基于SG3525的降压斩波电路设计.docx

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基于SG3525的降压斩波电路设计

摘要

开关电源就是利用现代电力电子技术，控制开关管开通与关断的时间比率，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以及MOSFET构成。

随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术也在不断地更新。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

本次设计的开关电源为最基本的DC-DC斩波电路，运用SG3525为控制芯片，Buck电路为主电路，输入30V-36V直流电压，输出10伏直流电压，输出电流为0.5安培。

此类开关电源简易，方便，廉价。

在路灯系统，地铁灯，工矿灯等方面有较为广泛的应用。

关键词：

SG3525；DC-DC；降压斩波；开关电源。

Abstract

Theswitchingpowersupplyisakindofpowertousemodernelectronics,controlswitchandturnofftimeratiomaintainingastableoutputvoltageofthepowersupply.Generally,switchingpowersupplyismadeofthepulsewidthmodulation（PWM）controlICandMOSFET.Withthedevelopmentofthepowerelectronicstechnologyandinnovation,theswitchingpowersupplytechnologyareconstantlyupdatemorequickly.Theswitchingpowersupply,inasmall,lightweightandhighefficiencycharacteristics,arewidelyusedinalmostallelectronicdevices,whichisanindispensablepowermodeintherapiddevelopmentofelectronicinformationindustry,.

ThedesignoftheswitchingpowersupplyisakindofthebasicDC-DCconvertercircuit,whichusingSG3525asthecontrolchip.ThemaincircuitisBuckcircuit,withinput30V-36VDCvoltage,output10VDCandoutputcurrentis0.5amps.Suchswitchingpowersupplyissimple,convenientandinexpensive,whichwidelyusedinstreetlightingsystem,subwaylights,mininglampsandsoon.

Keywords:

SG3525;DC-DC;buckchopper;SwitchingPowerSupply.

1绪论

1.1前言

现代电力电子技术在当今社会的飞速发展，确定了电力电子相关设备在人们的日常工作、生活中的地位，然而可靠的供电电源也是电子设备所需的，20世纪80年代，计算机电源基本实现了电源化，计算机的电源更新换代基本完成，20世纪90年代，开关电源开始进入电子、电器等各类设备领域，如通讯、交换机等关键设备电源以及控制设备电源等，电源在各领域的广泛应用，也促进了开关电源技术的飞速发展。

与线性电源相比之下，随着输出功率的增大，二者的成本都会相应的提高，只是两者的增加速率不同。

在某一输出功率点上，一般情况下线性电源的成本反而要高于前者。

电力电子技术的发展现状也不断促进了电源技术地不断更新换代，这一技术的着重点也开始慢慢向低输出电力端移动，开关电源也因此有了广泛的发展空间。

开关电源现在的主要发展方向高频化方向，开关电源小型化也随之发展起来，并且让开关电源有了更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域上的应用，极大的带动了高新技术产业的轻便化与小型化的发展。

此外开关电源在安防，能源、保护环境等方面也有极大的应用价值。

开关电源作为一高新技术，其产品在工业液晶显示器，自动化控制、科研设备、军工设备、电力设备、LED照明、视听产品，工控设备、通讯设备、LED灯具，仪器仪表、LED灯袋，医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，通讯设备，安防监控，电脑机箱，数码产品等仪器类等领域有广泛应用。

1.2工作原理

开关电源的工作原理也容易理解，线性电源其实就是让开关管子工作在线性模式状态下，有所不同的是，PWM开关电源[1]就是让开关管子交替工作在导通与关断这两种状态下，在这两种情况下，加在开关管子上的功率（伏-安乘积）是很小的，基本上不会对电路有什么影响，功率半导体器件上所产生的损耗其实也就是功率器件上的伏安乘积。

