基于SG3525的DCDC开关电源设计

基于SG3525的DC/DC开关电源设计

The Design of DC/DC Switching Power

Supply Based on SG3525

毕业设计任务书

题 目 基于SG3525的DC/DC开关电源设计 一、设计内容 设计一个基于SG3525可调占空比的推挽式DC/DC开关电源，给出系统的电路设计方法以及主 要单元电路的参数计算。 二、基本要求 1. 系统工作原理及设计思路。 2. 设计开关电源主电路。 3. 选择电源变压器，设计开关管的驱动控制电路。 4. 主要元器件的选择。 5. 利用saber进行系统仿真。 三、主要技术指标 输入电压为DC10—35V，输入额定电压为12V，输出为360V，额定功率为500W。电路以SG3525为控制芯片，使电源工作性能稳定，电源效率高。 四、应收集的资料及参考文献 [1] 邹怀虚. 电源应用技术[M]. 北京：科学出版社.1998 [2] 刘胜利. 现代高频开关电源实用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2001 五、毕业设计进度计划 第1—2周： 收集资料，完成系统工作原理及设计思路开题报告。 第3周： 设计开关电源主电路。 第4—6周： 选择电源变压器，设计开关管的驱动控制电路及主要元器件的选择。 第7周： 中期检查。 第8—11周： 利用saber进行系统仿真。 第12—13周： 论文审核定稿。 第14—15周： 答辩。

毕业设计开题报告

题 目 基于SG3525的DC/DC开关电源设计 一、研究背景 21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。 二、国内外研究现状 1. 国外研究现状 自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。 2. 国内研究现状 与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。 开关电源被誉为高效能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流

产品。采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。 三、主要工作 1. 分析系统工作原理及设计思路。 2. 设计开关电源主电路。 3. 选择电源变压器，设计开关管的驱动控制电路。 4. 根据任务要求选择主要元器件。 5. 利用saber进行系统仿真。 四、采用的方法 1. 根据设计要求，选用SG3525脉宽调制控制器。 2. 通过调节SG3525第5脚上CT的电容和第6脚RT上的电阻就可以改变输出控制信号PWM的频率。 3. 调节第9脚COMP的电压可以改变输出脉宽，可以改善开关电源的动态性能和简化控制电路的设计。 五、预期达到的结果 利用saber进行系统仿真使设计的开关电源满足输入电压为DC10—35V，输入额定电压为12V，输出为360V，额定功率为500W。电路以SG3525为控制芯片，且电源工作性能稳定，电源效率高。 指导教师签字 时 间 年 月 日

摘 要

本文主要目的是设计一款基于SG3525的推挽式DC/DC开关电源，首先可以将 DC10~35V，转变成DC360V，额定功率达到500W。可应用在低压转高压的设备中，特别是适用于低压输入的车载逆变电源的前级升压等。

通过对比研究，设计了基于SG3525的推挽式DC/DC开关电源的主拓扑结构，将前级的低压直流电通过变压器耦合升压，输出经过桥式整流和LC滤波，得到360V直流高压。MOSFET漏源极采用RC吸收电路，对变压器漏感产生的尖峰电压进行吸收。电压的反馈采用TL431和PC817结合的隔离采样方式，实现了前后级的电气隔离。电压反馈信号送入SG3525的比较端，与SG3525的内部三角波进行比较，可以得到占空比变化的PWM波形，实现对输出电压的闭环控制。

通过对主电路工作原理分析和参数计算，完成了硬件电路的设计，最后通过电力电子仿真软件SABER对电路进行仿真验证，可以在输入电压全范围内实现稳压输出360V，输出功率达到额定要求，电路性能稳定，响应速度快。

关键词：SG3525 推挽 DC/DC开关电源 SABER仿真

Abstract

The main purpose of this paper is based on a push-pull DC/DC SG3525 switching power supply, can be transformed into DC10~35V, DC360V, rated power reaches 500W. Can be used in high pressure and low pressure rotor device, especially suitable for low voltage inverter power input before voltage etc..

