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1、中文题目：基于AVR和SG3525的数控开关电源设计外文题目：NC SWITCHING POWER SUPPLY BASED ON AVR & SG3525毕业设计共60页图纸共2张完成日期 2012年6月 答辩日期 2012年6月摘要 电源是现代社会不可或缺的一部分，数控电源具有精确性，灵活性和可监控性等特点，研究和开发数控电源具有重要的现实意义。 论文首先分析了电源的各种拓扑，并进行了选择，确立了模拟开关电源半桥拓扑，而后对模拟开关电源的控制系统进行选择，选用SG3525进行PWM控制，对反馈算法分析，并进行仿真，完成包括采样，反馈方式，驱动，输出等部分参数分析，另一个重点是对变压器参数进
2、行了设计。 其次讨论了数控部分，设计了电路参数并编程。处理器选择AVR单片机，通过PWM与内置AD完成电压的调节与监视，采用液晶屏与按键实现人机交互功能。关键词：开关电源；SG3525；AVRAbstract Switching power supply is an important part of modern society, NC power supply have many characteristics such as accuracy, flexibility and visualization, the research of it has an important meani
3、ng. First, analyzising some kinds of topology, and choose half-bridge topology, then analysis the control system, using SG3525 as PWM controller, analysis the feedback system, and simulate it, including sampling, feedback mode, driver, output and so on. Another importance is the design of transforme
4、r. The NC part, using AVR as digital controller, build-in ADC and PWM are used for voltage adjust and monitor, LCD and buttons can realize the interaction.Key words: switching power supply; SG3525; AVR目录1 绪论11.1 研究背景11.2 开关电源技术现状11.3 数控电源发展中所面对的问题21.4 本论文的主要工作22 开关电源原理与主要结构32.1 开关电源概述32.2 主要拓扑32.3 本
5、章小结43 模拟开关电源部分设计53.1 主体结构分析53.2 工作过程分析63.3 具体电路结构分析与计算63.3.1 输入EMI滤波器简介73.3.2 输入整流滤波电路83.3.3 开关管的选择93.3.4 变压器设计113.3.5 输出整流滤波电路设计153.3.6 副电源设计163.3.7 MOS管驱动电路173.3.8 控制电路设计193.3.9 基准源223.3.10 过流保护功能设计223.3.11 反馈电路设计233.3.12 反馈环路分析与仿真243.4 硬件调试273.5 总结304 数控开关电源部分设计324.1 主体结构与工作过程分析324.2 整体方案设计334.3
6、单片机的选择334.4 各辅助模块分析与设计344.4.1 电源模块344.4.2 采样电路设计354.4.3 驱动电路设计364.4.4 人机交互系统364.4.5 单片机最小系统设计374.4.6 输出开关384.5 主电路Buck变换器设计384.5.1 开关管与续流二极管384.5.2 输出滤波电路设计384.6 核心控制算法404.6.1 PID控制404.6.2 数字PID控制器414.6.3 PID参数调试过程424.7 人机交互界面设计424.8 程序结构设计434.9 总结444.9.1 误差分析464.9.2 系统的不足之处与改进措施465 设计总结与展望47致谢48参考文