两者相比较，开关电源最主要的工作过程就是通过“斩波”，那什么叫斩波，那就是把输入直流电压分成与输入电压等幅值的一系列脉冲电压来实现这一功能。

开关电源的主控制器据可依用来调节脉冲的占空比。

当输入直流电压被斩成交流方波的时候，我们就可以通过变压器来升高或降低输出电压。

输出的电压值就通过增加变压器二次绕组数来提高。

最后输出方波电压经过各类滤波电路来达到输出直流电压。

。

保持稳定的输出电压就是控制芯片的主要用途，它的工作过程与一般线性主控器比较相似。

换句话说控制芯片的电压参考以及功能模块与误差放大器，都能够设计成线性调节器。

它们的不同之处在于，在误差放大器的输出信号在驱动功率开关管子之前都需要经过一个脉宽转换电路来转换信号。

正激式变换和升压式变换是一般开关电源最主要的两种工作方式：

。

尽管它们各部分的电路布置差别不是很大，但是他们的工作过程却相差很大，在特定的应用场合下也各有其优缺点。

除此之外，还有一些其他的电路形式，比如：

反激式，全桥式，半桥式，推挽式。

这些电路形式的工作原理大都是相同或相近的。

降压斩波电路是直直变换器中一种最基本的变换电路，当开关器件导通的时候，电源会给电路负载供电，同时给电容充电，当开关器件被关断的时候，电感与续流二极管构成续流回路，，负载的供电有充电电容来持续供电，在开关器件重复通断过程中，配合电容来持续给电路负载供电，电容上的存储电能越多，输出电压就越高，月接近电源，也就是说，开关器件控制脉冲的占空比越大，负载端电压就越大，月是会接近电源电压，但是最终不会达到电源电压，因为电路都会有一些损耗，不会达到百分之百的转换率。

前级电压在电路后级通过电感电容形成滤波电路，最后输出屁话的直流电压。

与降压斩波电路相对的就是升压斩波电路，也是最常用的一种电路拓扑结构。

电路中电源一直都是给复制供电的，所以负载上的输出电压只可能大于电源电压，故事升压线路。

当开关器件导通时，电源给负载持续供电，同时也给电容及电感充电。

当开关器件被关断时，电源依旧持续给负载供电，与此同时，充电电容与电感也会给负载，所以电容与电感存储的电能越多，输出电压就越大，换句话说，就是开关器件的控制脉冲占空比越大，输出电压就越大。

传统的斩波电路除了升压与降压以外，还有组合形式的升-降压斩波电路，以及sepic电路、cuk电路、正激电路、反激电路。

这些电路都是利用一些储能元件来储存能量来达到改变输出的效果，最常用的储能元件有：

电感、电容、高频变压器，不同的元件效果都不同。

1.3发展方向及前景

开关电源的高频化是其一重要的发展方向，伴随着开关电源小型化的发展，开关电源也进入了更为广泛的应用领域中大显身手，特别是在高新技术领域范围内的应用，更是推动了开关电源的飞速前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。

最常用的开关电源分为AC转DC和DC转DC两类别，其中DC-DC变换器现已经实现了高度模块化，其也已近有了成熟以及标准的设计技术与生产工艺，并得到了广大用户的认可，相比之下AC-DC模块，因其自身特性使得在模块化的进程中，较为复杂的技术和工艺制造问题也是不断涌现。

另外，开关电源的发展与应用在节约能源与资源及保护环境方面都具有重要的意义。

二极管、MOSFET和IGBT、变压器为最常用的电力电子器件。

还需提到的是SCR，在开关电源输入整流电路与软启动电路中，SCR有少量应用，传统GTR驱动比较困难，开关频率也较低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。

由于开关电源小、轻、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商在同步开发新型高智能化的元器件方面都十分下功夫，特别是在减小二次整流器件损耗这方面下很大功夫，尤其是在功率铁氧体材料上加大了技术革新，以提高其在高频率下的磁性能，同时在较大磁通密度下获得良好的磁性能，另外小型电容器的发展也得到了重点发展。

开关电源所取得的成就在很大程度上得益于SMT技术的应用。

使用电路板的两面，为保证其轻、小、薄。

开关电源高频化就必然对传统PWM开关技术进行创新，实现各类器件的软开关技术已变成开关电源的主流技术，开关电源的工作效率也大幅度提高。

对于提高性能指标，美国的开关电源生产商一般都会通过降低电流，降低结温等一系列措施以减少器件的应力，使产品的可靠性有了大大的提高。

开关电源如今发展方向为高度模块化，模块化电源就是组成分布式电源系统的主要部分，可设成N+1冗余电源系统，形成并联方式的容量扩展。

开关电源运行的时候噪声会很大，若一味的追求高频化，噪声也会增大，如果采用部分谐振转换电路技术的话，理论上不但能实现高频化同时也能降低一定的噪声，但是这一计划素技术实际应用还存在技术问题，一领域还有待发展，以使得该项技术得以实用化。