Through the comparative study, design the main topology of push-pull DC/DC switching power supply based on SG3525, the low voltage DC power stage through transformer step-up, output filtered bridge rectifier and LC, 360V DC high voltage. MOSFET drain source using RC snubber circuit, peak voltage of transformer leakage generated by absorption. Isolation by TL431 and PC817 combined with the feedback sampling voltage, electrical isolation between the before and after class. Comparison of terminal voltage feedback signal is sent to SG3525, compared with the internal triangular wave SG3525, can get the PWM duty cycle waveform changes, to achieve closed-loop control of output voltage.

Through the work of the main circuit principle analysis and parameter calculation, completed the hardware circuit design, the power electronic simulation software SABER to verify the circuit, the input voltage can achieve the full range output voltage 360V, output power reaches the rated circuit requirements, stable performance, fast response speed.

Key words：SG3525 push-pull DC/DC SABER simulation

目 录

第1章 绪 论 ······································································································· 1

1.1 课题研究的目的意义 ···················································································· 1 1.2 国内外研究现状 ·························································································· 1 1.3 论文研究内容 ····························································································· 2 第2章 课题设计要求及方案 ····················································································· 3

2.1 设计要求 ··································································································· 3 2.2 设计方案 ··································································································· 3 第3章 系统主要元器件介绍 ····················································································· 5

3.1 SG3525芯片介绍 ························································································· 5

3.1.1 引脚功能说明 ······················································································ 6 3.1.2 SG3525的工作原理················································································ 7 3.2 TL431工作原理介绍 ···················································································· 9 3.3 PC817性能介绍 ························································································ 11 3.4 高频变压器 ······························································································ 12 第4章 硬件电路设计 ····························································································· 14

4.1 推挽电路原理及设计 ·················································································· 14 4.2 SG3525控制电路设计················································································· 17 4.3 TL431和PC817反馈电路设计 ····································································· 18 4.4 高频变压器设计 ························································································ 19 第5章 saber仿真验证 ···························································································· 22

5.1 仿真软件介绍 ··························································································· 22 5.2 系统仿真电路图 ························································································ 23 5.3 仿真结果 ································································································· 23 第6章 结 论 ····································································································· 27 参考文献 ·············································································································· 28 致 谢 ················································································································· 29 附 录 ················································································································· 30

附录A 外文资料 ···························································································· 30 附录B 电路原理图 ························································································· 47

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的意义

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展[1]。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和开关器件（MOSFET、BJT等）构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间[2]。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义[3]。

1.2 国内外研究现状

自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化[4]。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、

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TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。[5]单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。

与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用[6]。

1.3 论文研究内容

本文旨在研究和设计一款基于SG3525的推挽式DC/DC开关电源，可以用于低压到高压的转换，特别是适用于低压输入的逆变电源的前级，比如车载逆变器和家用逆变器的前级升压。主要研究内容包括：

(1)提出设计参数要求，并设计系统的硬件电路方案和软件仿真验证方案。 (2)对系统中用到的主要原件进行说明和原理介绍。包括SG3525的电气参数介绍以及工作原理和结构特性；TL431构成反馈电路的工作原理介绍；PC817的主要性能介绍；高频变压器的工作原理。

(3)对系统的硬件电路进行分模块设计。包括推挽主电路的设计和推挽电路工作原理分析；SG3525控制电路的设计，以及SG3525的工作频率和死区时间的选定；TL431和PC817构成的反馈电路的参数设计；高频变压器的设计和制作。

(4)选择SABER仿真软件对系统进行建模仿真。并且对仿真得到的波形进行分析，判断电路设计的正确性和性能。

(5)对本设计进行总结，给出改进意见。

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第2章 课题设计要求及方案

2.1 设计要求

设计一个基于SG3525可调占空比的推挽式DC/DC开关电源，输入的电压为DC 10—35V，输入额定电压为12V，输出为360V，额定功率为500W。电路以SG3525为控制芯片，使电源工作性能稳定，电源效率高。给出系统的电路设计方法以及主要单元电路的参数计算，选择符合设计要求的元器件，最后用saber进行仿真。

