基于某SG3525地DCDC开关电源设计

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1、word基于SG3525的DC/DC开关电源设计The Design of DC/DC Switching Power Supply Based on SG3525毕业设计任务书题目基于SG3525的DC/DC开关电源设计一、设计内容设计一个基于SG3525可调占空比的推挽式DC/DC开关电源，给出系统的电路设计方法以与主要单元电路的参数计算。二、根本要求1. 系统工作原理与设计思路。2.设计开关电源主电路。3. 选择电源变压器，设计开关管的驱动控制电路。4. 主要元器件的选择。5. 利用saber进展系统仿真。三、主要技术指标输入电压为DC1035V，输入额定电压为12V，输出为360V，额

2、定功率为500W。电路以SG3525为控制芯片，使电源工作性能稳定，电源效率高。四、应收集的资料与参考文献12 X胜利. 现代高频开关电源实用技术M. ：电子工业，2001五、毕业设计进度计划第12周：收集资料，完成系统工作原理与设计思路开题报告。第3周： 设计开关电源主电路。第46周：选择电源变压器，设计开关管的驱动控制电路与主要元器件的选择。第7周：中期检查。第811周：利用saber进展系统仿真。第1213周：论文审核定稿。第1415周：辩论。毕业设计开题报告题目基于SG3525的DC/DC开关电源设计一、研究背景21世纪是信息化的时代，信息化的快速开展使得人们对于电子设备、产品的依赖性

3、越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。从开关电源的组成来看，它主要由两局部组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合与要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计本钱；控制级的主要任务如此是根据电路电信号选择适宜的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。二、 国内外研究现状1.国外研究现状自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的开展中，开关电源逐步取

4、代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的开展，开关电源逐渐向集成化方向开展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向开展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单

5、片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具开展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最优性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精

6、细开关电源与开关电源模块的优选集成电路。2.国内研究现状与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步开展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大局部以与中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。开关电源的开展从来都是与半导体器件与磁性元件等的开展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。开展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改良磁元件的结构与设计方法，提高滤波电容的介

7、电常数与降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。开关电源被誉为高效能电源，它代表着稳压电源的开展方向，现已成为稳压电源的主流产品。采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的开展趋势。三、 主要工作1.分析系统工作原理与设计思路。2.设计开关电源主电路。3. 选择电源变压器，设计开关管的驱动控制电路。4. 根据任务要求选择主要元器件。5. 利用saber进展系统仿真。四、 采用的方法1. 根据设计要求，选用SG3525脉宽调制控制器。2.通过调节SG3525第5脚上CT的电容和第6脚RT上的电阻就可以改变输出控制信号PW

8、M的频率。3. 调节第9脚P的电压可以改变输出脉宽，可以改善开关电源的动态性能和简化控制电路的设计。五、预期达到的结果利用saber进展系统仿真使设计的开关电源满足输入电压为DC1035V，输入额定电压为12V，输出为360V，额定功率为500W。电路以SG3525为控制芯片，且电源工作性能稳定，电源效率高。指导教师签字时 间年 月 日摘要本文主要目的是设计一款基于SG3525的推挽式DC/DC开关电源，首先可以将DC1035V，转变成DC360V，额定功率达到500W。可应用在低压转高压的设备中，特别是适用于低压输入的车载逆变电源的前级升压等。通过比照研究，设计了基于SG3525的推挽式DC

9、/DC开关电源的主拓扑结构，将前级的低压直流电通过变压器耦合升压，输出经过桥式整流和LC滤波，得到360V直流高压。MOSFET漏源极采用RC吸收电路，对变压器漏感产生的尖峰电压进展吸收。电压的反应采用TL431和PC817结合的隔离采样方式，实现了前后级的电气隔离。电压反应信号送入SG3525的比拟端，与SG3525的内部三角波进展比拟，可以得到占空比变化的PWM波形，实现对输出电压的闭环控制。通过对主电路工作原理分析和参数计算，完成了硬件电路的设计，最后通过电力电子仿真软件SABER对电路进展仿真验证，可以在输入电压全X围内实现稳压输出360V，输出功率达到额定要求，电路性能稳定，响应速度

10、快。关键词：SG3525推挽DC/DC开关电源 SABER仿真AbstractThe main purpose of this paper is based on a push-pull DC/DC SG3525 switching power supply, can be transformed into DC1035V, DC360V, rated power reaches 500W. Can be used in high pressure and low pressure rotor device, especially suitable for low voltage invert

11、er power input before voltage etc.Through the parative study, design the main topology of push-pull DC/DC switching power supply based on SG3525, the low voltage DC power stage through transformer step-up, output filtered bridge rectifier and LC, 360V DC high voltage. MOSFET drain source using RC sn