7、献49附录A 译文50附录B 原文54附录C 主要程序代码59附录D 半桥开关电源原理图68附录E 数控电源原理图691 绪论1.1 研究背景 开关电源是利用电能变换技术将市电等一次电能转换成适合各种用电对象的二次电能的系统或装置。随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子设备被广泛应用到各种不同的领域。电源对于各种电器设备就像心脏对于人体一样非常重要，没有电源则各种用电设备将无法运行。许多高新技术均与电源的转换、控制相关，现代电子技术能够精确控制和高效率的处理这些参数，特别是能够实现大功率电能的频率变换和稳压，为其他技术提供了发展的基础。电源变换新技术及其产业的进一步发展也为大幅度节能降
8、耗、节省材料以及为提高生产效率提供了重要手段，并给现代化生产和生活带来深远影响。 在电源技术中，开关电源处于核心地位。电源设备是任何电子设备不可缺少的一部分，以前，电源功能简单，如今，电源系统的功能要复杂很多，如可调输出电压，与上位机通信等等。1.2 开关电源技术现状 开关电源是采用功率半导体器件作为开关元件，通过控制开关元件的占空比来调整输出电压有效值的电源变换装置。它直接将工频电压经整流滤波为直流电压，再经主变换电路处理后经输出整流滤波，反馈电路对输出电压进行采样，并把所采样信号送到控制电路进行运算处理，以此调节输出占空比，通过滤波电路最终输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。
9、开关电源通常包括功率因数校正部分、整流滤波部分、DCDC转换部分、控制保护电路部分等。以往的电源变换器由于输入电流谐波含量高，功率因数低，功率开关管关断损耗大，电磁干扰严重等一系列问题阻碍了电源技术的向着高效、清洁、实用的方向发展。近年来，特别是20世纪80年代以来，随着相关技术的发展，使这些问题得到很好的解决。 随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源达到了频率高、效率商、功率密度高、功率因数高、可靠性高。因此，许多领域都越来越多的应用开关电源，并取得了显著效益。今天，开关电源最主要的市场在小功率领域，但在
10、中等功率以至较人功率领域，开关电源的优势已十分明显。对现代开关电源功率变换技术的发展趋势可概括为：高频化、高效率、模块化、绿色化。1.3 数控电源发展中所面对的问题 数字控制开关电源存在的问题，AD转换器的速度与精度反比，为了保证较高的转换精度，就需要高精度的取样，因此需要耗费更长的转换时间，在反馈回路中，转换时间过长必然会导致相位延迟，导致反应能力变差。 和模拟芯片用RC和运算放大器进行补偿的方式一样，在回路中引入比例积分的方法提高控制回路的实时反应能力，这种做法需要占用芯片大量的资源，而且数字系统采样是离散的，为了达到较高的精度，每次取样时间不能间隔太长，即取样频率不能太低。1.4 本论文
11、的主要工作 根据当今电源技术的与实际情况，本文将对如下几个问题展开讨论： 1） 确定开关电源整体方案，相关指标为输入电压，输出电压，输出电流，输出纹波等相应保护功能等。 2） 设计一个合适的DC/DC变换器，并计算出开关管，二极管，电容电感等重要元器件参数的设定方法。 3） 用仿真软件对重要电路部分进行仿真，并分析参数合理性。 本次设计所面向的是一种AD-DC变换器，模拟电源部分采用半桥拓扑，其设计指标为输入200VAC-250VAC，输出18VDC。最大输出电流10A。 数字电源部分采用Buck拓扑，设计指标为输入18V，输出0VDC-15VDC，最大输出电流8A，电压调节步进0.1V。 整
12、个论文主要有三个核心，一是选择合适的拓扑并对元器件进行选型，二是反馈控制的研究，三是单片机程序开发工作，完成良好的控制算法与人机交互功能。2 开关电源原理与主要结构 本章介绍开关电源的工作原理，对现有开关电源几种主要拓扑进行分析，比较，结合各自的特点，根据设计需要，选择合适的拓扑。然后，详细分析了开关电源的工作过程，为后续设计打基础。2.1 开关电源概述 开关电源采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。其中DC-DC变换器进行功率变换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动电路、电压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电