2.2 设计方案

设计方案主要包括硬件设计和仿真分析两部分。其中硬件系统主要由SG3525控制电路、推挽电路、TL431和PC817反馈电路几部分组成。系统框图如图2-1所示。

+DC10~35V推挽电路360V-负载驱动信号SG3525控制电路TL431+PC817反馈电路

图2-1 系统框图

直流电压输入范围是10~35V，额定状态下为12V，作为推挽电路的直流供电。推挽电路将低压直流斩波成高频交流信号，再通过变压器耦合、升压，次级通过快速恢复二极管构成的整流桥整流，经过LC滤波器滤波后得到高压直流，给负载供电。TL431和PC817构成的反馈电路可以采集高压直流信号，并跟基准电压比较，通过补偿器的调节，再将反馈信号送入SG3525的比较端。SG3525控制电路把反馈电路送入的反馈电压信号与内部的三角波进行比较，就可以得到占空比变化的PWM波

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形，再将PWM波形送给推挽电路，来驱动开关管动作，最后使高压侧输出电压稳定在360V。

仿真分析作为电路设计前期的一种有效手段，可以帮助分析电路的可行性，减少后期设计中改版等问题，节省开发成本。

首先要对整个电路进行设计，前期工作就是查阅相关资料和芯片的数据手册，设计出有效的电路。然后选择一款合适的，仿真效果好的软件，并将设计好的电路图，用仿真软件中的仿真模型替换并建立仿真原理图。建立好仿真原理图后，还不能马上运行，必须对仿真原理图以及仿真软件的参数进行设置，包括仿真时间、仿真步长、仿真精度、收敛问题等进行合理设置，防止仿真过程中出现运算不收敛，导致仿真失败。参数设置好后就可以运行仿真软件，并等到计算完成，得出各个器件和网络的电压、电流等信息。选取需要分析的波形结果，分析电路的工作性能是否如设计的那样。如果出现结果不正确，或者效果不好的现象，那么必须修改电路，重新设计部分电路图，经过反复的修改和仿真调试，最终获得性能优良的最终电路图[7]。

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第3章 系统主要元器件介绍

3.1 SG3525芯片介绍

随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛地使用，为此美国硅通用半导体公司研发并推出了SG3525芯片，以用于方便地驱动N沟道功率MOSFET。SG3525是一款性能优良、功能齐全、使用广泛、并且通用性很强单片集成的PWM控制芯片，SG3525结构简单简单可靠并且使用起来方便灵活[8]。安森美、意法半导体、飞思卡尔、凌力尔特、美国硅通用等多家半导体大公司都有生产销售，其功能完备，然而外围电路的设计却很简单，极大地方便了电子工程师的电路设计复杂度，不同的外围电路设计可以完成不同的电路功能。芯片输出驱动为Pull-Push图腾柱推挽式结构，驱动能力强大，可以适应不同的开关管对驱动电流的要求；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，可以在电源启动过程和保护状态下有效地保护芯片和电路主要器件的安全使用。同时还具有过流保护功能，频率可调，并且可以通过控制延时电阻，完成死区时间的设计，由此控制了最大占空比，使电源工作更加安全可靠。其性能特点如下：

(1)正常工作电压具有很宽的范围，可以工作在8～35V。 (2)内部集成高精度基准电压源5.1 V±1.0％。 (3)工作频率范围宽，可以达到100Hz～400 kHz。 (4)具有振荡器外部同步功能。

(5)死区时间可以通过延时电阻进行配置。内部具有Pull-Push图腾柱推挽输出结构，具有大电流输出能力，可以驱动不同的晶体管和快速场效应管，输出或吸入电流最大值可达400mA。

(6)内部设置了工作电压欠压锁定电路。如果工作电压低于8V，则欠压锁定电路工作，内部输出将锁定，芯片损耗将减小，工作电流将低于2 mA。

(7)内部集成了软启动电路，软启动引脚内部连接有一个恒流源，可以为外部连接的电容充电，可以通过外部配置不同的电容值，设置不同的软启动时间。软启动过程占空比从0逐步增加到所设置的最大占空比。

(8)PWM调至电路在设计上采用了锁存器输出的方式，占空比的改变必须等到下一个时钟跳沿才能更新。可以在电源供电噪声大，输入信号有波动和噪声时，仍然能够可靠输出[9]。

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3.1.1 引脚功能说明

反相输入同相输入1161514 VrefVsB管E23 振荡器输出电流限制检测+电流限制检测- RT41312B管C56A管CA管E11109CT GND7 闭锁控制补偿8