各类电力电子器件的不断创新，促进了开关电源的发展。

我国开关电源产业的发展要想突飞猛进，必须技术革新，走中国特色的发展之路。

1.4设计任务与基本参数

1.4.1任务

（1）.明白降压斩波电路在各领域的应用情况，熟悉常规斩波电源的电力电子主电路拓扑结构和工作原理；

（2）．完成10V降压斩波电路的方案论证，设计10V降压斩波电路的主电路、保护电路以及控制电路，给出各部分电路的详细设计过程和电路参数；

（3）.掌握SG3525的工作原理和使用方法，利用SG3525设计电源控制电路，并给出控制电路原理图和电路参数；

（4）.完成10V开关电源实验，斩波电源输出满足一定的技术指标要求；

（5）.完整的电子版论文，论文要求符合邵阳学院本科毕业设计要求。

1.4.2设计基本参数

（1）.输入直流电压：

24V。

（2）.开关频率：

40KHz。

（3）.输出电压：

10V。

（4）.输出电流：

0.5A。

（5）.输出功率5W。

（6）.输出纹波小于4%。

扩展部分设计数据如下：

（7）.增加过流保护，动作电流设为0.75A。

（8）.具有负载过压保护，动作电压设为15V。

1.5设计进度安排

利用三周时间查阅与设计相关的各类资料，阅读各类文献，熟悉设计的设计要求。

利用一周时间熟悉开关电源的工作原理。

利用一周时间熟悉MOSFET和MOSFET驱动器的工作原理。

利用三周时间来完成主电路、驱动电路以及保护电路的设计与参数计算和检测。

利用三周时间撰写和整理毕业设计（论文）。

利用一周时间准备、进行答辩。

2系统方案论证

2.1系统方案论证

由本次降压斩波电路的主电路、控制电路、保护电路、反馈电路设计出降压斩波电路的系统总体框图如图2.1所示。

图2.1系统总体框图

2.2各模块方案论证

2.2.1控制电路方案论证

方案一：

利用单片机[2]中央处理器来控制

单片机是一种处理器，就是采用大规模集成电路把能够处理数据的中央处理器CPU、ROM、I/O口、RAM和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上组成一个小巧但十分完善的小型计算机系统，这种微型计算机被广泛应用于工业控制领域。

从20世纪80年代开始，单片机就从4位、8位单片机，一直发展到如今的高达300M的单片机。

传统的单片机是最基本的控制芯片，可以解决我们一般的控制问题，比如：

键盘、显示、点阵显示器的设计，继电器实验，步进电机的控制。

基本时钟的控制等等都可以用它来实现。

采用单片机控制都具有经济实惠，成本低，控制比较直接简单等优点。

但是相对的有利就有弊。

用单片机制作的主控板一般都会受到布局结构、制版工艺、器件质量等因素影响导致系统抗干扰能力较差，不易扩展，故障率高，开发周期长。

采用单片机制作的主电路控制板一般要经过长时间的实践使用才能形成一个真正的产品。

方案二：

利用DSP[3]控制芯片来控制

一般而言，数字信号处理系统就是利用数值计算对signal进行加工的理论和技术，也就是digitalsignalprocessing，也叫DSP。

而且DSP也是digitalsignalprocessor的缩写，即DSP，它就是一种吧专用计算机集成的芯片，也就一枚硬币的大小。

某些时候，数字信号处理也是一门应用技术，叫DSP应用技术。

数字信号控制器具有低功耗，低成本，高性能的处理能力。

外部通信接口十分强大，能够十分方便的构成大的控制系统等。

在一个指令周期内处理器可单独完成一次乘法与加法；程序与数据空间分开，可同时访问指令和数据；片内具有快速随机存储器，在两块间同时访问一般是通过独立的数据总线来连接的；硬件能够支持低开销或无开销循环；快速的中断处理能力和硬件I/O支持；单周期内能够操作多个硬件地址产生器；多个操作可一同执行；允许流水线操作，这样可是的译码、取指、与执行等相关操作能够重叠执行。

