基于SG3525的车载DCDC变换器设计.docx

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基于SG3525的车载DCDC变换器设计

基于SG3525的车载DC_DC变换器设计

摘要:

本文介绍一种基于脉宽调制器SG3525芯片的车载DC_DC变换器设计。

开关电源被誉为高效、节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向。

目前，开关电源以其高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等显著优点，获得广泛应用，而现在大多数的开关电源工作方式都是脉冲宽度调制（PWM）式。

随着电能变换技术的发展，功率MOSFET被广泛应用于开关变换器中。

为此，美国硅通用半导体公司（SiliconGeneral）推出了SG3525，以用于驱动N沟道功率MOSFET。

SG3525是电流控制型PWM控制器，可在其脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。

由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此开关电源无论是电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

本文介绍了由SG3525芯片为控制核心的500W、60V—12V推挽式DC-DC变换器设计。

关键词：

SG3525、DC_DC、推挽式开关变换器、高频变压器

Abstract:

Thisarticleintroduceavehicle-mountedDC-DCConverterplanthatbasedonpulsewidthmodulatorSG3525.Switchingpowersupplyisknownasefficientandenergyconservationpowersource,itrepresentsthedevelopmentdirectionofthevoltagestabilizer.Atthemoment,Monolithicintegratedcircuitswitchingpowersupplytherewithhighintegrationdensity,highCost-Effective,themostsimpleperipheralcircuitandoptimumperformanceindex,andotheradvantages,andso,ithasbeenwidelyused,ithasbeenthebestproductwhendesignamediumandsmallpowerswitchingpowersupply.Alongwiththedevelopmentoftheelectricpowertransformationtechnology,PowerMOSFEThasbeenwidelyusedatSwitchingConverter.Forthisreason,thesecondgenerationintegratedcircuitpulsewidthmodulatorSG3525,whichisdesignedbySiliconGeneral,canbeusedtodrivetheN-channelMOSpowertube.SG3525isaElectriccurrentcontrolPWMadjuster,anditcanusedirectlythroughtheoutputinductancecoilsignalandtheerrorampsignaltocompareinthepulsewidthofthecomparator,andthenadjustdutycycletomaketheoutputofinductivecurrentpeakfollowerrorvoltagechanges.Becausethestructurewithvoltageloopandcurrentloopdoubleloopsystem,Switchingpowersupplyvoltageadjustmentrate,adjustmentinloadrateandthetransientresponsecharacteristicshaveimproved,istherelativelyidealnewcontroller.Thisarticleintroducea500W,60V-12Vhighfrequencyswitchingpowersupply.

KeyWords:

SG3525DC-DCPush-pulltypeSwitchingConverterHigh-frequencytransformer

目录

前言3

.1主要元件介绍5

.1.1SG3525的介绍与说明5

.1.1.1引脚功能说明5

.1.1.2SG3535的工作原理6

.1.1.3SG3525的结构特性7

.1.2功率开关管8

.1.3输出整流管9

.1.4TL431型可调式精密并联稳压器10

.260V-12VDC_DC变换器设计方案12

.2.1自动稳压原理13

.3直流变换的电路设计13

.3.1推挽式变换器电路中RC阻容缓冲电路的设计15

.4高频变压器的设计与参数计算17

.4.1高频变压器磁心的选择18

.4.2高频变压器导线的选择20

.4.3高频变压器的设计步骤及参数计算20

.4.4磁饱和对开关电源的危害及避免方法23

.5输出整流滤波电路的设计24

.5.1LC储能滤波电路的参数计算25

.5.1.1储能滤波电感参数计算26

.5.1.2储能滤波电容参数计算26

.6反馈电路的设计27

结论28

致谢29

参考文献30

前言

汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。

在能源方面，目前世界汽车保有量约8亿辆，并以每年3000万辆的速度递增，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆，而主要增幅是来自发展中国家。

