基于SG3525A的半橋式開關電源*

張 波，焦小芝

（蘇州市職業大學電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104）

1 引言

電源的優劣直接影響到各類電子設備的性能，因此設計出性能優良的電源意義重大。隨著科技的不斷進步，現代社會對電源的要求越來越高，規格品種也越來越多。開關電源具有效率高、重量輕、體積小和穩壓范圍寬等突出優點，從20世紀中期問世以來，發展極為迅猛，在計算機、通信、航天、辦公和家用電器等方面得到了廣泛的應用，大部分場合已取代了傳統的線性開關電源，并在不斷發展之中，其市場廣闊。本文基于SG3525A設計了一款+15V、20A的半橋型直流開關穩壓電源。

2 半橋型DC/DC變換器

開關電源都包括主電路和控制電路，主電路主要就是DC/DC變換電路。DC/DC變換器分為輸入與輸出非隔離型和輸入與輸出隔離型，非隔離型如Boost電路和Buck電路，隔離型包括單端正激式、單端反激式、推挽型、半橋型和全橋型。半橋型和其他拓撲結構相比有很多優點：輸入輸出之間有高頻變壓器隔離，高頻變壓器利用率高，抗不平衡能力強，較好地解決了直流變壓器偏磁問題，功率相對較大，功率開關管在關斷時承受的電壓較低等。

半橋型DC/DC變換器拓撲結構如圖1所示。從圖中可以看出它有兩只參數相同、容值較大的電容C1與C2構成分壓電路與開關管S1、S2構成的橋臂組成橋，橋的對角線連接著變壓器T1。R1與R2是均壓電阻，大小相等，且阻值較大，因此當兩開關管S1和S2都截止時圖1中A點電壓為直流輸入電源電壓的一半，即UA=Ui/2。

圖1 半橋型DC/DC變換器

工作時兩功率開關管交替導通。前半個周期，S2一直處于截止狀態，S1導通一段時間后關斷；后半個周期S1一直處于截止狀態，S2對稱地導通后關斷，故每個開關管導通的時間都小于半個周期。S1導通時電容C1通過經S1、變壓器T1原邊和電容Cb放電，同時電源電壓Ui經過S1、變壓器T1原邊、Cb對電容C2充電；當S1斷開、S2尚未導通時，中點A的電位又恢復到輸入電壓Ui的一半；開關管S2導通時情況和S1導通時類似，不同之處在于流過變壓器T1的電流是和S1導通時方向相反的。變壓器T1副邊、D5和D6構成全波整流電路，Lf和Cf起濾波作用，由于開關頻率很高，容值足夠大的電容Cf（相對來說，實際上容值較小的就能滿足要求）上可以得到穩定的直流電壓。改變一個周期內開關管S1和S2導通的時間就改變了負載從電源得電的時間，從而可能改變輸出電壓的大小，即改變占空比改變輸出電壓的大小。在實際電路中，若兩開關管S1和S2特性不一致，就會引起一開關管導通的時間比另一開關管長，假如S1導通的時間比較長，那么C1上的平均電壓就會比C2兩端的低，因此S1導通時加在變壓器原邊的幅值就會比S2導通時加在變壓器原邊的幅值小，故能使加到變壓器原邊的正負方波的V·s積維持相等，因此該拓撲結構有較強的抗不平衡能力。實際應用中在變壓器原邊串入一只足夠大的電容Cb，以進一步增加電路的抗不平衡能力。另外變壓器中磁通變化量是以零為中心正負變化的，而且變壓器原邊只用一個繞組，因此變壓器利用率高。

3 由SG3525A構成的控制電路

3.1 芯片的內部結構及工作原理

開關電源控制方式有三種：（1）由分立元件構成；（2）通過軟件編程由單片機系統來實現；（3）由專用的集成控制器來實現。其中專用集成控制器實現方式以其使用方便、無需編程、所需元件數量少等優點，是開關電源常用的一種控制方式。SG3525A就是其中常見的一種專用集成控制器。

