基于SG3525的单相AC—DC变换电路的设计与制作
时间：2022-05-27 19:07:01 浏览次数：次
【摘要】随着电力电子技术的飞速发展，非线性高效率开关电源得到了广泛应用，交流变直流的变化成为变换电源技术的重要方法。本文采用SG3525脉宽调制芯片设计电源变换电路，TL431与光耦PC817作为输入电路、输出电路、过压保护电路和过流保护四大部分组成主控电路。经过系统调试后测试得到，当输入交流电压为24A时，输出直流电流2A，直流电压36V。
【关键词】SG3525;开关电源;AC-DC变换;设计
1.引言
SG3525能输出稳定PWM脉冲，采用场效应管来作为交流变成直流的控制器件，所用到的其他元器件较少。它简单可靠及使用方便，其芯片内部含有电压过小时可以将其锁定的电路、脉宽锁存器、具有电压电流过大时能够保护的功能，可以调节输出频率、占空比等电路。
2.系统结构设计
本设计采用市电供电，中间插入了一个电源变压器，将220V市电变换成24V电压，通过整流、滤波，变换成开关电源所需要的直流电源，系统总体框图如图2-1所示[1]。电路主要包括隔离降压电路、整流滤波电路、驱动电路、输出电路、稳压电路、过流保护电路以及辅助电源电路等[2]。
图2-1 系统总体框图
3.硬件设计
硬件部分主要由整流电路、升压斩波电路、PWM波形调制、过流过压保护等模块组成，各个部分的工作原理及设计如下。
3.1 脉宽调制器的设计
本设计脉宽调制器采用SG3525，它性能优良、功能齐全和通用性比较强的单片集成脉宽调制控制的芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力[3];当内部电压过小的时候，它可以将其锁定的电路、脉宽调制锁存器，电流过大时可以起到一定保护的功能，而且频率的范围也可以进行调整等诸多优点。
3.2 SG3525内部结构及电路组成
SG3525的内部有基准电压调整器、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、软启动电路和输出电路构成[4]。控制芯片采用脉宽调制控集成电路SG3525产生PWM波形，控制开关管的通断、选择为1000pF和24K;开关频率选44kHz;采用SG3525可推直接驱动MOSFET开关管。
3.2.1 频率可调
如下公式所述，改变电阻和电容的值来调节PWM波的输出频率，频率等于1除以RT乘以0.7加上RD乘以0.3在乘以CT的乘积，其频率的计算公式为：
（3-1）
3.2.2 死区时间可调
为了防止逆变桥的上下桥臂在强电流的情况下直通，可以通过调节SG3525的5脚外接可变电阻从而可以改变死区时间的大小。
3.2.3 具有PWM脉冲信号封锁功能
在SG3525脉宽调制芯片中，10脚功能用于电压或者电流过大时的故障保护电路，当该脚为高电平的时候将会封锁输出驱动脉冲信号。当10脚电压低于2.5V时（即为低电平时），可以及时地封锁输出脉冲，这是为了防止出现过压、过流故障时对电路产生的一系列危害。
3.2.4 芯片内振荡器
工作频率为100Hz～400KHz。设有引脚3为同步端，为多个SG3525连用提供方便。
3.2.5 具有软启动电路
SG3525内置了PWM锁存器，它可以将送来的置位信号进行比较之后再进行锁存，并且可以将噪声、振铃等诸多信号全部滤除，该系统的可靠性提高，这是因为仅在下一个时钟脉冲信号到来的时候，PWM锁存器才能重新置位[5]。
3.3 SG3525的工作原理
SG3525内部设置有5.1V精密基准电源，还设有同步功能，为了对死区时间的调节，可变电阻加在第5引脚和第7引脚之间，以便有效的调节死区时间的大小，SG3525集成一个电路，该电路具有软启动功能，通过外接一个定时电容便可以对该电路进行有效的控制调节，图3-1为其外围电路接线图[6]。
图3-1 SG3525的外围电路接线图
当输入电压升高或负载发生变化时输出电压便会增加，而且误差放大器的输出会降低，从而使得PWM比较器的输出的正脉冲的宽度增加，PWM锁存器输出高电平的时间增加，输出晶体管的导通时间会变短，最终使得输出电压降为额定值，完成了稳定电压的状态变化过程，反之亦然。电压过小时具有欠电压锁定功能，如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电[7]。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲信号中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM脉宽调制锁存器才被复位[8]。
3.4 工作频率及功率开关管的选取