12、ubber circuit, peak voltage of transformer leakage generated by absorption. Isolation by TL431 and PC817 bined with the feedback sampling voltage, electrical isolation between the before and after class. parison of terminal voltage feedback signal is sent to SG3525, pared with the internal triangula

13、r wave SG3525, can get the PWM duty cycle waveform changes, to achieve closed-loop control of output voltage.Through the work of the main circuit principle analysis and parameter calculation, pleted the hardware circuit design, the power electronic simulation software SABER to verify the circuit, th

14、e input voltage can achieve the full range output voltage 360V, output power reaches the rated circuit requirements, stable performance, fast response speed.Key words：SG3525 push-pull DC/DC SABER simulation目录第1章绪论11.1课题研究的目的意义11.2国内外研究现状11.3论文研究内容2第2章课题设计要求与方案32.1设计要求32.2设计方案3第3章 系统主要元器件介绍53.1SG3525

15、芯片介绍5引脚功能说明6SG3525的工作原理73.2 TL431工作原理介绍93.3PC817性能介绍113.4高频变压器12第4章 硬件电路设计144.1 推挽电路原理与设计144.2 SG3525控制电路设计174.3 TL431和PC817反应电路设计184.4 高频变压器设计19第5章 saber仿真验证225.1 仿真软件介绍225.2 系统仿真电路图235.3 仿真结果23第6章 结论27参考文献28致 谢29附录30附录A外文资料30附录B电路原理图4747 / 54第1章绪论1.1课题研究的目的意义随着电力电子技术的高速开展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电

16、子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速开展1。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，开关电源一般由脉冲宽度调制PWM控制IC和开关器件MOSFET、BJT等构成。开关电源和线性电源相比，二者的本钱都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源本钱在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的开展和创新，使得开

17、关电源技术在不断地创新，这一本钱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开展空间2。开关电源高频化是其开展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的开展与应用在节约能源、节约资源与保护环境方面都具有重要的意义3。1.2国内外研究现状自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的开展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的开展，开关电源逐渐向集成化方向开展，趋于小型化和模块化。近

18、20年来，集成开关电源沿两个方向开展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化4。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOP

19、Switch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具开展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。5单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最优性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精细开关电源与开关电源模块的优选集成电路。与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步开展期，起步较晚、技术相对落后。目

20、前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大局部以与中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。开关电源的开展从来都是与半导体器件与磁性元件等的开展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。开展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改良磁元件的结构与设计方法，提高滤波电容的介电常数与降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用6。1.3论文研究内容本文旨在研究和设计一款基于SG3525的推挽式DC

21、/DC开关电源，可以用于低压到高压的转换，特别是适用于低压输入的逆变电源的前级，比如车载逆变器和家用逆变器的前级升压。主要研究内容包括：(1)提出设计参数要求，并设计系统的硬件电路方案和软件仿真验证方案。(2)对系统中用到的主要原件进展说明和原理介绍。包括SG3525的电气参数介绍以与工作原理和结构特性；TL431构成反应电路的工作原理介绍；PC817的主要性能介绍；高频变压器的工作原理。(3)对系统的硬件电路进展分模块设计。包括推挽主电路的设计和推挽电路工作原理分析；SG3525控制电路的设计，以与SG3525的工作频率和死区时间的选定；TL431和PC817构成的反应电路的参数设计；高频变

22、压器的设计和制作。(4)选择SABER仿真软件对系统进展建模仿真。并且对仿真得到的波形进展分析，判断电路设计的正确性和性能。(5)对本设计进展总结，给出改良意见。第2章课题设计要求与方案2.1设计要求设计一个基于SG3525可调占空比的推挽式DC/DC开关电源，输入的电压为DC1035V，输入额定电压为12V，输出为360V，额定功率为500W。电路以SG3525为控制芯片，使电源工作性能稳定，电源效率高。给出系统的电路设计方法以与主要单元电路的参数计算，选择符合设计要求的元器件，最后用saber进展仿真。2.2设计方案设计方案主要包括硬件设计和仿真分析两局部。其中硬件系统主要由SG3525控

23、制电路、推挽电路、TL431和PC817反应电路几局部组成。系统框图如图2-1所示。图2-1 系统框图直流电压输入X围是1035V，额定状态下为12V，作为推挽电路的直流供电。推挽电路将低压直流斩波成高频交流信号，再通过变压器耦合、升压，次级通过快速恢复二极管构成的整流桥整流，经过LC滤波器滤波后得到高压直流，给负载供电。TL431和PC817构成的反应电路可以采集高压直流信号，并跟基准电压比拟，通过补偿器的调节，再将反应信号送入SG3525的比拟端。SG3525控制电路把反应电路送入的反应电压信号与内部的三角波进展比拟，就可以得到占空比变化的PWM波形，再将PWM波形送给推挽电路，来驱动开关