13、压比较，其误差电压通过误差放大器放大和控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间比，从而调整输出电压大小。 开关电源的核心是DC-DC变换器，工作原理是用半导体功率器件作为开关，不断的开启和关断，使输入的直流电压变成一定占空比的方波，经过LC滤波电路变成直流电压。当频率不变时，占空比越大，负载上的直流电压也越大。 目前，大多数DCDC变换器的开关管都在某一固定的频率下工作，这种保持开关频率恒定，通过改变开关管导通时间的长短来使负载变化时，输出电压恒定的方法，称为脉宽调制法(PWM)。在DC-DC变换器中，最常使用的元件是半导体功率开关管、电感和电容。在开关变换器中，半导体功率开关
14、管只有导通和关断两种工作状态；电感主要起平滑电流波形的作用；而电容则主要起平滑电压波形的作用。2.2 主要拓扑 开关电源有着多种拓扑结构，与线性调整器的区别如表2-1所示。按照开关电源的输入与输出是否隔离分为隔离和非隔离两大类。非隔离型分为降压式结构（Buck），升压式结构（Boost）结构等。隔离型包括正激，反激，半桥，全桥等。表2-1 线性调整器与开关调整器的区别Tab2-1 The differences between liner and switching regular类别优点缺点发展趋势线性调整器结构简单，EMI性能好，输出稳定性好。效率低，只能降压。使用方便，价格便宜，轻负载时
15、效率较高开关调整器高效率，体积小，重量轻。复杂，成本高，电磁干扰大。应用非常广泛非隔离类开关电源拓扑具有损耗低，效率高等优点，例如Buck实现降压，Boost实现升压，还能衍生出其它功能更丰富的拓扑结构。隔离类开关电源拓扑主要特点如表2-2所示。表2-2 几种常用电路拓扑比较Fig2-2 Some kinds of topology拓扑反激正激推挽半桥全桥功率几十瓦几百瓦几百至几十千瓦几百至几十千瓦可达几百千瓦开关管11224优点简单，可靠性高，成本低简单，可靠性高，成本低驱动简单，损耗小没有偏磁问题，成本较低功率大缺点功率小，效率低效率低偏磁问题驱动复杂结构复杂，可靠性低由该表可知，正激和反
16、激式电路的结构都比较简单，只需一个开关管，控制、驱动容易，但是它们的变压器不仅计算、设计复杂，而且利用率低，通常这两种拓扑仅用在功率小于150W的场合；推挽式拓扑是正激式拓扑的延伸，它的结构简单，驱动容易，仅需增加一个开关管就可以实现较大的功率传输，在早期应用比较广泛，但该拓扑存在磁偏问题，可靠性不高，需要采用额外的措施来保证它的可靠性；全桥拓扑所需开关管数量最多，因而成本在几种拓扑结构中是最高的，但全桥拓扑也有明显的优点，主要表现在开关管的耐压低，可靠性高，变压器设计简单，利用率高，理论上它能实现所有功率范围的传输，在实际应用中，该拓扑在500W-3000W的功率范围内应用广泛；半桥拓扑的高
17、频变压器设计简单，利用率高，传输的功率范围大，可达500W左右1。2.3 本章小结 在这一章中，主要介绍了开关电源的工作原理、几个主要拓扑结构以及比较重要的相关电路，通过对几个拓扑结构特点的比较，给了后续设计一个清晰的脉络及构架。3 模拟开关电源部分设计3.1 主体结构分析 由于开关电源的电路拓扑很多，如何选择电路拓扑是开关电源设计的一个难点。在开关电源的设计中，拓扑的类型与电源各个部分的布置有关，这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供多大的功率密切相关。这也是设计中性能和价格折衷的关键点。每种拓扑都有自己的优点和缺点，有的拓扑可能成本比较低，但输出的功率受到限制，而有的可以
18、输出足够的功率，但成本比较高。在一种应用场合下，可能有好几种拓扑都可以胜任，这时就必须全面考虑以选择出最合适的一种结构。选择最合适的拓扑需要考虑的主要因素有： 1) 电路要求传输的最大功率； 2) 输入输出是否需要变压器隔离； 3) 加在变压器初级或电感上的电压值是多大； 4) 加在开关管上的最大电压有多高； 5) 流过开关管的峰值电流有多大。 开关电源中的隔离一般都是通过变压器来实现的。在某些应用场合，由于系统的要求不是很高，输入和输出之间不需要隔离，但在大部分的场合都需要隔离。尤其是在输入直流电压较高的情况下，为了安全起见，都需要隔离。 半桥式开关电源主体结构如图3-1所示：图3-1 半桥
