频率,Hz;Bm为磁芯最大工作磁密,Gs;J为导线的电流密度,一般取23A /mm2;Kc为磁芯的填充系数,对铁氧体,取Kc=1;Ku为窗口的铜填充系数,一般Ku=0.20.4。则由公式（3-7）得：Ap =0.154（cm4） 。假设本设计选用EI40型铁氧体磁芯,由手册知其参数如表（3-3）：表（3-3）型号

33、磁芯截面积Ae（cm2）Le(cm)Ve（cm3）窗口面积Aw (cm2)EI401.487.711.3310.8EI40的磁芯的面积乘积有公式（3-8）：APEI= AeAw=1.48310.8=459.984 （cm4） 公式（3-8）APEIAp证明选EI40能满足设计要求。（3)计算原边匝数按最低输入电压和满载输出的极端情况来计算。已知最小输入交流电压为180V,减去20V的直流纹波电压和整流器的压降,最小直流电压可由公式（3-9）求的： V 1min=1801.4-20=232 V 公式（3-9）半桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电压的一半可由公式（3-10）求得：,U 1mi

34、n=116 (V) 公式（3-10）则原边绕组匝数可由公式（3-11）求得：N 1= 公式（3-11）式中:U 1为变压器原边电压。由公式（3-12）计算得： N 1=30(匝) 公式（3-12）实际取值为35匝。（4)核算最大输入交流电压时的最大磁密B 。利用计算出来的变压器初级匝数,核算变压器在最大输入交流电压V inmax时的B m,看磁芯是否饱和。最大输入交流电压V inmax可由公式（3-13）求得：V inmax=260114=364 (V) 公式（3-13）半桥式电路变压器原边绕组所加电压可由公式（3-14）求得： U 1max=182 (V) 公式（3-14）则B m由公式(3

35、-11)变形可得公式（3-15）B m = 公式（3-15）=0.22(T)计算可知,在输入交流电压最大时B m=0.22=0.235(T) 公式（3-16）公式（3-16）可知，原边绕组匝数N 1=35匝的选择是合适的。（5)计算副边匝数。副边电路采用带有中间抽头的全波整流滤波电路,设输出方波脉冲占空比=0.8,输出回路二极管压降为V d、扼流圈压降为V c,取V d+V c=1.5V,则变压器副边电压U 2可由公式（3-17）求得：U 2= =20.625(V) 公式（3-17）故副边匝数可由公式（3-18）求得：N 21=N22= =7 (匝) 公式（3-18）实际选8匝。（6)计算原边

36、最大工作电流。在最低交流输入电压为180V时,变压器原边通过的电流一定是最大可能的工作电流,由经验公式原边最大工作电流可由公式（3-19）求得：Ip= =0.194 (A) 公式（3-19）7）选择导线副边绕组导线截面积可由公式（3-20）求得：Ac2=0.333mm2 公式（3-20）考虑到高频下铜线的趋肤效应，铜线的趋肤深度可由公式（3-21）求得：=0.312（mm） 公式（3-21）所以允许采取的最大线径可由公式（3-22）求得：dmax=2=20.312=0.624mm 公式（3-22）取0.4mm的公制漆包线，需要的股数可由公式（3-23）求得：N2=2.65（股） 公式（3-23

37、）取3股并绕同理，对变压器原边，其绕组导线截面积可由公式（3-24）求得：Ac1=0.054（mm2 ） 公式（3-24）取0.4mm的公制漆包线变压器原边的股数可由公式（3-25）求得：N1=0.43（股） 公式（3-25）取1股。在绕制变压器时，原边与副边的绝缘及变压器的漏感问题要非常注重。本次毕业设计变压器原边的波形如图（3-6）。图（3-6）3.5 输出整流回路的设计输出整流滤波电路是通过快恢复整流二极管的整流和滤波电感及滤波电容将高频变压器输出的高频交变电压或电流变换成符合要求的输出电压或电流。高频变压器副边选用全桥式整流，以提高安全可靠性。下面对输出整流电路的各部分进行一下分析与计

38、算。3.5.1 输出整流回路的结构图（3-7）输出整流回路的结构如图（3-7）。3.5.2 整流回路器件的选择3.5.2.1 整流二极管的选择因为输出整流二极管工作于高频状态(45 KHz)，所以应选用快恢复二极管。1.输出整流二极管的耐压。高频变压器副边的输出最高电压峰值用公式（3-26）可求得:V2max= 公式（3-26）=110(1+25%)=44.44（V）为变压器的变比。取一倍的裕量Voutmax=88.88V。2. 输出整流二极管的电流因为输出整流二极管工作于高频状态(45KHz)， 所以应选用快恢二极管或肖特基二极管。输出整流二极管流出的电流为1A。根据以上的分析，同时考虑一定