24、管动作，最后使高压侧输出电压稳定在360V。仿真分析作为电路设计前期的一种有效手段，可以帮助分析电路的可行性，减少后期设计中改版等问题，节省开发本钱。首先要对整个电路进展设计，前期工作就是查阅相关资料和芯片的数据手册，设计出有效的电路。然后选择一款适宜的，仿真效果好的软件，并将设计好的电路图，用仿真软件中的仿真模型替换并建立仿真原理图。建立好仿真原理图后，还不能马上运行，必须对仿真原理图以与仿真软件的参数进展设置，包括仿真时间、仿真步长、仿真精度、收敛问题等进展合理设置，防止仿真过程中出现运算不收敛，导致仿真失败。参数设置好后就可以运行仿真软件，并等到计算完成，得出各个器件和网络的电压、电流等

25、信息。选取需要分析的波形结果，分析电路的工作性能是否如设计的那样。如果出现结果不正确，或者效果不好的现象，那么必须修改电路，重新设计局部电路图，经过反复的修改和仿真调试，最终获得性能优良的最终电路图7。第3章 系统主要元器件介绍3.1SG3525芯片介绍随着电能变换技术的开展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛地使用，为此美国硅通用半导体公司研发并推出了SG3525芯片，以用于方便地驱动N沟道功率MOSFET。SG3525是一款性能优良、功能齐全、使用广泛、并且通用性很强单片集成的PWM控制芯片，SG3525结构简单简单可靠并且使用起来方便灵活8。安森美、意法半导体、飞思卡尔、凌力尔特、美

26、国硅通用等多家半导体大公司都有生产销售，其功能完备，然而外围电路的设计却很简单，极大地方便了电子工程师的电路设计复杂度，不同的外围电路设计可以完成不同的电路功能。芯片输出驱动为Pull-Push图腾柱推挽式结构，驱动能力强大，可以适应不同的开关管对驱动电流的要求；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，可以在电源启动过程和保护状态下有效地保护芯片和电路主要器件的安全使用。同时还具有过流保护功能，频率可调，并且可以通过控制延时电阻，完成死区时间的设计，由此控制了最大占空比，使电源工作更加安全可靠。其性能特点如下：(1)正常工作电压具有很宽的X围，可以工作在835V。(2)内部集成高精

27、度基准电压源5.1 V1.0。(3)工作频率X围宽，可以达到100Hz400 kHz。(4)具有振荡器外部同步功能。(5)死区时间可以通过延时电阻进展配置。内部具有Pull-Push图腾柱推挽输出结构，具有大电流输出能力，可以驱动不同的晶体管和快速场效应管，输出或吸入电流最大值可达400mA。(6)内部设置了工作电压欠压锁定电路。如果工作电压低于8V，如此欠压锁定电路工作，内部输出将锁定，芯片损耗将减小，工作电流将低于2 mA。(7)内部集成了软启动电路，软启动引脚内部连接有一个恒流源，可以为外部连接的电容充电，可以通过外部配置不同的电容值，设置不同的软启动时间。软启动过程占空比从0逐步增加到

28、所设置的最大占空比。(8)PWM调至电路在设计上采用了锁存器输出的方式，占空比的改变必须等到下一个时钟跳沿才能更新。可以在电源供电噪声大，输入信号有波动和噪声时，仍然能够可靠输出9。引脚功能说明图3-1 SG3525引脚图(1)(引脚1)：这是集成在芯片内部的误差放大器的反向输入端。在反应电路的设计中，可以将反应信号经过处理后送入这个引脚，可以构成一个负反应闭环系统。也可以将该引脚和引脚9直接连接，构成一个电压跟随器，用于开环控制中作为一个电压跟随。(2)(引脚2)：这是集成在芯片内部的误差放大器的反向输入端，配合引脚1构成一个反应系统。可以接一个目标给定信号，通常情况下，该引脚会通过两个电阻

29、将芯片内部的5.1V基准电压分压送入，作为一个给定信号，还可以通过一些外围电阻和电容构成一个反应补偿网络。(3)Sync(引脚3)：芯片提供的接入外部同步信号的引脚，在多机联机工作或者需要频率相位同步的情况下，可以将主机的频率信号送入从机的同步引脚，实现和外部主机的信号同步。(4)(引脚4)：内部振荡器时钟输出引脚。(5)CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。(6)RT(引脚6)：振荡器定时电阻接入端。(7)Discharge(引脚7)：内部振荡器放电端。该引脚可以与引脚5之间连接一个电阻，这样就能控制定时电容上的放电斜率，放电斜率可以控制PWM信号的死区时间，所以可以通过计算，合理地接入一个