图3-1 SG3525引脚图

(1)Inv.input(引脚1)：这是集成在芯片内部的误差放大器的反向输入端。在反馈电路的设计中，可以将反馈信号经过处理后送入这个引脚，可以构成一个负反馈闭环系统。也可以将该引脚和引脚9直接连接，构成一个电压跟随器，用于开环控制中作为一个电压跟随。

(2)Noninv.input(引脚2)：这是集成在芯片内部的误差放大器的反向输入端，配合引脚1构成一个反馈系统。可以接一个目标给定信号，通常情况下，该引脚会通过两个电阻将芯片内部的5.1V基准电压分压送入，作为一个给定信号，还可以通过一些外围电阻和电容构成一个反馈补偿网络。

(3)Sync(引脚3)：芯片提供的接入外部同步信号的引脚，在多机联机工作或者需要频率相位同步的情况下，可以将主机的频率信号送入从机的同步引脚，实现和外部主机的信号同步。

(4)OSC.Output(引脚4)：内部振荡器时钟输出引脚。 (5)CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。 (6)RT(引脚6)：振荡器定时电阻接入端。

(7)Discharge(引脚7)：内部振荡器放电端。该引脚可以与引脚5之间连接一个电阻，这样就能控制定时电容上的放电斜率，放电斜率可以控制PWM信号的死区时间，所以可以通过计算，合理地接入一个电阻，实现死区时间的设置。如果需要获得最大占空比调节范围，则将该引脚和引脚5短接。

(8)Soft-Start(引脚8)：用于控制软启动时间的引脚，外部接电容到地。 (9)Compensation(引脚9)：内部误差放大器的输出端，同时也是PWM比较器的

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一个输入端。该引脚可以和引脚1、引脚2构成不同的反馈调节器。

(10)Shutdown(引脚10)：芯片关断控制端，高电平有效。可以在与外部的保护电路输出或者控制器的控制信号相连，当输入高电平时，芯片的PWM比较器将被锁定输出，保护功率器件。

(11)Output A(引脚11)：PWM信号输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。

(12)Ground(引脚12)：信号地。

(13)Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。

(14)Output B(引脚14)：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 (15)Vcc(引脚15)：工作电压输入端。

(16)Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。

3.1.2 SG3525的工作原理

SG3525的内部结构图如图3-2所示。

图3-2 SG3525内部结构图

直流电源Vs通过工作电压输入端(引脚15)接入，一方面通过基准电压的稳压电

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路得到稳定的基准电压源；另一方面需要提供给整个芯片的工作电源。芯片工作频率跟外部接入的定时电阻、定时电容和放电电阻有关，频率的计算公式如下式(3-1)所示。

f?1 (3-1)

Ct(0.7Rt?3Rd)振荡器电路在CT上会产生锯齿波形，这个锯齿波形被送到PWM比较器的一个正向输入端，用于跟电压控制信号相比较，从而产生不同占空比的PWM信号。另一方面，这个锯齿波被送入时钟发生电路，产生跟锯齿波形同频率同相位的时钟波形。这个时钟信号用于触发器的时钟信号，以及锁存器的时钟信号，同时还作为PWM信号逻辑输出或非门的使能信号。触发器的两路输出信号是反相的，和锁存器信号、时钟信号共同作用于或非门，或非门的一正一反两路输出信号分别驱动推挽输出的上下管，就可以使AB两路PWM输出相位相差180度[10]。

SG3525内部的精密基准源是从输入工作电压通过稳压器稳压得到，经过矫正处理得到精度可达1.0%。通常情况都是用于作为误差放大器正向输入端的参考信号，一般会用两个精密电阻进行分压，也可以直接将基准电压引脚和误差放大器正向输入端相连，直接提供参考。SG3525同步功能，在多机联机工作或者需要频率相位同步的情况下使用，可以将主机的频率信号送入从机的同步引脚，实现和外部主机的信号同步。CT引脚和Discharge引脚之间的电阻可以控制定时电容上的放电斜率，放电斜率可以控制PWM信号的死区时间，所以可以通过计算，合理地接入一个电阻，实现死区时间的设置。如果需要获得最大占空比调节范围，则将该引脚和引脚5短接[11]。

