基于SG3524的集成开关稳压电源的设计 第2页
第二章 集成开关稳压电源的设计
一、开关电源的基本工作原理
开关电源就是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。开关电源的基本工作原理如图1所示。
图1 开关电源的基本工作原理框图
交流电网电压Vn进入输入电路后，经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路以及整流电路，变换成直流电压Vi。其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流，整流电路则完成交流到直流的变换，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容输入型。功率变换电路是整个开关电源的核心器件，它将直流电压Vi变换成高频矩形脉冲电压Vp，其电路主要由开关电路和变压器组成。开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大类；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶体管通常采用开关速度高，导通和关断时间短的晶体管，最典型的有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等三种。输出电路是将高频变压器次级方波电压Vp经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压Vo，供给负载使用。
二、开关电源的分类
开关电源按其控制方式分为两种基本形式，一种是脉冲宽度调制（PWM），其特点是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比；另一种是频率调制（PFM），其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。二者的电路不同，但都属于时间比率控制方式（TGC），其作用效果一样，均可达到稳压的目的。目前的开关电源大多数采用PWM方式，但也有少数采用PFM方式。下面介绍PWM方式电路的工作原理，如图2所示。
图2 脉宽调制控制原理图
若用T表示开关的脉冲周期，Ton表示其导通时间，n表示高频变压器的变比，在脉冲周期一定的前期下，功率变换器的最后输出电压Vp和输入电压Vi的关系可用下式表示：
上式中δ为脉冲电压Vp的占空系数。式中表明，开关电源的输入电或输出电压发生变化时，如电网电压升高或负载变化使输出电压升高或降低时，只要适当控制占空系数δ，就可以使输出电压Vo保持不变。图2中控制电路的作用就是实现这个功能，脉宽调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制开关功率管的通断状态，从而来调节输出电压的高低，达到稳压的目的。锯齿波发生器用于提供恒定的时钟频率信号。利用误差放大器和PWM比较器形成闭环调压系统。如果由于某种原因使Vo升高，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变开关管的占空比δ，使斩波后的平均值电压下降，反之亦然。
三、开关电源的构成及典型应用
70年代发展起来的用分立元件构成的开关电源,虽然在体积、效率、工作环境等方面的性能有了明显的提高,但由于其控制电路比较复杂、瞬态响应较差、测试困难而难以推广。直到70年代末期,随着集成电路技术的发展,对开关电源的控制部分实行了集成化之后,这种新型节能电源才显示出强大的生命力。
目前国内外生产的PWM型和PFM型集成控制器已达上百种,下面以PWM型集成控制器SG3524为例来说明其工作原理及其构成开关电源的典型应用。
四、SG3524的工作原理
SG3524是美国硅通用公司（SiliconGeneral）生产的双端输出式脉宽调制器，工作频率高于100kHz,工作温度为0℃～70℃,适宜构成100W～500W中功率推挽输出式开关电源。
SG3524采用DIP－16型封装，管脚排列如图3所示，其内部结构如图4所示。
图3 SG3524的管脚排列图
图4 SG3524的内部结构框图
＋5V稳压器与基准电源实际上是一个小功率串联调整式稳压器，其输出电压为＋5V，最大输出电流为20mA，它为芯片内部的各单元电路提供工作电压，振荡器先产生0.6V～3.5V的锯齿波电压VJ，再变换成矩形波电压，送至触发器、或非门，并由3脚输出。振荡器频率由SG3524的6脚、7脚外接电容器CT和外接电阻器RT决定，其值为： （2）
RT的取值范围为1.8kΩ～100kΩ,CT为0.001μF～0.1μF，其最高振荡频率为300kHz。开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端，与同相端的基准电压进行比较后，产生误差电压Vr，送至PWM比较器的一个输入端，另一个则接锯齿波电压，由此可控制PWM比较器输出的脉宽调制信号VB。最后，依次通过或非门、推挽式功率放大和降压式输出电路，获得稳压输出。或非门HF1或HF2各有3个输入端，其特点是只要有一端呈高电平，输出即为低电平。因触发器有二分频作用，故开关频率f=f/2,其每路输出的占空比调节范围为0％～45％。制作几十瓦的小功率开关电源时，亦可将VT1和VT2作单端并联输出，此时f’=f,占空比调节范围为0％～90％。
限流比较器需外接过流检测电阻器Rs，常态下它输出高电平，一旦Rs上的压降超过200mV,就输出低电平，迫使Vr等于零，关断输出，起到过流保护作用。同时可以利用关断电路强行关断输出，当第10脚输入0.7V的高电平时，即可使关断电路内部的晶体管饱和导通，将Vr拉成0V，使PWM停止工作，接低电平则可正常工作。
五、用SG3524构成开关电源
用SG3524可以构成不同用途的开关电源，与其他的控制电路配合，可构成各种设备如PC机的开关电源，下面以一典型应用为例加以说明。
图5 ＋5V、5A开关电源的电原理图
图5是用SG3524构成的双端推挽输出式＋5V、5A开关电源的电原理图，管脚6和管脚7对地分别接有R5（2kΩ）和C2（0.02μf）,由式（2）可计算出其振荡频率约为30kHz。＋5V输出电压经取样电阻器R1（5kΩ）、R2（5kΩ）分压后获得＋2.5V的取样电压，送至误差放大器反相输入端；＋5V基准电压由采样电阻器R3（5kΩ）、R4（5kΩ）分压成＋2.5V电压，接同相输入端。当VO上升时，SG3524内部误差电压Vr将上升，VB的脉冲宽度将变窄，经输出电路迫使Vo下降，从而达到稳压目的。R8（1kΩ）、R9（1kΩ）是内部VTA、VTB的负载电阻器，推挽式功率输出电路由VT1、VT2组成。T为高频变压器。过流检测电阻器R7（0.1Ω）经管脚4、管脚5引入过流保护电路，其大小决定着输出电流
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