由于开关电源对开关二极管的开关速度及频率要求是非常的高，一般在快速恢复二极管和肖特基二极管中进行选择，选取两者中的最优者最为开关管。由于肖特基二极管的正向导通压降比较小，恢复时间较短等优点，因此选择肖特基二极管。
4.系统电路设计
4.1 整流电路
整流电路是将50Hz单相交流220V的交流市电电压经过变压器降压之后，变成24V/2A的交流电压，通常采用电容性负载以及二极管IN4007作为整流电路，其电路图如图4-1所示。
图4-1 整流电路
4.2 开关稳压转换电路
开关稳压转换电路主要包括SG3525 PWM波形控制电路和升压斩波电路，以及还有周围的辅助电路，例如过流过压保护电路，反馈稳压电路等[9]。
4.3 SG3525 PWM波形调制电路
在图4-2所示的PWM波形控制电路中，集成控制器SG3525的振荡频率由7脚的电阻，振荡器频率由外接电阻、和电容决定，频率等于1除以RT乘以0.7加上RD乘以0.3在乘以CT的乘积，其振荡频率的计算公式为：
（4-1）
SG3525管脚1与9相连接相当于给该芯片构成了一个可反馈补偿的网络，2脚接基准电源和开关稳压输出端，将得到的取样电压值作为其设定的初始电压值，8脚可接一个无极性小于1uF的电容，其电容是用来在软启动时减少功率开关管的冲击力而设置，管脚11和14采用的是并联单端输出的方式连接，其外部加一个驱动电路，增强了其电源输出电压的可靠性与稳定性[10]。
4.4 过压过流保护电路（见图4.3）
SG3525有关断保护功能，可用于过流保护，采样电阻（0.1Ω），若电流过大，开关管将会处于关断状态，使输出电压降低，形成保护功能，一旦检测电压降低，就会重新产生PWM波形，此电路具有自恢复功能，过流保护动作电流为5.5A，其电路图如图4-3所示[11]。
4.5 欠压锁定功能
SG3525控制器内设有电压过小时可以将其自动锁定的电路，当输入电压小于时芯片内部将会自动锁定，停止芯片内部的一切工作，使消耗电流降至小于2mA。
4.6 光电隔离器
电路中使用光电耦合器的作用是对主电路和控 制电路进行隔离，开关 电源电路中，开关的控制是至关重要的，对精度的要求以及对稳定性要求非常高，且控制电路对噪声特别的敏感，一旦有噪声，控制电路中的控制信号就会产生紊乱现象，严重影响电源的工作和其性能，因此，用光电耦合器将电源中的两部分进行隔离，这样便防止了噪声通过传导的途径传入到控制电路中[12]。
5.变压器的绕制
5.1 磁芯材料与线径的选择
绕制变压器时考虑到我们对电源输出功率的要求比较高，功率大约为150W左右，因此，我们对集中线径材料的性能进行了比较，我们选择了饱和磁感应强度BS相对较高，温度稳定性较好的漆包线，加工方便的且性价比较低的锌锰铁氧体材料PQ32/30磁芯来绕制本设计中的脉冲变压器。本设计采用的是频率为44KHz，查表可得知在此频率下的穿透深度为0.3312mm，直径应为此深度的2倍，即为0.6624mm，因此我们选择的AWG规格应为21#，直径为0.0785CM（此数 据是含漆 皮时的直径）[14]。
5.2 初次级匝数比的确定
脉冲控制芯片SG3525的最大脉宽可为0.48，近似为0.5计算。工作频率应设定为44KHz，当输入的交流电压为24V时，输出最大直流电压为，则电源效率取80%，最终确定本设计中SG3525的工作周期T为：
（5-1）
最大导通时间为：
（5-2）
变压器次级输出电压（）为：
（5-3）
公式中为肖特基二极管的正向压降，取值0.6V，为滤波电感的压降取值为0.4。设变压器初级最低直流电压为，=36V， 则：
（5-4）
变压器匝数比为：
（5-5）
输入功率为：
（5-6）
根据资料32/30磁芯的有效截面积，磁通密度取0.2，则变压器次级匝数为：
（5-7）
变压器初级匝数为：
（5-8）
取匝。
6.系统调试
硬件调试：由于本设计的闭环控制主要由PWM脉宽调制芯片SG3525自动将其控制，根据理论值进行元器件的选择，由于精度的要求比较高且受到电路内部干扰的影响，往往多次修改和调整基础电压方能得到好的反馈电压，使输出达到我们所需要的理想值。
7.实验测试
（1）输出电压范围测试
经过测试，输出直流电压随输入电压的升高而逐渐升高，当输出电压达到36V时，将不再随输入电压的升高而升高，测试值如表7输出电压测试表所示。
（2）效率测试
输入电压，输入电流，输出电压，输出电流，则电源效率为
（7-1）
8.结论
本电路经过测试，其在一定的负载范围内的输出可稳定为36V。本电源设计简单，调试方便，所需元器件较少，体积小，成本低，负载在全范围内变化时，本电源均能保持良好的输出性能，实验数据表明指标满足设计要求。
参考文献
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作者简介：高振东（1974—），男，甘肃西峰人，学士，陇东学院讲师，主要研究方向：计算机硬件及维护。