39、的裕量，选HER307快恢复二极管，二极管的耐压为800V,额定电流为3A。3.5.2.2 滤波电感的选择（1）滤波电感的计算。电感选择应保证输出电流在额定电流的1/10时，电感电流也保持连续。流电流等于电感电流斜坡峰-峰值一半时对应临界连续，所以I为20%的额定输出直流。滤波电感值可由公式（3-27）确定：=113.75 (uH) 公式（3-27）实际取200uH（2）滤波电感的制作。选EE骨架用0.4mm的铜线绕12匝，用电感表测198 uH满足条件。3.5.2.3滤波电容的选择输出电容C的选择应满足最大输出纹波电压的要求，滤波电容的大小对输出直流电源的纹波大小有决定作用。知，输出纹波几乎

40、完全由滤波电容的等效串联电阻Rc的大小来确定，而不是电容本身的大小决定。本设计最大纹波电压Vo为20mV，出滤波电容的大小可由公式（3-28）求得： 公式（3-28）=15.78uF所选电容的耐压值为50V，使用一个2200uF/50V的电容。或选用值较小的几个电容并联，这样寄生电阻更小，滤波效果更好。4. MOSFET驱动电路的设计功率MOSFET是电压型驱动器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。4.1 MOSFET对驱动电路通常要求（1）触发脉冲具有足够快的上升和下降速度；（2）开通时以低电阻为栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，

41、以提高功率MOSFET 的开关速度；（3）为了使功率MOSFET 可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在其截止时应提供足够负的反向栅源电压；（4）功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，功率管极间电容越大，所需电流越大，即带负载能力越大。4.2半桥驱动芯片IR2110及其工作过程4.2.1 IR2110内部框图（4-1）及封装图（4-2）1IR2110内部框图图（4-1）IR2110封装图如图（4-2）4.2.2 IR2110内部结构和特点IR2110内部框图由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。（1）具有独立的低端和高端输入通道。 （2）悬浮电

42、源采用自举电路，其高端工作电压可达500V。 （3）输出的电源端（脚3）的电压范围为1020V。 （4）逻辑电源的输入范围（脚9）515V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配， 而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 V的便移量。 （5）工作频率高，可达500KHz。 （6）开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns。 （7）图腾柱输出峰值电流2A。 4.2.3 IR2110半桥驱动电路原理如图（4-3）半桥驱动电路原理图（4-3）（a）（b）半桥驱动电路分析图（4-3）IR2110用于驱动半桥的电路如图（4-3）所示。图（4-3）（a）（b）为IR2110的两种工作状态。图中C1、VD1分

43、别为自举电容和快恢复二极管，C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已充到足够的电压（VC1VCC）。当HIN为高电平时VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的门极和发射极之间，C1通过VM1，Rg1和S1门极栅极电容Cgc1放电，Cgc1被充电。此时VC1可等效为一个电压源。当HIN为低电平时，VM2开通，VM1断开，S1栅电荷经Rg1、VM2迅速释放，S1关断。经短暂的死区时间（td）之后，LIN为高电平，S2开通，VCC经VD1，S2给C1充电，迅速为C1补充能量。如此循环反复。4.3半桥驱动电路器件参数选择4.3.1自举电容的选取MOSFET开通时，需要在极短的时间内向门极提供足

44、够的栅电荷。假定在器件开通后，自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压（10V，高压侧锁定电压为8.7/8.3V）要高；再假定在自举电容充电路径上有1.5V的压降（包括VD1的正向压降）；最后假定有1/2的栅电压（栅极门槛电压VTH通常35V）因泄漏电流引起电压降。综合上述条件，此时对应的自举电容可用下式表示。工程应用可由公式（4-1）求得：=17.6 nF 公式（4-1）实际选取104无极性瓷片电容。4.3.2快恢复二级管的选择自举二极管是一个重要的自举器件，它应能阻断直流干线上的高压，二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选择反向漏电流小的快恢复二极管。选取HER

45、307。4.3.2.1 HER307主要参数HER307的参数如表（4-1）：表（4-1）型号最大反向峰值电压最大平均正向电流最大正向浪涌电流最大反向漏电电流最大正向电压最大反向恢复时间外形尺寸PRVI0TLIFMIRIFMVFMTrrD0 201ADVPKAAVAPKuAdcAPKVPKnsHER3078003.0150103.01.8570测试条件IF=0.5A, IR =1.0A， IRR =0.25A4.4 IR2110 1脚7脚波形如图（4-4）IR2110 1脚和7脚波形如图（4-4）5. 开关电源控制电路的设计设计电路的控制电路是整个电路的主要部分。目前实际产品应用中有各种典型的