30、电阻，实现死区时间的设置。如果需要获得最大占空比调节X围，如此将该引脚和引脚5短接。(8)Soft-Start(引脚8)：用于控制软启动时间的引脚，外部接电容到地。(9)pensation(引脚9)：内部误差放大器的输出端，同时也是PWM比拟器的一个输入端。该引脚可以和引脚1、引脚2构成不同的反应调节器。(10)Shutdown(引脚10)：芯片关断控制端，高电平有效。可以在与外部的保护电路输出或者控制器的控制信号相连，当输入高电平时，芯片的PWM比拟器将被锁定输出，保护功率器件。(11)Output A(引脚11)：PWM信号输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。(12)Ground

31、(引脚12)：信号地。(13)Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。(14)Output B(引脚14)：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。(15)Vcc(引脚15)：工作电压输入端。(16)Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。SG3525的工作原理SG3525的内部结构图如图3-2所示。图3-2 SG3525内部结构图直流电源Vs通过工作电压输入端(引脚15)接入，一方面通过基准电压的稳压电路得到稳定的基准电压源；另一方面需要提供应整个芯片的工作电源。芯片工作频率跟外部接入的定时电阻、定时电容和放电电阻有关，频率的计算公式如下式(3-1)

32、所示。(3-1)振荡器电路在CT上会产生锯齿波形，这个锯齿波形被送到PWM比拟器的一个正向输入端，用于跟电压控制信号相比拟，从而产生不同占空比的PWM信号。另一方面，这个锯齿波被送入时钟发生电路，产生跟锯齿波形同频率同相位的时钟波形。这个时钟信号用于触发器的时钟信号，以与锁存器的时钟信号，同时还作为PWM信号逻辑输出或非门的使能信号。触发器的两路输出信号是反相的，和锁存器信号、时钟信号共同作用于或非门，或非门的一正一反两路输出信号分别驱动推挽输出的上下管，就可以使AB两路PWM输出相位相差180度10。SG3525内部的精细基准源是从输入工作电压通过稳压器稳压得到，经过矫正处理得到精度可达1.

33、0%。通常情况都是用于作为误差放大器正向输入端的参考信号，一般会用两个精细电阻进展分压，也可以直接将基准电压引脚和误差放大器正向输入端相连，直接提供参考。SG3525同步功能，在多机联机工作或者需要频率相位同步的情况下使用，可以将主机的频率信号送入从机的同步引脚，实现和外部主机的信号同步。CT引脚和Discharge引脚之间的电阻可以控制定时电容上的放电斜率，放电斜率可以控制PWM信号的死区时间，所以可以通过计算，合理地接入一个电阻，实现死区时间的设置。如果需要获得最大占空比调节X围，如此将该引脚和引脚5短接11。SG3525的软启动功能利用的是恒流源对电容的充电，会使得电压线性增长，所以在软

34、启动引脚(引脚8)上通常接一个假如干f的软启动电容。那么在芯片刚刚通电时，电容上的电压为0，SG3525内部的50uA恒流源会通过引脚向外部连接的电容充电，电容上的电压会线性增加到Vref。这个电压信号送入PWM比拟器的另一个反向输出端，可以使PWM信号从0逐渐增大，直到增加到最高占空比12。误差放大器在正常使用中，通常正向输入端接参考电压，反向输入端接反应的电压信号，那么当输出电压增大，反应电压信号也会增大，误差放大器的输出减小，那么和锯齿波比拟后产生的PWM信号占空比有所下降，这样最后通过功率管的输出后，输出电压有所下降，能够保持输出电压的动态平衡，起到稳压输出的目的13。Shutdown

35、(引脚10)是外部控制芯片工作状态的引脚，内部是一个NPN晶体管控制PWM比拟器的反向输出端口。当Shutdown引脚输入高电平时，内部晶体管就会导通，PWM比拟器连接软启动电容的反向输入口上的电压就会被拉低，使得PWM输出信号关闭，软启动电容也被放电至0，等待下一次的重启软启动。由于内部使用的是晶体管，为了防止SG3525误关闭，Shutdown引脚不能悬空，必须要有可靠的上下电平输入，所以在不需要控制SG3525的启动和停止时，应该将该引脚用电阻可靠接地14。欠压锁定电路的输出控制了或非门的输出、锁存器的输出，以与软启动和关断引脚的输入，将几乎所有的内部模块都关闭，所以在欠压锁定状态下，芯

36、片的工作电流很低15。3.2 TL431工作原理介绍TL431是一种应用十分广泛，应用电路成熟的三端稳压基准源基准电压可以任意设置，设置X围可以从2.5V36V。可以用于小功率稳压电源，也可以经过扩流后设计成较大功率的恒压、恒流电源。某些时候还可以作为齐纳二极管使用。内部可等效为一个运算放大器，可以在外围配置电阻电容，形成带有反应补偿的闭环反应电路。特点：(1)电压参考误差：0.4 ，典型值25TL431B。(2)。(3)负载电流能力1.0mA to 100mA。(4)等效全X围温度系数50 ppm/典型。(5)温度补偿操作全额定工作温度X围。(6)低输出噪声电压。TO-92(TO-226)L

