基于SG3525的Buck变换器设计

2021-04-01任佳敏阮岩

现代计算机 2021年5期

任佳敏，阮岩

（1.西安石油大学电子工程学院，西安710065；2.陕西省油气井测控技术重点实验室，西安710065）

0 引言

DC-DC就是直流-直流变流电路，它的功能是将一种直流电变为另一种固定电压或可调电压的直流电，DC-DC开关电源因其具有高功率密度、高可靠性、高效率、体积小、重量轻等优点[1]，广泛应用于航空航天、通信、计算机、家用电器等领域[2-3]。降压型变换器电路是DC-DC变换器中最常用的电路之一[4]，由于是输出电压小于或等于输入电压的非隔离型变压电路，因此又被称为降压型变换器（Buck变换器）。

随着电力电子技术的发展，在产品应用方面，我们不仅要求产品性能高，更要保证产品的可靠性[5]，连续导通模式（Continuous Conduction Mode，CCM），即在开关的一个周期内，电感电流是连续的，不会降到零[6]。本文以CCM模式Buck变换器为模型，通过对其进行研究分析，设计了控制电路，使用SG3525芯片对其进行控制，并通过建模仿真验证了变换器能够安全可靠的工作，实现了稳定可靠的电能降压变换。

1 Buck变换器工作原理

如图1所示为Buck变换器电路原理。其中，UI为直流输入电压，VT为功率开关管，我们选用MOS管，VD为续流二极管，防止感应电压击穿或烧坏元件，保护电路中的元件不被损坏，C为输出滤波电容，L为输出滤波电感（储能电感），R为负载电阻，UO为直流输出电压。为了使推导过程方便简洁，假定开关器件均是理想元器件，负载为纯阻性负载，输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到可以忽略。

图1 Buck变换器电路原理

当开关管VT导通时，输入电压UI向负载供电，此时二极管VD由于反向电压，处于反偏状态无法导通，通过电感L上的电流IL线性增加，电感储存的能量也在增加，电容处于充电状态，电容器两端电压逐渐升高，电感电流IL为电容充电电流I1与负载电流I0之和。

图2开关导通电流路径

当开关管VT关断时，由于电感续流作用，电感电流不会发生突变，电感两端的电压会出现反向的情况，此时二极管正向导通，电感中储存的磁场能量转换为电能，继续向负载供电，电感电流IL线性减小，同时电容C向负载R供电，放电电流为I2，负载电流I0为电感电流IL与电容放电电流I2之和。

图3开关断电流路径

ton为VT处于开通状态的时间；toff为VT处于关断状态的时间；T为开关周期；在电感电流连续的条件下，电感两端的电压在一个开关周期内的积分为零。可以推导出负载电压平均值UO：

其中，D为占空比。输出电压UO与占空比D成正比，增大占空比D的值，输出电压随之增大，负载输出电压的最大值为UI，调节占空比D的值可以有效控制输出电压值得大小。

2 SG3525控制电路

如图4所示为SG3525芯片内部原理图。芯片基准电压+5.1V精度为±1%，基准电压值的大小在误差放大器脉冲输入端的共模范围之内，所以不用外接脉冲电阻，SG3525芯片既可以与外部时钟同步，又可以在主从模式下工作，芯片内部的主要电路包括基准电源电路、具有同步功能的振荡器、误差放大器、脉冲同步触发器、PWM比较器与锁存器、脉冲输出级电路、软起动电路、关断电路以及欠压锁定电路等[7-8]。

图4 SG3525内部原理图

如图5所示为SG3525芯片驱动电路，振荡器生成的锯齿波和误差放大器的输出信号相比较可产生脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制脉冲信号经锁存后可以输出A路和B路相位互差180o的PWM驱动信号。SG3525芯片引脚6外部接定时电阻RT、7脚为振荡器放电端，外接定时电容CT和放电电阻RD，定时电阻的大小决定了定时电容充电时的电流，放电电阻为定时电容提供了放电通道，改变放电电阻的阻值大小既可以调节放电时间大小，同时又可以改变死区时间大小。SG3525输出驱动信号的频率和脉冲宽度都可以进行调制，振荡器输出频率由RT、CT和RD共同决定，脉冲宽度由R1和R2决定，改变R1和R2的分压比可以改变脉冲宽度。本文RT=1.4kΩ，CT=0.01uF，RD=10Ω，R1=2.6k，R2=2.5k。

3 实验仿真及结果

使用Saber仿真软件对Buck电路进行仿真，在Saber中的Sketch界面搭建的电路模型如图6所示，可以根据仿真波形的结果，验证电路模型的正确性。其中，直流输入电压UI为36V，输出滤波电感L为80uH，输出滤波电容C为0.3mF，负载电阻R为1.2Ω，占空比为0.45，如图7所示为输入电压波形，图8为输出电压波形，由仿真结果可知，输出电压UO大小为16V，符合设计要求。