19、拓扑Fig3-1 Half-bridge topology 其中主开关为场效应管，属于电压驱动器件，所以驱动功率小，工作速度快，驱动电路简单等特点，隔直电容的作用是防止两个开关管的差异导致的偏磁或者磁芯饱和现象，变压器的原边匝数与副边匝数之比决定输出参数，输出采用全波整流，使用快恢复二极管，输出滤波电感和输出滤波电容决定输出电压稳定性。3.2 工作过程分析 假设所有器件均为理想元器件。变压器的初级一侧接在两个电容的中点，另一侧接在开关S1和S2的中点，S1与S2交替导通，生成幅值为二分之Ui的交流电压，通过改变开关的占空比，就可以改变次级整流后的电压的有效值，也就改变了输出电压。 S1导通时，
20、初级电流由上至下，次级二极管VD1导通，S2导通时，初级电流由下至上，VD2导通，当两个开关管都关断时，W2与W3中电流大小相等，方向相反，S1或者S2导通时，次级电感L中的电流上升，均关断时，电感电流下降，由于有隔直电容的作用，改电路不容易发生偏磁或者饱和问题。图3-2 半桥拓扑各点波形Fig3-2 Half-bridge topologys waveform 如图3-2所示，（a）（b）是开关管控制波形，（c）（d）为开关管电压波形（e）（f）为开关管电流波形，（g）（h）为次级二极管电流波形 半桥开关电源占空比定义如下： (3-1)3.3 具体电路结构分析与计算 本节将详细介绍各个模块的
21、功能，包括输入EMI电路设计，输入整流滤波电路设计，PWM控制电路设计，变压器设计，副电源设计，输出电路设计，反馈回路的研究与仿真以及过流保护功能等。3.3.1 输入EMI滤波器简介 随着电子技术的高速发展，电子设备种类日益增多，而任何电子设备都离不开稳定可靠的电源，开关电源工作在高频开关状态，本身就会对供电设备产生干扰，危害其正常工作；而外部干扰同样会影响其正常工作。开关电源干扰主要来源于工频电流的整流波形和开关操作波形。这些波形的电流泄漏到输入部位就成为传导噪声和辐射噪声，泄漏到输出部位就形成了纹波。考虑到电磁兼容性的有关要求，应采用EMI电源滤波器来抑制开关电源上的干扰。 开关电源的EM
22、I干扰主要体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等。功率开关管在不断快速开关状态，dV/dt和dI/dt都快速变换。高频变压器体现在漏感对应的dI/dt快速变换。整流二极管体现在反向恢复特性上，反向恢复的断续点会在各种杂散电感上产生较高的dV/dt。 开关电源输入端采用的EMI滤波器是一种双向滤波器，是由电容和电感构成的低通滤波器，既能抑制从交流电源线上引入的外部电磁干扰，还可以避免本身设备向外部发出噪声干扰。 EMI滤波器的电路结构包括共模扼流圈(共模电感)L，共模电容Cy和差模电容Cx。共模扼流圈是在一个磁环(闭磁路)的上下两个半环上，分别绕制相同匝数但绕向相反的线圈。两个线圈的磁通方向
23、一致，共模干扰出现时，总电感迅速增大产生很大的感抗，从而可以抑制共模干扰，而对差模干扰不起作用。为了更好地抑制共模噪声，共模扼流圈应选用磁导率高，高频性能好的磁芯。共模扼流圈的电感值与额定电流有关。差模电容Cx通常选用金属膜电容，取值范围一般在0.1-1uF。共模电容用于抑制高频率的共模干扰信号。图3-3 输入EMI滤波器Fig 3-3 EMI filter3.3.2 输入整流滤波电路图3-4 整流滤波电路Fig 3-4 Rectifier & output filter 1） 整流桥 整流桥的作用是将交流转换为直流，本方案采用全桥整流。 整流桥耐压： (3-2)其中250为输入电压上限。 整
24、流桥工作电流： 输入功率计算，已知最大输出功率为180W，效率取70%，则输入功率可以用如下公式计算： (3-3)则最大输入电流为： (3-4)其次考虑到开机冲击电流，选择KBU608作为整流桥，耐压值800V，最大电流6A2。图3-5 KBU608Fig3-5 KBU608 2） 滤波电容 输入电容决定于输出保持时间和直流输入纹波电压大小，通过的直流输入电流为： (3-5)其中E为输入电压最低时输出的整流电压。计算滤波电容的经验公式： (3-6)其中Th为直流电压下降到允许值前的时间一般取数十毫秒，delta U为允许下降的电压值。 实际采用两个400uF/250V的电解电容串联，每个电容上