美國硅通公司的SG3525A是性能優良、功能齊全、通用性強的集成PWM控制器，共有16個引腳，采用DIP-16和SOP-16封裝，工作電壓范圍寬（8V～35V），其內部結構如圖2。基準電壓部分對內部供電，對外作為基準參考電壓；振蕩器產生近似的鋸齒波，鋸齒波的頻率由和振蕩器相連接的外接電阻電容決定，范圍為100Hz～400kHz，同時對應于鋸齒波的下降沿產生一時鐘脈沖CP；在時鐘脈沖CP的作用下，分相器（T觸發器）的兩輸出端產生兩相位相反的方波信號，其頻率是鋸齒波頻率的一半；誤差放大器是差動輸入放大器，同相輸入端2接給定電壓，閉環控制時反向輸入端1接反饋電壓，端9和端1之間接入適當的反饋網絡構成調節器，可滿足系統動靜特性的要求；外加于端9的信號和誤差放大器的輸出疊加于比較器的一反向輸入端，比較器的同相輸入端加振蕩器產生鋸波信號，這樣比較器的輸出端產生PWM信號，改變外加于端9的信號或來自于端2的反饋信號或端1的給定信號均可改變PWM信號的占空比；內部PWM鎖存器可以使關閉更可靠；兩個輸出級結構是一樣的，門電路輸出上側為或非門，下側為或門，門電路的輸入A端、C端和D端所加的信號是一樣的，分別是欠壓鎖定輸出，時鐘脈沖CP和來自鎖存器的PWM信號，分相器的兩輸出端分別加到兩輸出級的門電路B端，由于分相器輸出兩相位相反的方波，所以芯片兩對外輸出端輸出的是兩波形一樣而相位相差180°的PWM信號，而且頻率是芯片內部比較器產生的PWM信號的一半。另外此芯片還帶有閉鎖控制、軟起動、欠壓鎖定等功能，輸出級采用推挽式電路結構，關斷速度快。

圖2 SG3525A內部結構框圖

3.2 控制驅動電路

由SG3525A構成的控制驅動電路如圖3所示。SG3525A的5腳和6腳上的電阻電容決定了其內部振蕩器的工作頻率，也就決定了其產生的PWM信號的頻率，從而決定了開關管工作頻率。本設計中開關管工作頻率為50kHz，16腳的5.1V基準電壓經電阻分壓后加在誤差放大器的同相輸入端，也就是2腳，誤差放大器的反向輸入端接電壓反饋信號，兩者經誤差放大器后形成一誤差放大信號，該誤差放大信號和芯片內振蕩器形成的頻率幅值固定的鋸齒波信號經芯片內部PWM比較器后生成PWM信號，該PWM信號再經過芯片內部的數字電路形成兩個互差180°的PWM信號，這兩個PWM信號的頻率為PWM比較器產生的PWM信號的一半，這兩個PWM信號經芯片內部的電路放大后分別從芯片的11 腳和14腳輸出。若輸出電壓變化，芯片1腳上得到的反饋電壓也會相應變化，芯片內部誤差放大器的輸出會相應變化，從而PWM比較器產生的PWM信號的占空比會相應變化，芯片的11 腳和14腳輸出PWM信號的占空比發生變化，所以只要采用恰當的反饋電路，就很容易使輸出電壓穩定。芯片15腳接電源正端，12腳接地，7腳接電阻構成振蕩器放電回路，8腳上接小電容起軟動功能，9腳是PWM比較器補償信號輸入端，該引腳和1腳之間接上接的電阻電容構成反饋網絡，可提高系統穩定性，10腳外接高電平芯片輸出將被禁止，這里用作過流保護。

圖3 SG3525A構成的控制驅動電路

圖3中驅動電路部分以美國IR公司的IR2110為核心。IR2110 采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V。高端懸浮自舉電源的成功設計，可以大大減少驅動電源的數目。光耦PC817起隔離作用，通常弱電驅動強電部分都含有隔離部分。反饋電路由TL431和線性光耦PC817構成，這里不再給出圖形介紹。

3.3 部分實驗數據

實驗結果表明，該半橋型開關電源功率達300W以上，電源輸出電壓為15V±5%，效率在80%以上，電壓調整率和負載調整率均小于5%，穩定工作時輸入電壓范圍為165V～242V，電源性能優良。

4 結束語

SG3525A電壓型PWM集成控制器，外接元器件少，性能穩定可靠，包括開關穩壓所需的全部控制電路，同時還具有外同步、軟啟動、死區調節、欠壓鎖定等很多功能，輸出兩路互差180°的PWM信號；半橋型和其他拓撲結構相比，變壓器初級在整個周期中都流過電流，且正負對稱，磁芯利用充分，且沒有偏磁的問題，所使用的功率開關管耐壓要求較低，對輸入濾波電容使用電壓要求也較低，因此半橋式變換器在中等功率開關電源中得到廣泛的應用，所以基于SG3525A的半橋型開關穩壓電源是一種較理想的設計。

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