半桥同步整流设计报告模板.pdf

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1、1/9 半桥倍流同步整流电源的设计 摘要：现如今，微处理器要求更低的供电电压，以降低功耗，这就要求供电系统能提供更大的输出电流，低压大电流技术越发引起人们的广泛关注。本电源系统以对称半桥为主要拓扑，结合倍流整流和同步整流的结构，并且使用 MSP430单片机控制和采样显示，实现了 5V，15A 大电流的供电系统。效率较高，输出纹波小。关键词：对称半桥，倍流整流，同步整流，SG3525 一、方案论证与比较 1 电源变换拓扑方案论证 方案一：（如下图）此电路为传统的半桥拓扑。由于 MOS 管只承受一倍电源电压，而不像单端类的承受两倍电源电压，且较之全桥拓扑少了两个昂贵的 MOS管，因此得到很大的应用

2、。但在低压大电流的设计中，输出整流管的损耗无疑会大大降低效率，而且电感的设计也会变得困难，因此不适合大电流的设计。方案二：传统半桥+同步整流。将上图半桥的输出整流管改为低导通内阻的MOSFET。如此可大大减小输出整流的损耗，提高效率。比较适合大电流的整流方案，但变压器的绕制和电感的设计较麻烦。方案三：（如下图）半桥倍流同步整流。倍流整流很早就被人提出，它的特点是变压器输出没有中心抽头，这就大大简化了变压器的设计，并且提高了变压器的利用率。而流过变压器和输出电感的电流仅有输出电流的一半，这使得变压2/9 器和电感的制作变得简单。并 且由波形分析可以知道，输出电流的纹波是互相抵消的。该电路的不足是

3、电路时序有要求，控制稍显复杂。由上分析我们选择方案三。2 控制方案选择 方案一：由于控制芯片 SG3525 输出两路互补对称的 PWM 信号，则可将控制信号做如下设置（如下图）。将驱动 Q1 的信号与 Q4 同步起来，Q2 和 Q3 的信号同步，则可以实现倍流同步整流的时序同步，方案简单易行，但由于 SG3525 在输出较小占空比时有较大的死区，则输出 MOSFET 的续流二极管会产生较大的损耗。方案二：。反激变换。将 SG3525 的驱动信号反向后送入输出整流MOS 管，如此可以极大的减少低占空比时的损耗，且仅需一对反向驱动，故选用方案二。3/9 二、电路设计与参数计算 1 总体方案设计 电

4、路整体采用半桥结构，电压型控制器件 SG3525 产生 PWM 控制信号，频率为 30KHz，分别经过半桥驱动 IR2110 和双反向驱动 MAX626，分别驱动开关管和输出整流 MOS 管。功率变换产生的电压波形经倍流整流输出。电流采样使用高端电阻采样，为 0.005 欧。电流信号转化为电压信号，经放大、比较，送至单片机和控制芯片。单片机 LCD 显示输出电压、电流并且可以通过按键调节电压和电流过流点。下图为总体的系统框图。功率变换输入LC滤波采样与保护MSP430控制芯片SG3525驱动驱动启动供电输出LCD 显示按键 2 电源主电路设计 根据指标，系统输入电压为 2530V，输出电压为

5、5V，输出电流为 15A，输出电流过流点为 18A(+-1A)。输出整流管我们选择了IRF3025。其耐压值为 55V，额定电流为 110A，导通内阻为 8m 欧。非常适合用作同步整流的低压大电流结4/9 构。控制芯片我们选用 SG3525，这是一款非常实用的电压型控制器件。它自带了高精度的 5.1V 基准，工作电压宽，具备软启动和输入高电平关断，其输出采用图腾柱输出，拉灌电流达 200mA。驱动芯片采用 IR2110 和 MAX626。IR2110为专用的半桥驱动芯片，其输出入电流达 2A，延时短。MAX626 输出峰值电流达 2A，开关延时仅 20ns。反馈控制使用光耦 PC817+TL4

6、31 精密基准，适应性强。1.1 主变压器的设计 绝大多数磁性元件都是自行设计的，变压器作为功率变换的主体，其设计的好坏直接影响到系统的质量。根据要求，输入电压为 2530V，输出电压为 5V，输出电流为 15A。效率 80%。则输出功率 Pout=75W，Pin=93.75W 我们选用 EC40 的磁芯，其高宽比较大，且便于绕制。平均输入电流 Iin=Pin/Vin=3.8A，输入峰值电流 Ipk=2.8Pout/Vin(min)=8.4A 由：V=NAe(dB/dt)Np/Ns=Vp/Vs=(Vin/2)/(Vout/D)得：匝比 N=Np/Ns=5：6；Dmax=0.3；再考虑大电流下的

7、铜损和铁损，变压器原边取 5 匝，副边取 6 匝，辅助绕组取 7 匝。原边采用线径 0.47 的铜线 4 线并绕，副边采用 9 线并绕。1.2 输出滤波器设计及计算 由于采用倍流同步整流，输出滤波器的平均电流只有输出电流的一半。由：V=L(di/dt)可知电感 L=Et/r*Io,其中 Et 为电感的伏秒数，r 为输出电流的纹波比，Io为电感平均电流。为了达到纹波峰峰值小于 10mV，我们取 L=400uH，可以满足要求。输出电容与电感一起，对于负载的能量传送和谐波抑制有十分重要的作用。输出电容我们采用大容量电解电容加高频特性好的薄膜电容。根据 C=Iout(max)*D/f*Vpp 其中 f

