基于SG3525的帶過(guò)載保護開(kāi)關(guān)穩壓電源設計

引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)我國農產(chǎn)品需求量的增加，農業(yè)自動(dòng)化水平的提高，以及大量農業(yè)機械、電氣照明和溫控設備的增加，農業(yè)電耗逐年增加，生產(chǎn)成本不斷提高。隨著(zhù)電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，開(kāi)關(guān)穩壓電源已作為一種較理想的電源為人們所使用，其運用功率變換器進(jìn)行電能變換，能夠在滿(mǎn)足各種農業(yè)用電的前提下，降低電耗，其高效節能可帶來(lái)巨大的農業(yè)經(jīng)濟效益。然而當前的農業(yè)用開(kāi)關(guān)穩壓電源，雖然體積小，效率高，但輸出電壓的紋波較大 ,難以保證輸出電壓高穩定性，常常影響農用機械和電氣設備的連續生產(chǎn)，反而增加了耗能。為此，本文提出一種新的帶過(guò)載保護的開(kāi)關(guān)穩壓電源設計方案，能為農用大型機械和農業(yè)照明設備電路提供穩定的電源，具有比較廣闊的應用和發(fā)展前景。

　　1 　方案論證

　　1. 1 　DC2DC主回路拓撲電路方案論證

　　目前，DC2DC 主回路設計方案可考慮的方案有3 種。

　?。?） 單端正激式電路。該電路的電路原理圖如圖1 所示。

　　該方案結構簡(jiǎn)單，成本低，但變壓器鐵心易磁化，MOS 管導通時(shí)向負載供電，變壓器并沒(méi)有實(shí)現充分利用，效率不高，而且輸出電壓紋波大。該方案實(shí)現簡(jiǎn)單，目前為大部分農業(yè)機械和電器設備采用，但難以保證穩定持續的工作，應用效果并不理想。

　?。?） 全橋整流式電路。圖2 所示為全橋整流式電路。該方案采用了4 個(gè)MOS 管，工作時(shí)對管同時(shí)導通，半周期內Q1、Q3 導通，Q2、Q4 截止，然后Q2、Q4 導通，Q1、Q3 截止。這樣的工作方式使每半周期都有2 個(gè)MOS 管來(lái)分壓，對MOS管的耐壓要求就降低了，適用于高壓場(chǎng)合，但由于使用了4個(gè)MOS 管，使得損耗功率增加，開(kāi)關(guān)損耗同時(shí)增加?？紤]到農業(yè)機械一般功率較大，采用該方案必然降低電能利用率，導致大量的能耗損失。

　?。?3） 雙管推挽放大電路。圖3所示為雙管推挽放大電路。該方案采用了2 個(gè)MOS 管輪流導通，比采用4 個(gè)MOS管損耗低，而且輸出電壓比單端方式的要穩，為達到設計所需要的效率，本文選用了該方案。

　　1. 2 　控制方法及方案論證

　　1. 2. 1 　鍵控、穩壓及顯示控制

　　常用的方案有2 種。

　?。?） 數字芯片方案。采用數字電路搭建控制平臺，用tlc4066 與74ls07 通過(guò)按鍵用74ls07 計數，并通過(guò)4066 來(lái)選通分壓電阻的電壓，輸入給PWM芯片，從而控制輸出電壓。用A/ D 采樣給數碼管顯示，但A/ D 控制不易實(shí)現而且顯示部分電路難以實(shí)現。

　?。?） 嵌入式方案。采用51 單片機小系統板對PWM芯片進(jìn)行控制，并對A/ D 和D/ A 進(jìn)行控制和采樣。采用以7279 為核心的按鍵掃描顯示模塊進(jìn)行鍵控和顯示。該方案編程比較容易，控制很方便，顯示也很容易實(shí)現。經(jīng)綜合比較考慮，筆者選擇采用嵌入式解決方案。

　　1. 2. 2 　PWM芯片的選取

　　TL494 是很常用的PWM芯片，但是外圍電路復雜，缺少圖騰柱式輸出，且驅動(dòng)能力不強。而SG3525 芯片的驅動(dòng)能力要比TL494 強，性能穩定，并且以圖騰柱式輸出，驅動(dòng)變壓器設計簡(jiǎn)單，外圍電路比TL494 簡(jiǎn)潔。

　　因此，PWM芯片的設計中選用SG3525。

　　1. 2. 3 　過(guò)流保護自動(dòng)控制

　?。?） 純硬件實(shí)現自動(dòng)保護控制。在負載端采樣電壓，通過(guò)一個(gè)比較器輸出一個(gè)電平控制可控硅的導通，由可控硅的狀態(tài)來(lái)控制SG3525 的shutdown 端，從而控制輸出狀態(tài)。當負載正常時(shí)可控硅關(guān)斷，shutdown 端為低電平，芯片正常工作；當負載過(guò)流時(shí)，通過(guò)取樣電阻給比較器輸出一個(gè)高電平，高電平通過(guò)一個(gè)電容送到一個(gè)與可控硅并聯(lián)的三極管基極，使三極管導通，從而關(guān)斷可控硅。該方案邏輯關(guān)系很強，參數選擇嚴格，不容易實(shí)現，不適用于該系統。