25、再并联一个100K的电阻，电阻有两个作用： 电容器受到实际因素的影响，在容量，ESR等可能有细微的差别，在串联工作是可能导致充电电压不同。该电阻在电源工作时作为均压电阻，来平衡两个电容的电压。 在电源停止工作后，作为放电电阻释放掉残留的电荷，以免影响电容器寿命或者危害人身安全。3.3.3 开关管的选择 几种功率器件的优缺点如表3-1所示：表3-1 几种功率器件特性Tab3-1 Some kinds of power devices器件优点缺点三极管耐压高，电流大，开关特性好开关速度低，电流驱动，驱动电路复杂，存在二次击穿问题晶闸管适用于大功率场合开关速度低，驱动电路复杂场效应管开关速度快，稳定
26、性好，驱动简单，没有二次击穿问题电流小，耐压低绝缘栅双极型晶体管开关速度快，开关损耗小，驱动功率小开关速度低于场效应管，电压电流容量不及晶闸管适用于高频开关电源设计的功率器件有三极管，场效应管和绝缘栅双极型晶体管，考虑到实际成本与驱动复杂性，本次设计选用场效应管。 场效应管简称MOSFET，为压控电流型器件。需要确定的参数如下： 1） 额定电流 考虑到充足的裕量，选择MOSFET的电流，则。 2） 耐压值 在输入电压达到上限时，加在MOSFET两端的电压： (3-7)考虑到其它干扰等不稳定因素，选择为400V的开关管。所以选择IRF740。 IRF740属于Vishay的第三代Power MO
27、SFETs。最大电流=10A，通态电阻小于0.55，栅极耐压。适合于高强度电流的应用。图3-6 IRF740的封装与引脚图Fig3-6 Footprint of IRF740图3-7 半桥电路Fig3-7 Half-bridge circuit 如图3-7所示，本设计采用全N管组成的半桥电路，R5与R12为栅极电阻，在低频时，MOS管输入阻抗接近无穷，但在高频场合下，受到栅极电容的影响，输入波形将会发生震荡。加入电阻改变脉冲坡度，可以防止震荡减少漏极电压尖峰。避免额外的发热或损坏。 D4和R8，D11和R13为栅极提供保护，D4与D11为反向导通电压15V的稳压管，防止栅极电压过高产生击穿，为
28、了防止栅极开路或者栅极损坏时主电路加电损坏其它器件，需要在栅极与源极之间加入数十千欧的电阻。 因为采用全N驱动方式，上半桥可能发生不完全导通的情况。因此上半桥Q1必须采用升压电路或者变压器驱动。3.3.4 变压器设计 变压器的设计与工作频率关系很大，频率越高，体积就可以做的越小，输出滤波电路也会变小。但损耗增加，设计复杂，一般来讲，频率高于50KHz时，磁芯损耗增加严重，本设计中选择40KHz。 1） 磁芯的选择 磁芯的规格决定了变压器的效率与功率。本设计中选择EE40磁芯。主要参数如表3-2所示：表3-2 磁芯参数Tab3-2 Magnetic cores data磁芯截面积Ae窗口面积Ab
29、材料1.27cm1.73cmPC40最大输出功率计算如下：设最大导通时间为0.8T/2，变换器效率为0.8，窗口系数为0.4，为磁通密度，单位为G，单位为圆密耳每安培，f为频率，单位为Hz： (3-8)因此该磁芯满足输出功率要求。图3-8 EE40磁芯与骨架Fig3-8 EE40s shape 2） 初级匝数计算按照最低输入电压和满载输出的情况来计算。已知最小输入电压为200VAC，也就是整流滤波后280VDC。图3-9 磁性材料的BH曲线Fig3-9 Magnetic BH curve大部分磁芯材料的BH曲线在2000G以下是线性的，如果超过这个范围，会增加线圈损耗与晶体管导通损耗，为防止超
30、出范围，选择最大磁通密度为1400G。 由法拉第定律得： (3-9)整理得： (3-10)简化后得： (3-11)其中N为匝数，V为绕组两端电压，为最大导通时间单位为微秒，为磁通密度，单位为T，为磁芯有效面积，单位为mm。 本设计中，实际取50匝。 3） 初级线径选择 设效率为0.7，则最大输入功率： (3-12)设为初级电流脉冲等效为平顶脉冲后的峰值： (3-13) (3-14)初级电流有效值： (3-15)设每有效安培值需要400圆密耳，则总圆密耳数为2400=800圆密耳，也就是单根直径约为0.7mm的圆形导线或者截面积为0.4mm的导线。本设计中选用直径为0.5mm的单根铜线。 4）
31、次级匝数计算与线径选择 假设次级二极管正向压降为0.5V，则输出平均电压为 (3-16)其中Nm为次级匝数，Np为初级匝数，Ton为最大导通时间，Vdc为初级绕组电压，本设计中取6匝。 电源最大输出电流为10A，则次级所需圆密耳为50010=5000圆密耳，也就是单根直径约为1.6mm的圆形导线或者截面积为2mm的导线，本设计中采用三根直径0.5mm的铜线并联绕制。 为防止磁通不平衡现象的产生，在初级绕组上串联隔直电容。 在半桥电路中，若滤波电容节点处的电压不是电源电压精确的一半，则两个开关管导通时初级承受的电压不相同，磁通会沿着一个方向持续增加。饱和效应是由于初级存在直流分量，采用隔直电容可