8、=30KHz，Vpp=10mV，Iout=15A 电解电容使用一个 3300uF 和两个 1000uF 的电容并联，薄膜电容使用两个0.01uF 的并联。1.3 反馈电路的计算 反馈电路我们选用光耦 PC817 和精密基准 TL431。由于输出电压为 5 伏，并且 TL431 的基准脚需要 2uA 的电流，所以分压电阻都选为 10k。PC871 的电流传输比 CTR 约为 0.81.6，即：Ic/If=CTR 为了满足光耦和 TL431 的工作条件，取工作电流为 3mA,与光耦串联的电阻R=(5-1.2-2.5)/3mA=430 欧，取 470 欧。则在满足增益的条件下，光耦输出上拉电阻取为

9、2k。为了让反馈稳定工作，需要加补偿网络，我们选用 II 型补偿。由控制理论可知，电源闭环反馈的相位裕度需=45 度。由于输出滤波器是一个二阶低通滤波器，会产生 180 度的最大相移，而 TL431 反馈也会产生相移，经计算并实际测试，补偿网络的取值如下：5/9 3 控制电路设计 控制系统是系统的关键部分，控制电路的好坏直接影响电路的效果。为了达到较好的控制精度，我们采用光耦+431 的反馈方法，将光偶的反馈信号输到误差放大器的同向端 2 脚，将误差放大器接成跟随器的形式。SG3525 的内部结构如下：SG3525 芯片的频率范围从 100500KHz，其输出死区可通过 Rd 调节。它的振荡频

10、率可通过 f=1/(Ct(0.7Rt+3Rd)计算得到。此处 Ct=1nF，Rt=24K，Rd=68，可得到输出频率为 30KHz。为了充分利用 SG3525 的特点，我们设置了软启动和输出过流保护。软启动电容采用 2.2uF。输出过流保护信号直接接到误差放大器的输出端，达到过流限流保护的作用。驱动半桥我们采用集成驱动芯片 IR2110，简化了驱动电路的设计，有利于系统的调试。6/9 4 采样保护电路设计 为了防止输出电流过大，设置输出过流保护是十分必要的。由于输出电流大，为了达到较好的效率，我们使用 0.005 欧的电阻。当输出电流达到过流点 18A时，采样电阻上的压降为 0.09V，经 I

11、NA155 放大后，一方面送入单片机采样显示，另一方面与过流基准比较，得到过流信号，电路进入限流保护模式。并且输出过流点可由单片机调节，实现过流点步进调节。输出电压同样经分压输出到单片机显示。三、系统调试 调试阶段。由于开关电源干扰大，我们调试中遇到不少问题。开始就发现SG3525 的驱动波形有一些异常，不是很稳定，于是我们加强了芯片的去耦设计，但是效果不大。后来我们发现 SG3525 的振荡波形并不稳定，猜想可能是地回路上干扰过大，于是我们在输入都串上磁珠，后振荡波形稳定，驱动波形改善。在调整率测试阶段，发现空载到满载的输出电压变化较大，我们仔细查看了控制部分，发现采样点的接地离 TL431

12、 的地较远。于是我们将输出电压直接采样，用双绞线连接到 TL431 的接地端。测试结果表明调整率得到了改善，达到了 1%的负载调整率。四、测试结果与分析 1 测量效率 满载时输出电流为 15A，电压，电流由万用表读出。7/9 电压 满载 效率/%25/V 27.5/V 30/V 81.08%81.49%81.85%81.86%81.74%81.85%81.87%81.84%81.96%平均值 81.60%81.69%81.89%由上可知：满载效率达到要求 不同负载下效率 输出电流 5/A 10/A 15/A 输入电压 效率/%25/V 85.30%83.97%81.60%27.5/V 84.8

13、0%84.06%81.69%30/V 84.01%84.10%81.89%2 纹波的测量 输出纹波在满载 15A 时测量，由示波器读出。电压 纹波/mV 25/V 27.5/V 30/V 21.8 由以上可得系统未达到输出纹波小于等于 10mV 的要求 3 负载调整率 输出电流 0/A 5/A 10/A 15/A 输入电压 输出电压/V 25V 5.00 4.98 4.97 4.96 27.5V 5.00 4.98 4.97 4.96 30V 5.01 4.99 4.97 4.96 由上可知：负载调整率为 1%，满足系统要求 4 电压调整率 输入电压 25/V 27.5/V 30/V 输出电流

14、 输出电压/V 0A 5.00 5.00 5.01 5A 4.98 4.98 4.98 10A 4.97 4.97 4.97 15A 4.96 4.96 4.96 8/9 5 预设过流点误差 测试条件：输入电压 30V，预设值 实际值 偏差值 17A 18A 19A 五、设计总结 1 指标对比 通过对比指标和测量结果，电源的效率，电压调整率和负载调整率均达到要求。实现了电压、电流显示和过流点控制。唯一的缺陷是输出的电压纹波没有达到指标。若改善布局、减小漏感、使用高频元件可进一步减小输出电压纹波。2 设计小结 本系统以半桥为主拓扑，采用输出倍流同步整流的设计，是实现低压大电流输出的良好选择。采用 SG3525 控制和集成驱动芯片，简化了电路设计，提高了系统的稳定性。利用 MSP430 单片机对输出显示和控制，提高了系统的可视化和数字控制。3 学习体会 通过本电源系统的设计，使我们学到了更多关于电源设计的细节问题。让我们对电源系统的基本原理有了更深刻的理解。在调试阶段也让我们体会到了电路设计的难度，让我们对电路调试有了基本的方法。六、参考文献 1 开关电源优化设计，沙占友等著，2009 年 10 月；2 开关电源典型设计实例精选，杨恒著，2007 年 9 月；3 开关电源设计第二版，Abraham I.Prressman 著，王志强等译，2008 年9 月；9/9