但是DSP控制器的编程过程较为复杂，内部控制器比较多，相对的设置各存储器也比较繁琐，所以在这我没也过多的考虑。

方案三：

采用SG3525[4]控制芯片来控制

SG3525是电流型控制器件，能产生PWM波，电流型脉宽调制器就是以反馈电流为基准来调节信号占空比的。

在误差放大器的输入端直接用电感线圈侧的电流信号信号和误差放大器的基准信号相比，调节占空比让电感电流跟随误差电压一同变化。

因为在结构上有电流环和电压环双闭环，所以，无论开关电源电压调整率还是负载调整率以及瞬态响应特性都有提高，是目前较为理想的新型控制器件。

目前这一类的控制芯片也有很多，设计者可以根据自身设计的标准来选择相应的控制芯片。

同一类型的芯片还有SG3524，相比之下，前者的功能更加全面一点，比如在软启动方面，3525的软启动性能比3524的软启动性能要好，这就保证了芯片的工作状态能够更好。

SG3525内部原理图如图2.2所示。

图2.2SG3525内部原理图

从芯片的内部的原理图我们可以看出内部包含了误差放大器，稳压源，比较器，输出放大电路等基本的模拟电路。

SG3525引脚图如图2.3所示。

图2.3SG3525引脚图

所有的3525芯片都包含了这16个引脚，我们可以根据不同的外围电路来改变这些引脚的输出功能。

SG3525引脚功能介绍如下：

（1）.input-（引脚1）：

误差放大器反向输入端。

在闭环中，反馈信号输出到该引脚。

在开环系统中，该引脚与补偿信号引脚9相连，可以构成跟随器。

（2）.input+（引脚2）：

误差放大器同向输入端。

在闭环系统与开环系统中，引脚都接基准信号。

根据情况所需，在该引脚与补偿信号输入端之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分或积分等类型的调节器。

（3）.同步端（引脚3）：

振荡器同步信号输入端。

引脚接外部同步脉冲信号能够达到与外部电路同步的效果。

（4）.振荡输出（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）.放电端（引脚7）：

振荡器放电端口。

该引脚与5脚之间外接一只放电电阻，可以构成放电回路。

（8）.软启动（引脚8）：

软启动电容端。

该引脚通常接一2.2uF的软启动电容。

（9）.补偿端（引脚9）：

比较器补偿信号输入端口。

在该引脚与2脚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）.信号锁存端（引脚10）：

外部关断信号输入端口。

该引脚接高电平时，芯片输出会禁止。

该引脚可与保护电路相接，以实现故障保护。

（11）.输出A（引脚11）：

输出端口A。

该引脚与引脚14是两路互补信号输出端口。

（12）.GND（引脚12）：

信号地。

（13）.偏置电压端（引脚13）：

输出级偏置电压接入端。

（14）.输出B（引脚14）：

输出端口B。

该引脚与引脚11是两路互补信号输出端口。

（15）.Vcc（引脚15）：

电源输入端。

（16）.稳压电源端（引脚16）：

基准电源输出端口。

该引脚能够输出一温度稳定性极好的5.1V基准电压。

芯片特点如下：

（1）工作电压范围宽：

8—35V。

（2）5.1（11.0%）微调基准电源。

（3）振荡器振荡频率输出范围：

100Hz—400KHz。

（4）能够实现振荡器外部同步功能。

（5）死区时间可调。

（6）内置软启动电路。

（7）具有欠压锁定功能。

（8）具有信号琐存功能，禁止多脉冲输出。

（9）逐个脉冲关断。

（10）具有双路互补输出。

SG3525工作原理如下：

3525内部拥有5.1V的基准电压源，调整范围在1.0%以内，在误差允许范围内，不需要外接分压电阻进行分压。

3525的同步功能，能够工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号实现同步，该芯片的设计灵活性很大。

在5脚和7脚之间加入一个电阻就可调节死区时间。

SG3525内部集成了软启动电路，所以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2.2uF的软启动电容。

上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因而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，使其无法导通。

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才会开始工作。

由于实际中，基准电压通常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。

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会变长，因此输出晶体管导通时间将最终变短，从而使得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3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。