32、避免这个直流分量的存在，电流流过时电容被充电，使初级脉冲电压有所下降。本设计中保证下降不到20V。则隔直电容可通过下面的公式求得： (3-17)实际取1uF，该电容需要耐压值较高，因此需选用耐压250V/1uF的无极性CBB电容。图3-10 初级电压波形Fig3-10 Primary voltage waveform图3-11 制作完成的变压器Fig3-11 The transformer3.3.5 输出整流滤波电路设计图3-12 输出整流滤波部分Fig3-12 Output rectifier and filter 整流电路采用超快恢复二极管，最高电压为： (3-18)本次设计中选取MUR1
33、620超快恢复整流二极管，正向电流8A，反向耐压200V，正向压降约为1V。本次设计中将每个器件中的二极管并联使用。总电流达到16A。图3-13 MUR1620引脚与封装图Fig3-13 Footprint of MUR1620 输出滤波电路采用LC滤波电路。 设电感两端电压为，则，而，设，于是，综上所述，得出，假设最小电流为额定电流的十分之一，则：。 (3-19) 本设计中采用环形磁芯绕制，导线采用两根直径1mm的铜线并联。 图3-14 环形磁芯 图3-15 制作完成的电感Fig3-14 Annular magnetic core Fig3-15 Finished inductor 输出电容
34、应满足最大输出纹波的要求，输出纹波由ESR决定，对于铝电解电容，ESR与C的乘积基本不变，范围为。设输出纹波峰峰值为200mV，因此C可选择为： (3-20)其中： (3-21)本次设计选择2200uF/25V的铝电解电容。3.3.6 副电源设计 由于该开关电源必须为隔离电源，因此初级低压设备不能与次级共用一个电源，必须单独供电。 位于初级的设备包括SG3525与IR2103等，通过查找数据手册得知，SG3525工作电流约为14毫安，IR2103工作电流为数毫安（与输出负载有关），因此设定副电源输出电压为15V，输出电流20mA。考虑到电路的稳定性与体积等因素，选择阻容压降电路。图3-16 副
35、电源电路Fig3-16 Auxiliary power supply C6和C7为1uF/250V的CBB电容，R9与R10为放电电阻，D8，D9，D12，D13为桥式整流电路，整流后的电压依然有较大的波动，因此使用C10电容稳定输出，但此时电压仍然可能不稳定，在输出端接入15V/1W的稳压二极管。 电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。但在电容器上并不产生功耗，如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所
36、产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。 电容的容抗，单位为欧姆，则输出电流有效值为： (3-22)其中200为输入最低电压，推导出C=0.47uF，为了保证对地电位，采用每个交流输入端各接一个1uF电容的方式。3.3.7 MOS管驱动电路 MOS管为电压驱动器件，开关速度高，驱动功率小。 驱动电路要求保证MOS管完全的导通和截止，快速越过线性区域，提高开关速度。减少发热。也就是对栅极电容提供较大的充放电电流。 1） 方案选择 由于上半桥驱动电压的特殊要求，常用的方案为自举升压驱动或者变压器
37、驱动，变压器驱动电路复杂，但稳定性好，成本较低。自举升压电路结构简单，因此本方案选择自举升压方案，典型的驱动芯片为IR21XX系列。此处使用IR2103。 2） IR2103结构及工作过程图3-17 IR2103引脚图Fig3-17 footprint of IR2103 IR2103为高电压，高速MOSFET和IGBT驱动器，可为上半桥提供对地高达600V的电压。工作电压为10V到20V。表3-3 IR2103的引脚功能描述Tab3-3 Pins description引脚功能VCC低端供电和逻辑电源HIN高端驱动（HO）的逻辑输入LIN低端驱动（LO）的逻辑输入COM低端回路LO低端驱动输