46、控制电路,鉴于对电源和驱动的要求,结合本次毕业设计选择SG3525。5.1 控制芯片SG3525内部逻辑电路结构 SG3525内部结构图（5-1）SG3525A的内部结构见图（5-1）。由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软起动电路、输出电路构。5.2 内部逻辑电路结构分析5.2.1 PWM锁存与输出当高电平到来时。T触发器转变成两个相位相反的方波脉冲，高电平还分别送至U1、U2二个或非门使之无输出，RS触发器置“0”，对或非门无影响当振荡器输出低电平时。RS触发进入保持状态，即输出“0”，T触发器Q输出的“0”送至或非门U1，此时U1的四个输入端

47、均为0，故输出的“1”使T1饱和导通，T1则截止，11脚输出高电平，而U2则因T触发器输出的“1”而维持T2截止，T2饱和，14脚无输出。振荡器输出的锯齿波送至A1同相端与9脚电压比较，当高于此电压时，A1输出“1”，使发器置“1”，该输出信号又使U1输出信号反相，T1截止而T1饱和则，11脚恢复无输出。当振荡器输出的下一个脉冲到来时。U2可以输出，而U1则禁止输出，RS触发器置“0”，对U1、U2输出无影响，当低电平到来时，经U2控制，T2饱和、T1截止，14脚输出高电平同样当锯齿波的高度高于9脚电压A1又输出高电平，使RS触发器置“1”，又使14脚输出低电平，由此可知，在一个信号周期内，U

48、1、U2只允许一个有输出，另一个则被锁定，即11、14脚在一个周期内只有一个可以输出高电平，完成锁定功能，同时可知11、14脚输出高电平时间取决于振荡器输出方波脉冲的下降沿到来时间，而输出低电平时间则取决于9脚电压。5.2.2 自激振荡电路SG3525的自激振荡电路图（5-2）SG3525的自激振荡电路如图（5-2）。5脚接一定时电容，6脚接一定时电阻，7脚与5脚间接一定时电阻构成振荡电路，其中6脚上的电阻决定5脚上电容的充电时间，7脚上的电阻决定5脚电容的放电时间，即5脚上的电阻决定锯齿波的上升时间，7脚上的电阻决定锯齿波的下降时间。振荡器输出的方波脉冲对应于锯齿波的下降时间，7脚上的电阻同

49、时决定该方波的宽度，振荡频率公式如公式（5-1）： 公式（5-1）振荡器输出的锯齿波送至PWM比较器A1，而输出的方波一方面送到PWM锁存器，另一个方面有4脚输出作为其他芯片的同步信号，另外振荡器可由3脚送来的脉冲信号控制，便于多个芯片同步使用。本次毕业设计，取Ct=0.01Uf，Rt=2.9K，Rd=100则由公式（5-1）得： =45K5.2.3 脉冲宽度调节由于11脚14脚输出低电平时间取决于9脚电压，而9脚电压又取决于误差放大器输出电压，故人为改变SG3525 1脚或2脚电位，即可改变9脚电压，9脚电压变低时，A1提前输出“1”，使11脚或14脚输出脉冲宽度变窄，而9脚电压上升时则与上

50、相反，完成对输出脉宽的控制由图可知，1脚电位与输出脉冲宽度成反比，而2脚电位则与输出脉冲宽度成正比在开关稳压电源设计中，反馈电压可加于1脚或2脚。本人使用2脚加一可调电阻调占空比。5.3 SG3525的特点SG3525脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品。它的主要特点是：1、 输出级采用推挽输出，双通道输出。2、 占空比0-50%可调。3、每一通道的驱动电流最大值可达200mA，灌拉电流峰值可达500mA。可直接驱动功率MOS管。4、工作频率高达400KHz。5、具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。6、可正常工作的温度范围是0-700。7、基准电压为5.1 V士1%。8、工作电压范围很宽

51、，为8V到35V。5.4 芯片管脚及其功能介绍SG3525采用16端双列直插DIP封装，封装如图（5-3）引脚图及各端子功能介绍如下：SG3525封装图（5-3）1、INV.INPUT(反相输入端1)：误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80db，大小由反馈或输出负载来决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件组合。该误差放大器共模输入电压范围1. 5V-5. 2V。此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制时，将电源输出电压分压后与基准电压相比较。2、NI.NPUT（同相输入端2)：此端通常接到基准电压16脚的分压电阻上，取得2. 5V的基准比较电

52、压与INV. INPUT端的取样电压相比较。3、 SYNC(同步端3)：为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个芯片有各自的震荡频率，可以分别他们的4脚和3脚相连，这时所有芯片的工作频率以最快的芯片工作频率同步。也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。 4、OSC.OUTPUT(同步输出端4)：同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。但几个芯片的工作频率不能相差太大，同步脉冲频率应比震荡频率低一些。如不需多个芯片同步工作时，3脚和4脚悬空。4脚输出频率为输出脉冲频率的2倍。输出锯齿波电压范围为0. 6V到3. 5V。5、 Cr(震荡电容端5)：震荡电容接至5脚，另一端直接接至地端。其取值范围为0