随着世界石油储备的进一步下降，全世界的石油即将在30年内用光，由此带来的新能源的发展问题不可避免。

全球金融危机引发实体经济滑坡，美、日、欧等地区的传统汽车业遭受重创，各国政府纷纷救市，重点支持新能源汽车发展。

目前，西方各国已在推进新能源汽车产业化方面达成共识，一场全球性的合作与竞争正在全面展开。

就整体而言，我国传统汽车的研发水平、自主创新能力，与世界水平相比仍有不小差距。

但在新能源汽车方面，我国并不落后，进入新世纪以来，以汽车动力电气化为主要特征的电动汽车技术突飞猛进。

油电混合动力技术进入产业化，锂动力电池技术取得重大突破，车用燃料电池技术不断进步。

我国目前每天有超过9亿度低谷电，可供5000万辆电动汽车充电。

我国锂资源、稀土资源和镁资源丰富，可以为电动汽车关键部件提供原材料资源保障。

我国电动自行车、电动摩托车等轻型电动车保有量已超过5000万辆，在世界上遥遥领先，这为新能源电动汽车产业化奠定了良好基础。

此外，我国政府也高度关注电动汽车的研发和产业化。

2005年国务院政府工作报告提出：

“要鼓励和发展清洁汽车”，《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出：

“要鼓励开发使用节能环保和新型燃料汽车。

”2006年2月，国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将“低能耗与新能源汽车”和“氢能及燃料电池技术”分别列入优先主题和前沿技术。

2007年6月公布的《中国应对气候变化国家方案》鼓励混合动力汽车、纯电动汽车的生产和消费。

国家发展与改革委员会通过发布一系列政策，强调开展电动汽车的研究与推广。

近两年发布的《节能中长期专项规划》、《高技术产业发展“十一五”规划》、《能源发展“十一五”规划》，均强调要大力发展电动汽车及零部件和配套基础设施。

电动汽车必将会成为未来的主力代步工具，电动汽车具有节能环保等诸多优点，世界范围内的电动汽车大发展势在必行。

“十五”期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑。

设立“电动汽车重大科技专项”，通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关。

为此，从2001年10月起，国家共计拨款8.8亿元作为这一重大科技专项的经费。

我国电动汽车重大科技专项实施10年来，经过200多家企业、高校和科研院所的2000多名技术骨干的努力，目前已取得重要进展：

燃料电池汽车已经成功开发出性能样车，燃料电池轿车累计运行4000km，燃料电池客车累计运行8000km；混合动力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过14万km；纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家有关认证试验。

国家发政委“新能源汽车公告管理办法和实施细则”已于2007年11月1日施行。

“城镇乡村农用（专用）电动汽车通用技术条件”也在酝酿过程中，纯电动汽车商业化在农村已经初现雏形。

电动汽车的关键技术就是动力电池技术，电池的好坏直接决定了电动汽车的续行里程和成本。

目前，电池技术也是制约电动汽车发展的关键技术问题。

本文主要介绍了一种能将电动汽车车载60V蓄电池降压到12V的开关电源设计，以用于为车载附件提供电力，如前车灯、雨刷、风扇、收音机、安全气囊、电动车窗以及车内的各种仪表。

由于这些设备使用的都是标准电压12V，因此设计开关变换器将60V直流输入电压变换为12V直流输出电压。

由于推挽式变换器结构简单、变压器磁芯利用率高，适用范围广，尤其在低压高电流的中小功率场合中性能良好，因此本文采用以SG3525芯片为核心的推挽式高频变压器全波整流方案，设计60VDC输入—12VDC输出、额定功率500W的DC_DC变换器。

.1主要元件介绍

.1.1SG3525的介绍与说明

SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式即推挽式结构，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。

其性能特点如下：

（1）、工作电压范围宽：

8～35V。

（2）、内置5．1V±1．0％的基准电压源。

（3）、芯片内振荡器工作频率宽100Hz～400kHz。

（4）、具有振荡器外部同步功能。

（5）、死区时间可调。

为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉式工作电路，使开关速度更陕，末级输出或吸入电流最大值可达400mA。