38、出VS高端浮动回路HO高端驱动输出VB高端浮动供电 3） 自举升压电路驱动原理 下管QL导通过程：图3-18 下管导通及电容充电过程Fig3-18 Conduction of low side MOSFET and the charge of capacitor LIN低，HIN高时，VCC通过Q3为QL提供栅源电压，QL导通，升压电容C下端通过QL接地，VCC通过二极管D对电容充电。 上管QH导通过程：图3-19 上管导通过程Fig3-19 Conduction of high side MOSFET LIN高，HIN低时，下管截止，VS被负载抬升，VB约为VS+VCC，完成自举升压。VB通
39、过Q1为QH提供栅源电压，保证QH完全导通。为了减小升压电容的电荷损失，选择反向漏电流小的快恢复二极管FR107。3.3.8 控制电路设计 开关电源按照激励方式分为自激和它激，自激式是指用变压器本身和外部的反馈元件来产生振荡，没有单独的振荡器，变压器即用来传递能量，又用来产生振荡脉冲。自激式电源结构简单成本低。与它相对的就是它激式，振荡器在专用电源芯片中，变压器仅仅用来传递能量。现在的电源越来越多的都是它激式，它激式可加入高级的控制技术3。 控制电路是整体电路中非常主要的一部分，有多种典型方案。本次设计选择SG3525。图3-20 SG3525的引脚图Fig3-20 footprint of
40、SG3525图3-21 SG3525内部结构Fig3-21 Internal structure of SG3525 SG3525内部由基准电压调整器，振荡器，误差放大器，比较器，锁存器，软启动电路，输出电路等结构组成。 引脚功能：1，误差放大器反向输入端。2，误差放大器同相输入端。3，时钟同步端。4，振荡器输出端。5，振荡器定时电容。6，振荡器定时电阻。7，振荡器放电电阻。8，软启动端。9，误差放大器反馈端。10，关闭控制端。11，输出A。12，地。13，输出管集电极。14，输出B。15，电源。16，基准电压。 基准电压源可输出5.1V的高精度电压，可为外围电路提供标准电源。 振荡电路有双门
41、限电压，高门限，低门限，内部恒流源向充电，构成锯齿波上升沿，时，充电结束，上升时间为：放电时放电电路接通，通过放电，当时，放电结束，完成一个循环，下降时间为：，要求，为上升沿，为下降沿，即死区时间。 根据方案要求，T=25us，选择=2000pF，=20K，=100。 (3-23) (3-24)。 (3-25) 误差放大器的直流开环增益为80dB左右，放大器输出接入比较器的反向输入端，振荡器输出的锯齿波信号接入同相输入端，输出PWM信号，该信号经过锁存器和分相器，交替输出PWM信号。输出采用推挽电路，驱动能力可达到200mA。软启动端对地接入大电容，开机后内部由50uA的电流源对电容充电，当充
42、电电压达到门限电压后，启动PWM输出。以保证开机后的系统稳定性。 关机控制端可用于各种保护功能，如过流保护过热保护等。图3-22 本设计中控制部分具体电路图Fig3-22 Circuit of this design 由IR2103的输入逻辑得知，SG3525的一路PWM信号必须反相输出，Q4及周边电路将A路输出反相。3.3.9 基准源 基准源为采样电路提供精确的参考值，以保证输出的稳定性。 TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从2.5V到36V范围内的任何值。输出阻抗低，有较强的灌电流能力。可用于数字电压表，运放电路，可调压电源，开
43、关电源等。阴极电压为： 图3-23 应用电路 图3-24 封装与引脚图 图3-25 内部结构Fig3-23 Typical circuit Fig3-24 Footprint Fig3-25 Internal structure (3-26)3.3.10 过流保护功能设计图3-26 过流保护功能Fig3-26 Over current protection 过流保护功能将避免输出电流过大导致开关电源过热现象的发生，图3-26中R4为大功率电阻，设工作上限为12A左右。 当Io=12A时，在R4上产生1.2V的压降，三极管基极电压： (3-27)基极电流： (3-28)8550三极管100，集电极电流： (3-29) 隔离光耦选择PIC817，其输入电流与CTR的关系如图3-27所示。图3-27 横坐标为输入电流，纵坐标为CTR（电流传输比）Fig3-27 X axis is