SG3525的软启动功能利用的是恒流源对电容的充电，会使得电压线性增长，所以在软启动引脚(引脚8)上通常接一个若干μf的软启动电容。那么在芯片刚刚通电时，电容上的电压为0，SG3525内部的50uA恒流源会通过引脚向外部连接的电容充电，电容上的电压会线性增加到Vref。这个电压信号送入PWM比较器的另一个反向输出端，可以使PWM信号从0逐渐增大，直到增加到最高占空比[12]。

误差放大器在正常使用中，通常正向输入端接参考电压，反向输入端接反馈的电压信号，那么当输出电压增大，反馈电压信号也会增大，误差放大器的输出减小，那么和锯齿波比较后产生的PWM信号占空比有所下降，这样最后通过功率管的输出后，输出电压有所下降，能够保持输出电压的动态平衡，起到稳压输出的目的[13]。

Shutdown(引脚10)是外部控制芯片工作状态的引脚，内部是一个NPN晶体管控制PWM比较器的反向输出端口。当Shutdown引脚输入高电平时，内部晶体管就会导通，PWM比较器连接软启动电容的反向输入口上的电压就会被拉低，使得PWM输出信号关闭，软启动电容也被放电至0，等待下一次的重启软启动。由于内部使用的是晶体管，为了防止SG3525误关闭，Shutdown引脚不能悬空，必须要有可靠的高

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4.4 高频变压器设计

本设计中的高频变压器预设变压器效率η=0.9，开关频率fs=69kHz，最大占空比Dmax=0.48，输入电压10~35V，输出电压360V，额定功率500W。采用面积乘积AP法来设计变压器，采用如下步骤进行设计：

(1)计算变压器的视在功率PT

在电工技术中，将单口网络端钮电压和电流有效值的乘积，称为视在功率（apparent power），记为S=UI。由于网络中既存在电阻这样的耗能元件，又存在电感、电容这样的储能元件，所以，外电路必须提供其正常工作所需的功率，即平均功率或有功功率，同时应有一部分能量被贮存在电感、电容等元件中。这就是视在功率大于平均功率的原因。只有这样网络或设备才能正常工作。若按平均功率给网络提供电能是不能保证其正常工作的。因此，在实际中，通常是用额定电压和额定电流来设计和使用用电设备的，用视在功率来标示它的容量。

PT?PIN?POUT?POUT??POUT?500/0.9?500?1055W (4-7)

(2)初步暂定磁心材料为MXO-2000型，其饱和磁通密度Bs=0.4T，为防止出现磁饱和现象而损坏功率开关管，暂取磁通密度Bw=0.3T。确定磁心截面积AP，根据AP值选择磁心尺寸。公式如下

11?xAP?AeAw?PT-变压器的视在功率 Ae-磁心有效截面积 Aw-磁心窗口面积

PT10BwK0KfKjfs4 (4-8)

Ko-磁心窗口利用系数，典型值为0.4 Kf-波形系数，方波为4，正弦波为4.44 Bw-磁心的工作磁通密度 fs-开关工作频率

Kj-电流密度系数，取433A/cm2 X-磁芯结构系数 将数据带入公式得

AP=4.2253cm4

通过查找磁心的尺寸规格表可以看出，EE42型磁心AP=4.9484cm4大于上述计算

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值4.2253cm4，故选用EE42型磁心。其Ae=178mm2，Wa=258mm2。

(3)计算原副边电感量及匝数

①计算原边绕组匝数的公式如下（中心抽头至两端）

UI?104 (4-9) Np?KffsBwAe其中UImin=10V，代入数据计算可得到Np=1.5,取整2匝。 ②计算匝比n

DUn?(max)?I?1 (4-10)

391?DmaxU0 ③计算原边峰值电流Ip

设定电路工作在连续模式，根据输入电压的范围取Krp为0.6

Ip? ④计算原边电感Lp

连续模式：LP?2PIN?168.66A (4-11)

UIDmax(2?Krp)UI?Dmax IP1?IP2(1?Krp) (4-12)

f?(IP2?IP1)代入数据计算可得，Lp=40.38μH ⑤计算副边电感Ls

LS? ⑥计算副边匝数Ns Ns=Np/n=78匝 计算空气隙的长度

LP?61mH (4-13) n?n为了避免磁心饱和，需要在磁心的两个侧面各留出一定的气隙δ。δ计算公式如下

0.4??NP2Ae?10?8???0.022mm (4-14)

