一种基于PWM的推挽式开关电源的研究

1 引言

近年来，电力电子技术迅猛发展，各种大功率全控型器件相继问世，其中功率MOSFET在开关变换器中使用广泛。开关管的控制方式采用脉冲宽度调制（PWM）。美国硅通用半导体公司推出了SG3525，用于驱动N沟道功率MOSFET。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，简单可靠并使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，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][2]：

(1)工作电压范围宽8V～35V；
(2)内置5.1 V±1.0 %的基准电压源；
(3)芯片内振荡器工作频率宽100 Hz～400 kHz ；
(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，使开关速度更快，末级输出或吸入电流最大值可达400 mA；
(6)内设欠压锁定电路 ，当输入电压小于 8 V 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2 mA；
(7) 设有软启动电路。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. 5 V 的时间为 t = (2. 5 V/ 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置位信号锁存，并将误差放大器上的噪声、振铃及系统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。

2 基于PWM的推挽式开关电源设计

图1是选用SG3525设计的基于PWM的推挽式开关电源电路。其性能指标是：输入电压为AC176V－253V可调，输入额定电压为220V，输出为5V/1A。本系统由SG3525产生两路反向方波来控制MOSFET的导通与关闭，MOSFET驱动采用推挽方式。本设计在变压器的中心抽头加入整流后的直流电压，输出部分采用全波整流，在输出点上有分压电阻给TL431提供参考电压，并通过光电隔离反馈到SG3525，以调节控制输出方波占空比来稳定输出电压。由于本设计采用推挽式功率变换电路，在输入回路中仅有一个开关的通态压降，而半桥和全桥电路有2个，因此在同样的条件下，产生的通态损耗较小，变压器可同时实现直流隔离和电压变换的功能，磁性元件数目较少，成本较低。

图1 系统原理图

2.1控制器结构框图及引脚功能说明

SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图2所示，内部引脚框图如图3所示。直流电源V_s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，产生稳定的电源。振荡器脚5须外接电容C_r，脚6须外接电阻R_T。振荡器频率f由外接电阻RT和电容C_r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 V1 及 V2 的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证 V1 及 V2 不同时导通。最后，V1及V2分别输出相位差为180°的PWM波。

图2 SG3525引脚框图

图3 SG3525内部框图

2.2高频变压器设计^[3]

推挽变换器的高频变压器结构如原理图1所示，原边和副边的绕组都分别有一个中心抽头。由于输入电压最小值为AC176V，所以整流后最小输入电压为DC249V。因此，计算磁芯参数时取变压器输入电压幅值U_p1＝249V，直流输出电压5V，二极管压降取0.6V，所以次级绕组电压幅值U_p2取5.6V，最大工作比a＝0.45。次级绕组峰值电流I_p1=1A，次级绕组电流有效值=0.69（A），初级绕组峰值电流I_p1＝U_p2/U_p1?I_p2=22.4（mA），初级电流有效值=15(mA)。因此，变压器的输出功率=3.7（W），变压器计算功率=10.5（W），（变压器效率n取为1，这个效率不包括整流二极管在内）。取工作磁感应强度B_m＝170mT，电流密度j取4.8A/，铜在磁心窗口中的占空系数K_m初选时取0.2-0.3，实际计算取K_m＝0.25，则计算面积乘积为

取EE16磁心，它的中心截面积(A_e)19.2 mm2，磁心的窗口面积(A_w)为39.85 mm2，因此EE16的功率容量为，而计算面积乘积A_p=0.029㎝4，它明显小于上面的功率容量的乘积0.0765，可见采用EE16磁心时，功率容量已足大。

绕组匝数计算如下。先确定最低电压绕组的匝数＝ 取N2=8，初级绕组匝数，取偶数N₁=344，其中开关管最大导通时间T_on＝9us，控制器输出频率f=45kHz。按照原边344匝，副边8匝绕制变压器。在变压器的绕制过程中，为了减少变压器的漏感，要将原边绕组和副边绕组紧密耦合。