此外，3525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。

相比于3524，前者的软启动性能要更优越，同时，外围电路也十分简单，功能比较容易实现，占空比调节比较方便，频率可调。

价格比较合理，符合现今降低成本的理念。

综合以上，我选择方案三，利用SG3525来做控制芯片。

2.2.2主电路方案论证

方案一：

采用Cuk斩波[5]电路

Cuk电路即Cuk变换器。

美国加州理工学院提出的对升-降压电路的改进，也就是我们通常所说的单管非隔离直流变换器，这种电路的输入与输出端都有电感，可以显著的降低输入以及输出电流的脉动，减小输出信号波动性，电路输出电压的极性与输入电压的极性都是相反的，输出电压不但可以低于输入电压也可以高于输入电压。

这种变换器其实就是利用升压变换器与降压变换器一同串联形成的，电路合并了开关管。

Cuk斩波电路原理图如图2.4所示。

图2.4Cuk电路原理图

该电路为典型应用电路，在一般情况下，我们都以这种电路结构为主电路结构，参数设置不变。

组电路的拓扑结构的选择是很重要的，我们要根据实际情况来选择我们自己所需要的结构

开关管V的控制方式为PWM控制方式。

Cuk变换器有两种工作方式，分别是CCM和DCM，但这并不是指电感电流，而是指流过二极管的电流是否连续。

在一个开关周期内，同时在管子截止时间Ts内，若二极管电流总大于零，则为电流连续；若二极管电流在一段时间内慢慢降为零，则称之为电流断续工作模式；若二极管电流在t=Ts时刚好变为零，则称之为临界连续工作模式。

电路工作与哪一种种模式下就是根据线路的断续来决定的。

电路中的两个电感之间可以没有耦合，同时又可以拥有耦合，耦合电感可以进一步的降低电流脉动量。

输出电压与输入电压的关系式如式2.1所示。

（2.1）

这种斩波电路的输入电源电流和输出负载电流都是连续的，并且脉动也非常的小，有利于对输入、输出电压进行滤波。

这样输出的直流电压就十分平滑，不会出现过多的毛刺。

方案二：

Sepic斩波电路

SEPIC斩波电路就是一种输出电压能够大于，也可以小于或者等于输入电压的一种直-直变换电路。

属于斩波电路的一种。

输出电压由功率开关管的占空比即导通时间来控制。

Sepic电路最大好处就是输入直流信号与输出直流信号是同极性的。

特别适用于电池供电的各类场合，电池电压可以高于或者小于所需要的输入电压。

比如一块电池的电压为3V-4.2V，如果负载需要3.3V的电压，那么这种电路就可以实现这种转换。

实现也十分方便。

还有一个好处那就是输入直流信号与输出直流信号的隔离，这个是由主电路上的电容C1实现的。

同时电路还具有完全关断的功能，当管子关闭的时候，输出电压就为0V。

升-降压斩波电路的基本原理如下：

当开关管子处于导通状态的时候，电源经管子向L供电，电感开始贮存能量，此时电流为i1，方向如图所示。

与此同时，电容C开始放电维持输出电压基本稳定并向负载供电。

此后，控制管子关断，L中贮存的能量开始向负载释放，电流为i2。

该电路中，电源电流是连续的但是负载电流的输出形式却是脉冲波形，因为更这样有利于整个电路的输出滤波器的设计；输出电压都是正极性的，输入与输出的关系是相同的。

Sepic斩波电路原理图如图2.5所示。

图2.5Sepic斩波电路原理图

该斩波电路也是开关电源六种基本直流直流变换拓扑结构之一。

只是在实际使用过程中的使用度不是很高。

Sepic升降压斩波电路的基本工作原理如下：

当管子导通时，E—L1—V回路以及C1—V—L2两个回路同时导通，两个电感同时贮能。

当管子断开时，E—L1—C1—VD—C2和R回路以及L2—VD—R回路同时导通，这时候电源和电感既向负载供电，同时也向电容C1充电，电容贮存的能量在管子处于导通状态时向L2转移。

Sepic斩波电路输入电压与输出电压的关系如式2.2所示。

（2.2）

Sepic斩波电路中负载电流和流经电源的电流都工作在电流连续工作模式，这样的工作方式更有利于输入直流信号与输出直流信号的滤波，使的输出直流电压更加的平滑。

输出纹波电压值越小