37、P SUFFIXCASE 29图3-2 TL431封装引脚图PDIP-8P SUFFIXCASE 626Micro8DM SUFFIXCASE 846A图3-3 TL431的8脚封装根据TL431的内部结构，可以将其等效为如图3-4所示的电路。图3-4 TL431等效原理图等效原理图中，TL431被等效成一个运算放大器和一个NPN型晶体管，反并联一个二极管。Vref引脚引入的电压信号和内部基准电压2.5V进展比拟，当引入电压高于基准电压，输出为正，晶体管会被驱动，此时如果晶体管存在偏置电压，那么晶体管中的电流会增大；反之，当引入电压低于基准电压，输出为负，晶体管导通程度下降，晶体管中的电流下降

38、。如果将TL431构成反应调节器后，那么引脚Vref引入的电压信号会动态等于基准电压，这样就能使得输出电压等于我们希望达到的电压值。3.3PC817性能介绍PC817光电耦合器广泛用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。PC817的电气参数如表3-1所示。表3-1 PC817电气特性表Parameter 参数Symbol符号Rating 数值Unit 单位输入侧Forward current 正向电流IF50mAPeak forward current 峰值

39、正向电流IFM1AReverse voltage 反向电压VR6VPower dissipation 功耗P70mW输出侧Collector-emitter voltage 集电极发射极电压V CEO35VEmitter-collector voltage 发射极集电极电压V ECO6VCollector current 集电极电流IC50mACollector power dissipation 集电极功耗PC150mWTotal power dissipation 总功耗P tot200mWIsolation voltage 隔离电压V iso5 000VrmsOperating temp

40、erature 操作温度T opr-30 to + 100Storage temperature 存储温度T stg-55 to + 125Soldering temperature 焊接温度T sol2603.4高频变压器变压器是一种通过磁耦合而传递能量的器件，通常包括磁芯和绕组两局部。常见的变压器是由多个绕组组成，能量输入端相连的绕组称为原边绕组，与负载相连的绕组称为副边绕组。变压器通常用于交流电的变压、变流、变阻抗。简单的变压器结构如图3-5所示。图3-5 变压器结构其实两个相互靠近的螺旋线圈也可称为是变压器，但是由于空气的到此率太低，磁场的相互耦合很弱，几乎不能用于传递能量。而各种材料

41、的磁芯的作用就是为了加强绕组之间的磁耦合，使得能量能够有效传递。变压器的工作机理其实很复杂，线圈之间的耦合存在自偶、互偶，线圈存在铜损，磁芯存在磁损，并且在磁场能量传递过程中还存在磁场泄漏，也就是漏磁现象，所以如果仔细讨论，变压器的设计过程将非常复杂。所以有时候会简化变压器的参数，将一些不是特别重要的参数先略去，有时候甚至要用理想变压器去替代。这里我们就用理想变压器阐述变压器原理，所以这里略去漏磁通，原、副线圈的电阻，磁芯的损耗，空载电流等。变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原边有交变的电流时，会在磁芯中感应出交变的电磁场，这时磁芯中的磁通为，=msint。电磁场通过整个磁芯

42、，所以会穿过副边绕组，所以原副边中的磁通是一样的。交变的磁场会感应出交变的电流，产生感应电动势。原副边中的感应电动势为e1=-N1d/dt、e2=-N2d/dt。式中N1、N2为原副边的匝数。由图可知U1=-e1，U2=e2，其复有效值为U1=-E1=jN1、U2=E2=-jN2，令k=N1/N2，称变压器的变比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即变压器原副边电压有效值之比，等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为。由此可以得到：U1/U2=N1/N2在空载电流可以忽略的情况下，有I1/ I2=-N2/N1，即原副边电流有效值大小与其匝数成反比，且相位差。因此：I1/ I2=N2/

43、N1理想变压器原、副线圈的功率相等P1=P2。说明理想变压器本身无功率损耗。实际变压器总存在损耗，其效率为=P2/P1。电力变压器的效率很高，可达90%以上。第4章 硬件电路设计4.1 推挽电路原理与设计图4-1是桥式整流输出推挽式变压器开关电源工作原理图。桥式整流电路由D1、D2、D3、D4组成，C为储能滤波电容，R为负载电阻，Uo为直流输出电压，Io为流过负载电阻的电流。图4-1桥式整流推挽拓扑结构推挽电路的变压器原边是由两个低边驱动的开关管对电压器原边进展驱动，两个开关波形相差180度，占空比一样。K1导通时，绕组N1的同名端被施加电压，电压值等于输入电压Ui，此时由于电磁感应的原理，在