（6）、内设欠压锁定电路。

当输入电压小于8V时芯片内部锁定，停止工作（基准源及必要电路除外），使消耗电流降至小于2mA。

（7）、有软启动电路。

比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8，可外接软启动电容。

该电容器内部的基准电压Uref由恒流源供电，达到2．5V的时间为t=（2．5V／50μA）C，占空比由小到大（50％）变化。

（8）、内置PWM（脉宽调制）。

锁存器将比较器送来的所有的跳动和振荡信号消除。

只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。

.1.1.1引脚功能说明

1、Inv.input（引脚1）：

误差放大器反向输入端。

在闭环系统中，该引脚接反馈信号。

在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。

2、Noninv.input（引脚2）：

误差放大器同向输入端。

在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。

根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。

3、Sync（引脚3）：

振荡器外接同步信号输入端。

该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

4、OSC.Output（引脚4）：

振荡器输出端。

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）：

振荡器放电端。

该端与引脚5之间外接一只放电电阻构成放电回路。

8、Soft-Start（引脚8）：

软启动电容接入端。

该端通常接一只5μf的软启动电容。

9、Compensation（引脚9）：

PWM比较器补偿信号输入端。

在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。

10、Shutdown（引脚10）：

外部关断信号输入端。

该端接高电平时控制器输出被禁止。

该端可与保护电路相连，以实现故障保护。

11、OutputA（引脚11）：

输出端A。

引脚11和引脚14是两路互补输出端。

12、Ground（引脚12）：

信号地。

13、Vc（引脚13）：

输出级偏置电压接入端。

14、OutputB（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）：

偏置电源接入端。

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。

直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。

振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。

振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定

振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。

或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。

双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT1及VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证VT1及VT2不同时导通。

最后，VTl及VT2分别输出相位相差为180°的PWM波。

.1.1.2SG3535的工作原理

SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。

SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。

在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。

由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。

SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5μf的软启动电容。

上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。

此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。

只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。

由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。

当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。

反之亦然。

外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。

当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。

如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。

注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。

欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。

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。

此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。

.1.1.3SG3525的结构特性

SG3525脉宽调制控制器，不仅具有可调整的死区时间控制功能，而且还具有可编式软起动，脉冲控制封锁保护等功能。

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PWM的频率，调节第9脚COMP的电压可以改变输出脉宽，这些功能可以改善开关电源的动态性能和简化控制电路的设计。

SG3525内部结构由基准电压、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、软起动电路和输出电路构成。

欠压锁定功能。

基准电压调整器的输入电压为15脚的输入电压VC，当VC低于8V时，基准电压调整器的输出精度值就得不到保证，由于设置了欠压锁定电路，当出现欠压时，欠压锁定器输出一个高电平信号，再经过或非门输出转化为一个低电平信号输出到两个晶体管的基极，两个晶体管关断，SG3525的13脚输出为VC，11脚和14脚无脉冲输出，功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失，变换器无电压输出，从而实现欠压锁定保护的目的。

系统故障关闭功能。

集成控制器SG3525内部的一个晶体管基极经一个电阻连接10引脚。

当系统过流时，过流保护保护电路将输送给10脚一个高电平，由于该晶体管基极与两个或非门相连，故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。

在电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端，当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。

软启动功能。

软起动功能的实现主要由SG3525内部与8管脚连接的晶体管、外接电容及锁存器来实现的。

当出现欠压或者有过流故障时，欠压锁定器的高电平传到该晶体管基极，晶体管导通为8引脚的外接电容提供放电的途径，外接电容经晶体管放电到零电压后，限制了比较器的PWM脉冲电压输出，使PWM比较器输出为高电平，PWM高电平经PWM锁存器输出至或非门仍为恒定的逻辑高电平，11引脚和14引脚晶体管关断，封锁输出。

当故障消除后，欠压锁定器输出恢复为低电平正常值，8引脚晶体管截止，外接电容由50μA电流源缓慢充电，外接电容充电对PWM比较器和PWM锁存器的输出产生影响，同时对两个或非门的输出脉冲产生影响，其结果是使输出脉冲由窄缓慢变宽，只有外接电容充电结束后，脉冲宽度不受该电容充电的影响。

这种软起动方式，可使系统主回路电机及功率场效应管承受过大的冲击浪涌电流。

.1.2功率开关管

使用脉宽调制（PWM）器构成开关电源时，必须选择功率开关管。

开关电源中使用的功率开关管主要有两种类型：

一种为双极型功率开关管，它属于双极型晶体管（BJT）；第二种为金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