LP(4)根据电流密度和原副边有效值电流求线径 ①原边线径

原边有效电流 ： Irms?IP?Dmax计算线径 电流密度J取4A/mm2

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Krp23?Krp?1?33.72A (4-15)

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原边线径 ： DP?1.13?Irms?3.28mm (4-16) J为减小集肤效应的损耗，线径取直径0.45mm，54股绕制。 ②副边线径

DS?1.13?I0?0.52mm (4-17) J为减小集肤效应的损耗，线径取直径0.45mm，2股绕制。 最终设计出的总电路图见附录B。

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第5章 saber仿真验证

5.1 仿真软件介绍

Saber仿真软件是一款混合信号仿真软件，是由美国Synopsys公司研发，号称世界上最为先进的计算机仿真软件。其强大的功能，多领域，多应用平台的仿真能力，使之得到了各个应用领域设计工程师的认可。广泛应用于电力电子、机械自动化、光电信息、自动控制等领域，仿真精度高，分析信息全面，是一款不可多得的EDA软件。

其主要应用领域： (1)电源变换器设计

Saber最常见于电力电子仿真设计中，可以用于对DC/DC变换技术、DC/AC变换技术、AC/DC变换技术等，可以实现拓扑结构仿真验证，环路稳定性设计，磁性元件仿真分析等。还可以从仿真结果中得到电路各个部分的电流、电压、功率、温升等数据。

(2)伺服系统设计

Saber软件中集成了多种电机模型，同时还包括一些机械连接和液压模型等，可以方便地构成电机伺服系统。使用者可以在仿真电路中设计电机驱动、调速、控制环路等，方便地分析电机驱动等功率部件的工作状态，包括电压、电流、发热情况等，有效节约伺服系统调试成本和调试时间。

(3)电路仿真

和大多数EDA软件一样，Saber也具有模拟电路和数字电路等电路的仿真分析。Saber所提供的器件模型涵盖很广，模型可以自建和修改，方便设计者根据实际情况对器件参数进行修改，达到更加逼真的仿真效果。每个器件的参数完备，可以将模型尽可能模拟出真实器件的工作状态。

将我们设计好的电路图，用仿真软件中的仿真模型替换并建立仿真原理图。建立好仿真原理图后，还不能马上运行，必须对仿真原理图以及仿真软件的参数进行设置，包括仿真时间、仿真步长、仿真精度、收敛问题等进行合理设置，防止仿真过程中出现运算不收敛，导致仿真失败。参数设置好后就可以运行仿真软件，并等到计算完成，得出各个器件和网络的电压、电流等信息。选取我们需要分析的波形结果，分析电路的工作性能是否如设计的那样。

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5.2 系统仿真电路图

图5-1 SABER仿真平台原理图

如图5-1所示为SABER仿真平台下建立的原理图，图中为了方便仿真运行，用数控开关S1和S2代替开关管，输入电压用可编程的直流电源Vin，可以设定不同时间段输出不同电压值，这样可以在一次运行中模拟输入电压从10V到35V变化，观察电源的电源调整率和输出电压的稳定性和调节速度。控制SG3525输出频率的Rt和Ct分别为之前计算值2K、4.7nF，为了获得尽可能大的PWM占空比调节范围，将控制死区时间的Rd取最小，即为短路状态，这样可以得到最大的真空比调节范围。后级全桥整流所用的快速恢复二极管为FR307，具有1000的反向耐压和3A的工作电流能力，足够额定输出500W的工作要求。LC滤波器采用的是100uH的电感和10uF的电解电容。输出负载用电阻代替，由于要额定输出500W，输出电压稳压360V，所以输出负载电阻选为260欧。

5.3 仿真结果

设置好SABER软件的仿真参数，仿真时长为200ms，仿真步长为1us，仿真精度，可编程直流电源在0~100ms内输出10V，在100~200ms内输出35V，电压在100ms时突变。仿真结果如下图5-2、5-3、5-4、5-5所示。

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