44、绕组N2和N3上都会感应出电动势。绕组N2上因为K2关闭，不能形成回路，所以绕组N2能够产生感应电压，但是不会输出电流。而副边绕组N3上同名端也感应出电动势e3，通过D2和D4给电容C和负载R供电，因此产生了能量的输出，能量从原边输入电压传递到了副边负载输出。同理，当K2导通时，绕组N2的异名端被施加电压，电压值等于输入电压Ui，此时在绕组N1和N3上都会感应出电动势。绕组N1上因为K1关闭，不能形成回路，所以绕组N1能够产生感应电压，但是不会输出电流。而副边绕组N3上异名端也感应出电动势e3，通过D1和D3给电容C和负载R供电，因此产生了能量的输出，能量从原边输入电压传递到了副边负载输出。由

45、于输出存在大电容，所以输出电压根本稳定，所以在变压器副边电压被钳位在某一电压，原边绕组和副边绕组的电压之比等于绕组匝数之比。图4-2 各主要工作点电压、电流波形如图4-2是桥式整流输出或全波整流输出推挽式变压器开关电源，在两个控制开关K1和K2交替接通和断开，且占空比D均等于0.5时，各主要工作点的电压、电流波形。图a和图b分别表示开关管K1导通时，变压器原边绕组N1两端的电压u1和流过变压器原边绕组N1两端的电流I1；图c和图d分别表示开关管K2导通时，变压器原边绕组N2两端的电压u2和流过变压器原边绕组N2两端的电流I2；图e和图f分别表示开关管K1和K2交替导通时，变压器副边绕组N3两端

46、的输出电压uo和流过变压器副边绕组N3两端的电流。图f中，虚线箭头表示反激式输出电流是由最大值开始，然后逐渐减小到最小值；而实线箭头表示正激式输出电流如此是由最小值开始，然后逐渐增加到最大值；因此，两者同时作用的结果，正好输出一个矩形波。图4-3带LC滤波器推挽电路图4-3是本设计使用的带LC滤波器的推挽式变压器开关电源电路。在原有的推挽式变压器开关电源电路的根底上，在整流输出电路后面加接了一个LC储能滤波电路。LC储能滤波电路可以使得推挽电路的输出电压可调整，输出电压纹波和电流纹波更小。LC滤波器实际上是一个低通滤波器，其参数的设计应该考虑到LC滤波器的截止频率。通常应该选择LC滤波器的截止

47、频率至少要小于开关频率的1/10，这样滤波效果较好。本设计为了输出稳定的直流电压，将截止频率设置为1KHz，所以 (4-1) (4-2)在电容标称值中选择容量为470uF的电解电容，代入上式可计算得电感大小(4-3)所以电感量至少要大于54uH。C2、R4和C3、R5构成开关管Q1和Q2的RC吸收电路。RC吸收电路能够吸收开关管关断是产生的高频尖峰。RC参数确实定通常是保证RC共振频率处于开关频率的34倍比拟适宜。也就是需要RC时间常数在1/31/4的开关周期。本设计中的开关频率为69KHz，周期为14.5us。选择RC时间常数为1/4开关周期，即为3.625us。选定电容为标称值为10nF的

48、瓷片电容，那么此时计算可得电阻R=362欧。4.2 SG3525控制电路设计图4-4 SG3525控制电路如图4-4所示的SG3525控制电路，Ct设计为4.7nF，Rt设计为2K，Rd设计为47欧，可以由式(3-1)得到(4-4)所以两个PWM信号的频率为69kHz。死区时间为：(4-5)软启动电容选取1uF，反应网络通过CMP引脚直接反应，补偿网络在前级TL431和PC817构成的反应电路中。7引脚为芯片内部振荡器放电端，该引脚与5引脚间连接一个电阻，这样就可以控制丁是电容上的放电斜率，放电斜率可以用来控制PWM信号的死区时间，所以通过计算，合理地在5引脚和7引脚之间接入一个阻值适宜的电阻

49、，可以最终实现对死区时间的设置，如果要求得到最大占空比调节X围，如此应该将5引脚和7引脚短接，此次设计中通过计算Rd的值为47欧。10引脚为芯片关断控制端，高电平有效。可以在与外部的保护电路输出或者控制器的控制信号相连，当输入高电平时，芯片的PWM比拟器将被锁定输出，保护功率器件。4.3 TL431和PC817反应电路设计图4-5 TL431和PC817反应电路如图4-5为TL431和PC817反应电路。从TL431的技术参数知，Vka在2.5V37V变化时，Ika可以在从1mA到100mA以内很大X围里变化，一般选20mA即可，可以稳定工作。确定了上面几个关系后，那几个电阻的值就好确定了。根