53、.001u F到0. 1 u F。正常工作时，在Cr两端可以得到一个从0.6V到3. 5V变化的锯齿波。6、(震荡电阻端6)：震荡电阻一端接至6脚，另一端直接接至地端。 的阻值决定了内部恒流值对Cr充电。其取值范围为2K欧到150K欧 和Cr越大充电时间越长，反之则充电时间短。7、 DISCHATGE RD(放电端7)：Cr的放电由5、7两端的死区电阻决定。把充电和放电回路分开，有利于通过死区电阻来调节死区时间，使死区时间调节范围更宽。其取值范围为0欧到500欧。放电电阻RD和CT越大放电时间越长，反之则放电时间短。8、 SOFTSTATR(软启动8)：比较器的反相端即软启动器控制端8，端8可

54、外接软启动电容，该电容由内部 的50uA恒流源充电。 9、 COMPENSATION(补偿端9)：在误差放大器输出端9脚与误差放大器反相输入端1脚间接电阻与电容，构成PI调节器，补偿系统的幅频、相频响应特性。补偿端工作电压范围为1.5V到5.2V。10、SHUTDOWN(关断端10)：10端为PWM锁存器的一个输入端，一般在10端接入过流检测信号。过流检测信号维持时间长时，软起动端8接的电容C被放电。一般用法是将过流脉冲信号送至关闭控制端10脚，当脚10电压大于0. 7V时，芯片将进行限流操作，当脚10电压超过1.4V时，将使PWM锁存器关断，直至下一个时钟周期才能够恢复。11、OUTPUT

55、A, OUTPUT B(脉冲输出端11、14)：输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快。11脚和14脚相位相差180，拉电流和灌电流峰值达200mA。12、 GROUND(接地端12)：该芯片上的所有电压都是相对于GROUND而言，即是功率地也是信号地。在实验电路中，由于接入误差放大器反向输入端的反馈电压也是相对与12脚而言，所以主回路和控制回路的接地端应相连。 13、VC(推挽输出电路电压输入端13)：作为推挽输出级的电压源，提高输出级输出功率。可以和15脚共用一个电源，也可用更高电压的电源。电压范围是4.5V-35V 。14、 +VIN(芯片电源端15)：直流电源从15脚

56、引入分为两路：一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生5.1士1%V的内部基准电压。如果该脚电压低于门限电压(Turn-off=8V)，该芯片内部电路锁定，停止工作（基准源及必要电路除外)使之消耗的电流降至很小(约2mA)。另外，该脚电压最大不能超过35V，使用中应该用电容直接旁路到GROUND端。15、VREF(基准电压端16)：基准电压端16脚的电压由内部控制在5. 1 V土1%。可以分压后作为误差放大器的参考电压。由于本设计中的输出电流频率为45KHz，所以由频率公式，CT可取0.01uF，RT可用2.9K,RD可取100。5.5 SG3525波形SG

57、3525 11脚、14脚波形图（5-4） SG3525 11脚、14脚波形图（5-4）；SG3525 5脚波形如图（5-5）；SG3525外围电路图（5-6）。SG3525 5脚波形如图（5-5）SG3525外围电路图（5-6）5.6 反馈电路原理的设计反馈电路原理图如图（5-7）。为了确保输出的稳定,在+15V上引入反馈,采用2.536V可调式精密并联稳压器TL431作为稳压器件。它的输出电压可用两个电阻任意设置到Uref(2.5V)到36V范围内。该器件的典型动态阻抗为0.2。用它来构成外部误差放大器,再与线性光耦PC817组成隔离式反馈电路。当输入端加电信号时,发光器发出光线,照射在受光

58、器上,受光器接受光线后导通,产生光电流从输出端输出,从而实现了“电-光-电”的转换。PC817不可以起到反馈作用,还可以起到隔离作用,当PC817二极管正向电流在3mA左右变化时,三极管的集射电流在4mA左右变化,而集射极电压在很宽的范围内线性变化,因而比较符合SG3525的控制要求。当+15V输出电压升高时,经R11、R12分压后得到的取样电压,就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较,并在阴极上形成误差电压,使LED的工作电流发生变化,再通过光耦PC817去改变反馈FD的电压, SG3525 1脚的电压大小发生变化,9脚电流大小发生变化,从而使11、14的输出占空相应变化维持稳定的+15V输出。反馈电路原理图图（5-7）5.6.1反馈电路参数计算根据原理图（5-7）可知 公式（5-2）已经知道TL421的基准电压Vr=2.5V,取R11=10k，则由公式（5-1）变形得公式（5-3）：=50K