基于SG3525和DC/DC變換器的大電流低電壓開關電源設計

引言

本文介紹了以SG3525為控制核心、全橋變換器為主電路、輸出直流電流45~90A可調的大電流低電壓直流開關電源的設計，其輸出電壓可在5~15V自動調整以適應負載變化，從而保持恒定的輸出電流。

1、電源總體設計

電源為恒流源工作方式，其輸出電流可在45~90A連續可調，并穩定工作，最大輸出功率1.35kW，采用PWM控制，開關頻率30kHz。

圖1是電源框架圖，圖中未畫出保護電路框圖。單相220V交流輸入經工頻整流、濾波后向DC/DC全橋變換器供電。在電源合閘接入電源電壓瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器初始充電會形成很大的瞬間沖擊電流，軟啟動電路用于防止該瞬間沖擊電流，改善電源啟動性能，保護EMI濾波器、工頻整流器件及電容器等，以保證開關電源正常而可靠運行。DC/DC全橋變換器主要由四個開關管組成的橋式逆變電路、高頻變壓器、輸出高頻整流及濾波電路組成，橋式逆變電路在控制及驅動電路作用下，將直流轉換成高頻方波交流，再經高頻變壓器降壓以及副邊高頻整流、濾波后輸出直流。電源控制電路由專用集成芯片SG3525及其外圍電路構成PWM調制，經光電隔離、功率放大后直接驅動全橋變換器開關管，由于電源工作在恒流方式，且電流較大，所以應用電流傳感器采樣輸出直流電流作為控制信號，反饋到控制電路，以實現PWM調制，達到穩定輸出電流的目的。

2、主電路設計

本電源主電路拓撲結構如圖2所示，由于該電源具有大電流低電壓的特點，對高頻干擾信號以及合閘瞬間的浪涌電流非常敏感，因此220VAC/50Hz交流電整流前先經EMI濾波器濾波，大大減小了交流電源輸入的電磁干擾，同時防止開關電源產生的諧波串擾到輸入電源端。

高頻變壓器是DC/DC全橋變換器的核心磁性元件，許多其它主電路元器件的參數設計都依賴于變壓器的參數，對其進行合理優化設計非常重要。本電源的高頻變壓器設計采用AP法，AP就是指磁芯有效截面積和線圈有效窗口面積的乘積。磁芯選用一對E型軟磁鐵氧體，考慮到變換器工作頻率，磁芯工作磁感應強度BW設計為0.16T，根據電源主電路拓撲結構，高頻變壓器的計算功率為：

式中AW為磁芯窗口面積；Ae為磁芯有效截面積；K0為窗口使用系數，一般典型值取0.4；Kf為波形系數，本變壓器原副邊繞組波形為方波，取Kf=4；fs為變壓器工作頻率（Hz）；J為繞組導線電流密度，設計為400A/cm2。選用的EE磁芯AP值應大于計算值，由于副邊電流較大，并繞的漆包線根數多，占用窗口面積大，最終選用磁芯為TDK的PC40EE70型磁芯。繞制工藝采用原副邊交叉繞（兩段式全包），以實現變壓器原副邊繞組的緊密耦合，減小漏感，實驗結果表明滿足設計要求。