50、据TL431的性能，R13、R15、VOUT、Vref有固定的关系：(4-6)式中，VOUT为输出电压360V，Vref为参考电压，Vref2.50V。 R15的取值不是任意取的，要考虑两个因素：(1)431参考输入端的电流，一般此电流为2uA左右，为了防止此端电流影响分压比和防止噪音的影响，一般取流过电阻R15的电流为参考段电流的100倍以上，所以此电阻要小于2.5V/200uA=12.5K。(2)待机功耗的要求，如有此要求，在满足12.5K的情况下尽量取大值。本设计中R152.5K，所以R13=3。再来确定R11和R12。PC817的If取20mA，如此R11的值约为18K，TL431要求

51、至少有1mA的工作电流，也就是R11的电流接近于零时，也要保证TL431有1mA，所以R12=360V/1mA=360K即可，这里取值300K。4.4 高频变压器设计本设计中的高频变压器预设变压器效率=0.9，开关频率fs=69kHz，最大占空比Dmax=0.48，输入电压1035V，输出电压360V，额定功率500W。采用面积乘积AP法来设计变压器，采用如下步骤进展设计：(1)计算变压器的视在功率PT在电工技术中，将单口网络端钮电压和电流有效值的乘积，称为视在功率apparent power，记为S=UI。由于网络中既存在电阻这样的耗能元件，又存在电感、电容这样的储能元件，所以，外电路必须提

52、供其正常工作所需的功率，即平均功率或有功功率，同时应有一局部能量被贮存在电感、电容等元件中。这就是视在功率大于平均功率的原因。只有这样网络或设备才能正常工作。假如按平均功率给网络提供电能是不能保证其正常工作的。因此，在实际中，通常是用额定电压和额定电流来设计和使用用电设备的，用视在功率来标示它的容量。(4-7)(2)初步暂定磁心材料为MXO-2000型，其饱和磁通密度，为防止出现磁饱和现象而损坏功率开关管，暂取磁通密度。确定磁心截面积AP，根据AP值选择磁心尺寸。公式如下 (4-8)PT-变压器的视在功率Ae-磁心有效截面积Aw-磁心窗口面积Bw-磁心的工作磁通密度fs-开关工作频率Kj-电流

53、密度系数，取433A/cmX-磁芯结构系数将数据带入公式得444，应当选用EE42型磁心。其Ae=178mm，Wa=258mm。(3)计算原副边电感量与匝数计算原边绕组匝数的公式如下中心抽头至两端(4-9)其中UImin=10V，代入数据计算可得到Np=1.5,取整2匝。计算匝比n (4-10)计算原边峰值电流Ip设定电路工作在连续模式，根据输入电压的X围取Krp为 (4-11)计算原边电感Lp连续模式： (4-12)代入数据计算可得，计算副边电感Ls (4-13)计算副边匝数NsNs=Np/n=78匝计算空气隙的长度为了防止磁心饱和，需要在磁心的两个侧面各留出一定的气隙。计算公式如下(4-1

54、4)(4)根据电流密度和原副边有效值电流求线径原边线径原边有效电流 ： (4-15)计算线径 电流密度J取4A/mm原边线径： (4-16)为减小集肤效应的损耗，线径取直径，54股绕制。副边线径 (4-17)为减小集肤效应的损耗，线径取直径，2股绕制。最终设计出的总电路图见附录B。第5章 saber仿真验证5.1 仿真软件介绍Saber仿真软件是一款混合信号仿真软件，是由美国Synopsys公司研发，号称世界上最为先进的计算机仿真软件。其强大的功能，多领域，多应用平台的仿真能力，使之得到了各个应用领域设计工程师的认可。广泛应用于电力电子、机械自动化、光电信息、自动控制等领域，仿真精度高，分析信

55、息全面，是一款不可多得的EDA软件。其主要应用领域：(1)电源变换器设计Saber最常见于电力电子仿真设计中，可以用于对DC/DC变换技术、DC/AC变换技术、AC/DC变换技术等，可以实现拓扑结构仿真验证，环路稳定性设计，磁性元件仿真分析等。还可以从仿真结果中得到电路各个局部的电流、电压、功率、温升等数据。(2)伺服系统设计Saber软件中集成了多种电机模型，同时还包括一些机械连接和液压模型等，可以方便地构成电机伺服系统。使用者可以在仿真电路中设计电机驱动、调速、控制环路等，方便地分析电机驱动等功率部件的工作状态，包括电压、电流、发热情况等，有效节约伺服系统调试本钱和调试时间。(3)电路仿真

56、和大多数EDA软件一样，Saber也具有模拟电路和数字电路等电路的仿真分析。Saber所提供的器件模型涵盖很广，模型可以自建和修改，方便设计者根据实际情况对器件参数进展修改，达到更加逼真的仿真效果。每个器件的参数完备，可以将模型尽可能模拟出真实器件的工作状态。将我们设计好的电路图，用仿真软件中的仿真模型替换并建立仿真原理图。建立好仿真原理图后，还不能马上运行，必须对仿真原理图以与仿真软件的参数进展设置，包括仿真时间、仿真步长、仿真精度、收敛问题等进展合理设置，防止仿真过程中出现运算不收敛，导致仿真失败。参数设置好后就可以运行仿真软件，并等到计算完成，得出各个器件和网络的电压、电流等信息。选取我