　?。?） 軟件實(shí)現自動(dòng)保護控制。在負載端采樣電壓，通過(guò)單片機來(lái)查詢(xún)負載電平的高低控制SG3525 芯片的shutdown 端口來(lái)控制輸出，從而達到保護的目的。該方法簡(jiǎn)單，且為后續智能化過(guò)載保護的實(shí)現提供基礎。通過(guò)對該電源電路進(jìn)行方案論證，該系統的原理圖如圖4 所示。

　　1. 3 　提高效率方法及解決方案

　　由于損耗主要來(lái)源于器件本身以及一些開(kāi)關(guān)元件的寄生電阻和進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗，因此在設計電路時(shí)要盡量減少損耗元件的個(gè)數，選用耗能小的元件，采用比較理想的開(kāi)關(guān)元件；并且變壓器的選取和繞制也對效率有影響。

　　1. 3. 1 　功放電路解決方案

　　為了降低損耗只能選用2 個(gè)晶體管，并且要求它本身的導通壓降很低，降低了損耗，并且開(kāi)關(guān)速度很快，讓開(kāi)關(guān)在瞬間完成，才能夠最大限度地降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。

　　1. 3. 2 　變壓器解決方案

　　選用EI 變壓器，設置匝數比為10∶32 ,線(xiàn)徑0. 7 mm,初級雙線(xiàn)并繞，次級單線(xiàn)繞制，這樣能最大限度地提高效率。

　2 　硬件設計

　　2. 1 　開(kāi)關(guān)管的選取

　　由于是PWM芯片直接驅動(dòng)，因此驅動(dòng)電流不大，考慮到效率問(wèn)題，選用IRF540。它是電壓控制器件，要求驅動(dòng)電流很低，并且開(kāi)關(guān)速度很快，導通電阻很小，這樣既減少了開(kāi)關(guān)損耗，也降低了本身寄生電阻的損耗。

　　2. 2 　輸入整流二極管的選取

　　由于集成整流橋用于整流濾波，易引起整流管過(guò)熱，其輸出電壓過(guò)低，導致負載電壓不穩。因此采用共陰極肖特基二極管取代。

　　2. 3 　輸出整流二極管的選取

　　考慮到效率要求，選用了肖特基二極管，速度快且壓降低。

　　2. 4 　變壓器的繞制方法

　　選用EI 變壓器，工作頻率為30kHz ,計算匝伏比： N/ V = Ton/ （ΔB ×Ae） ,原邊繞組匝數： Np= Vinmin ×（ N/ V） ,副邊繞組匝數： N2 = （ Vo + Vd + Io ×R）×（ N/ V） ,設置的匝數比為10∶32 ,線(xiàn)徑0. 7 mm,初級雙線(xiàn)并繞，次級單線(xiàn)繞制。該設計方法能最大限度地提高效率。

　　2. 5 　整流管的輸出穩壓

　　由于18 V 經(jīng)整流濾波后達到25V ,因此選用了耐壓值為1 000μF/ 50 V 的大電容來(lái)穩壓。

　　2. 6 　LC濾波參數設計

　　根據電感最大貯能值0. 5 ×L ×I ×I 確定電感峰值電流Imax = Io + 2 ×VoToff / L （Toff 為關(guān)斷時(shí)間） ,匝數N 應進(jìn)行取整，當匝數少電流大時(shí)，應盡量避免取半匝的情況。經(jīng)計算后選取電感量為10 mH,電容為4 700μF。

　　2. 7 　保護電路設計

　　采用LM358 和LM193 作為過(guò)流采樣比較器。若負載過(guò)流，比較器輸出高電平給單片機，單片機查詢(xún)端口作出判斷給SG3525 的shut 口一個(gè)高電平，同時(shí)把1 個(gè)三極管打通給負載一個(gè)5 V 電壓再次檢測負載狀態(tài)；若過(guò)流拆除通過(guò)LM393 比較器給單片機一個(gè)高電平，那么單片機給shut 端低電平來(lái)開(kāi)啟SG3525。若未拆除，過(guò)載單片機循環(huán)查詢(xún)等待拆除。

　　3 　運行情況與分析

　　在該設計中，采用的試驗手段及儀器如下。

　?。?） 輸出電壓調整范圍的測試。通過(guò)51 控制改變DC2DC變換器的電源電壓值，從而達到調整輸出電壓的目的。用萬(wàn)用表測試電壓值。

　?。?） 最大輸出電流的測試。通過(guò)調整負載電阻的值來(lái)調整輸出電流，當負載短路時(shí)輸出電流最大。

　?。?） 電壓調整率Su 的測試。在給定的輸入電壓從15～21 V 變化時(shí)，用5 位半的數字表分別測出負載電壓的最大變化量，然后除以負載電壓就可以計算出Su。用同樣的方法可以測出Si 。

　?。?） 輸出電壓紋波Vpp。用交流調壓器設定U2 為18 V ,負載電壓為36 V ,電流為2 A 時(shí)，用模擬示波器測量紋波電壓峰峰值。

　?。?）DC2DC 的變換效率。分別用5 位半的數字表測得負載電壓和電流與DC2DC 變換器的輸入電壓和電流，然后計算出輸入和輸出功率，便可計算出效率。

　　該系統在實(shí)驗室中進(jìn)行了測試，其測試數據表如表1～4所示。

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