此外还有绝缘栅-双极型晶体管（IGBT），主要应用于交流变频器、逆变器等电气设备及电磁炉中。

选择开关电源的功率开关管时，还需要注意其导通压降（或通态电阻）和开关速度。

功率开关管的导通压降和开关速度与额定电压有关，额定电压越高，导通压降越大，开关速度越慢。

因此，在满足额定电压为实际工作电压1.2—1.5倍的条件下，应尽量选择低压功率开关管。

双极型功率开关管（BJT）是具有开关特性和功率输出能力的双极、结型晶体管。

因有两种载流子（电子与空穴）流过晶体管，故称之为双极型，这与仅有一种载流子的场效应管不同。

双极型功率管属于电流驱动型器件，常用的耐压值在1KV以下，工作电流从几安培到几百安培。

其优点是价格便宜；缺点是电流放大系数低，驱动电流较大，开关频率低（几十千赫以下），适合中、小功率的开关电源。

MOS管属于绝缘栅型场效应管。

其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。

它分N沟道管和P沟道管两种类型。

根据导电方式的不同，MOS又分增强型、耗尽型两种。

增强型是指当UGS=0时管子呈截止状态，加上正确的UGS（对N沟道管要求UGS>0；对P沟道管则要求UGS<0）时，多数载流子就被吸引到栅极，从而增强了该区域的载流子，形成导电沟道。

耗尽型则是指当UGS=0时即形成沟道，加上正确的UGS（对N沟道管要求UGS<0）时，能使多数载流子流出沟道，因而耗尽了载流子，使管子转向截止。

MOS功率开关管与双极型功率开关管相比较，主要有以下优点：

开通时间短（几至几十纳秒）适用于开关频率为100KHz—1MHz的PWM控制器；它采用电压驱动，不需要静态驱动电流；可靠性高，无二次击穿现象；通态电阻小，损耗低。

MOS功率开关管一般采用N沟道管，因为在同样情况下N沟道管的通态电阻要比P沟道管小，且开关速度比N沟道快。

MOS功率开关管的工作电流从几安培到几百安培，输出功率从几十瓦到几千瓦，开关频率可达几百千赫至1MHz以上。

目前在中、小功率开关电源中大都采用MOS管作为功率开关管。

因此，在本文设计的开关电源推挽式变换器中选用MOS功率开关管。

MOS功率开关管的直流参数主要有漏极电流ID、漏-源击穿电压U（BR）DS、漏-源通态电阻RDS（ON）、漏极功耗PD。

交流参数有开启时间td（ON）、关断时间td（OFF）、输入电容CI、输出电容CO等。

开关电源中MOS管的损耗主要有两种：

导通损耗、开关损耗。

导通损耗是在MOS管完全导通时漏-源通态电阻

ＲON上的损耗。

开关损耗是MOS管在交替导通与截止时的功率损耗。

此外还有栅极损耗，即由于MOS管栅极电容充、放电而产生的损耗，但它出现在栅极电阻或驱动电路上。

由美国国际整流公司（IR）生产的5种MOS功率开关管的主要技术指标见附录表1所示。

根据本文开关电源的设计要求，额定功率500W、直流电压12V，由P=UI，可得到，I=41.7A，所以MOS管的漏极电流ID应大于41.7A，故选用IRFP260型号的MOS功率开关管。

.1.3输出整流管

开关电源的输出整流管一般采用快恢复二极管（FRD）、超快恢复二极管（SRD）或肖特基二极管（SBD）。

衡量高频整流及续流器件性能的重要技术指标就是反向恢复时间trr，反向恢复时间的定义是：

电流通过零点由正向转向反向，再由反向转换到规定低值的时间间隔。

反向恢复电流的波形图如图1所示。

图1反向恢复电流的波形

图中If为正向电流，Irm为最大反向恢复电流，Irr为反向恢复电流，通常规定Irr=0.1Irm。

当t小于或等于t0时，正向电流I=If。

当t大于t0时，由于整流管上的正向电压突然变成反向电压，因此正向电流迅速减小，在t=t1时刻，I=0。

然后整流管上流过反向电流Ir，并且Ir逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向恢复电流Irm值。

此后受正向电压的作用，反向电流逐渐减小，并且在t=t3时刻达到规定值Irr。

从t2到t3的反相恢复过程与电容器放电过程类似。

由t1到t3的时间间隔即为反向恢复时间trr。

肖特基二极管是以金、银、钼等贵金属为阳极，以N型半导体材料为阴极，利用两者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。

仅用一种载流子输送电荷，在势垒外侧无过剩少数载流子的积累，因此不存在电荷储存效应。

其反相恢复时间可缩短到10ns以内。

反相耐压一般不超过100V，适宜在低电压、大电流下工作。

利用其低压降的特性能够显著提高低压大电流整流电路的效率。

肖特基二极管、快恢复二极管和普通高频硅整流管的典型伏安特性分别如下图中曲线a、b、c所示。

由图可见，肖特基二极管的正向导通压降Uf最低，快恢复二极管较高，高频硅整流管最高。

普通高频硅