57、们需要分析的波形结果，分析电路的工作性能是否如设计的那样。5.2 系统仿真电路图图5-1 SABER仿真平台原理图如图5-1所示为SABER仿真平台下建立的原理图，图中为了方便仿真运行，用数控开关S1和S2代替开关管，输入电压用可编程的直流电源Vin，可以设定不同时间段输出不同电压值，这样可以在一次运行中模拟输入电压从10V到35V变化，观察电源的电源调整率和输出电压的稳定性和调节速度。控制SG3525输出频率的Rt和Ct分别为之前计算值2K、4.7nF，为了获得尽可能大的PWM占空比调节X围，将控制死区时间的Rd取最小，即为短路状态，这样可以得到最大的真空比调节X围。后级全桥整流所用的快速恢

58、复二极管为FR307，具有1000的反向耐压和3A的工作电流能力，足够额定输出500W的工作要求。LC滤波器采用的是100uH的电感和10uF的电解电容。输出负载用电阻代替，由于要额定输出500W，输出电压稳压360V，所以输出负载电阻选为260欧。5.3 仿真结果设置好SABER软件的仿真参数，仿真时长为200ms，仿真步长为1us，仿真精度，可编程直流电源在0100ms内输出10V，在100200ms内输出35V，电压在100ms时突变。仿真结果如如下图5-2、5-3、5-4、5-5所示。图5-2为输入电压和输出电压的波形图，可以看出输入电压在100ms时，突然从10V升高到35V。输出电

59、压在0100ms阶段已经稳压工作在360V，在100ms时出现一个超调，很快又恢复到360V。调整时间约为12ms，稳压输出361V，静态误差和调节速度都满足要求。由于仿真状态下使用的最极端的参数变化，所以在仿真结果中看到相对较大的电压超调，这是由于反应网络中的PI调节器和信号采样的一些滞后环节导致系统的动态调整速度不可能完全与时相应输入电压的变化，存在一定的调节滞后，但是在短时间内出现一定超调是安全的，器件本身都有一定抗冲击能力。后期应该在环路设计上做一定的调整，尽可能减小过冲和调整时间。图5-2输入电压和输出电压波形图5-3两路驱动波形图5-3所示为两路开关管的驱动信号，可以看出此时占空比

60、约为0.4，两路波形存在一定的死区时间。驱动波形的上升沿和下降沿不是陡峭的波形，一方面是驱动电路输出电流的能力有限，驱动带有寄生电容的开关管，会存在一定的电压上升时间，关断过程也会有一定的延迟。在实际电路中调试中，如果出现上升沿和下降沿时间太长，可以考虑减小驱动电阻，这样可以减小上升和下降时间，使驱动波形变得陡峭。另外还可以增加关断加速电路等方法，也可以获得下降沿时间的减小。图5-4变压器次级波形图5-4为变压器次级的输出波形，可以看出波形的峰值电压达到400V，经过桥式整流后，负电压波形翻转，再经过LC滤波器，将高频信号滤除，可以得到直流电压360V，即为高频电压信号的平均值。在两个开关管都

61、关断的时间，可以看到波形输出为0，实际电路调试中，可能会出现一定的高频震荡。如果震荡较大，可以调整电路中的RC吸收参数，减小输出震荡。图5-5输出功率波形图5-5为输出功率的波形，可以看到在电压全X围输入的条件下，都能实现额定功率500W输出。在100ms时，电压从10V突变到35V，由于电压突变太大，系统闭环反应存在一定的滞后性，所以出现输出电压的过冲，因此导致输出功率有一个过冲现象。不过，过冲幅值不大，持续时间也补偿，之后系统反应经过调节，电压恢复正常，功率输出也恢复到额定输出。第6章 结论本论文至此，已经完成了设计之初的要求，在深入理解和分析了SG3525的控制原理，以与推挽式DC/DC

62、变换器的原理，设计出一台能够输入宽X围低压1035V，输出稳压360V，额定功率能达到500W的开关电源。在设计中利用了TL431和PC817设计反应和补偿网络，使得系统的动态性能和稳态特性都满足要求。在此过程中，电路设计的能力以与对SABER仿真软件的应用能力得到很大提升。当然，由于个人能力毕竟有限，不能从更深层次去探讨电路和控制的深层工作机理，所以设计中也存在一些瑕疵。比如输入电压从10V突变到35V时，电压过冲较大，虽然时间很短，不至于损坏器件，但是还是存在调解上的问题，这是对电源环路设计经验不足导致的，有待更深层次的研究和学习。另外这个开关电源由于受到SG3525本身占空比变化X围的限制，所以调节X围不大，在1035V宽X围