近年來(lái)，功率電子器件、PWM技術(shù)在電子技術(shù)方面及電源系統(tǒng)上的應(yīng)用越來(lái)越成熟。本文采用SG3525控制器設(shè)計(jì)電機(jī)剎車系統(tǒng)的脈沖電源，其是目前較為理想的一種電機(jī)剎車系統(tǒng)電源。該電路具有體積小、控制方便、系統(tǒng)穩(wěn)定、性能可靠等特點(diǎn)。

1 SG3525的結(jié)構(gòu)及主要性能

SG3525是電流控制型PWM脈寬調(diào)制控制器，其不僅可通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻大小的方式來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，還具有軟起動(dòng)方式和脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。通過(guò)調(diào)節(jié)SG3525第5腳上CT的電容和第6腳上RT的電阻，便可改變輸出控制信號(hào)PWM的頻率，調(diào)節(jié)第9腳COMP的電壓可改變輸出脈寬，通過(guò)以上功能可大幅改善開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能，并簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)。其外接電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且使用方便，輸出驅(qū)動(dòng)為拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力。內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、鎖存器。此外，其還具備過(guò)流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

13腳的輸出電壓Vc作為基準(zhǔn)電壓調(diào)整器15腳的輸入電壓。當(dāng)Vc>8 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的16腳輸出幅值為5.1 V、精度為+1%。當(dāng)Vc<8 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的輸出降低、精度也會(huì)下降。由于芯片內(nèi)部有欠壓鎖定器的存在，當(dāng)15引腳出現(xiàn)欠壓時(shí)，欠壓鎖定器輸出一個(gè)高電平。經(jīng)過(guò)一個(gè)或非門后變?yōu)橐粋€(gè)低電平輸入到T1和T5的基極，使T1和T5關(guān)斷，13腳輸出為Vc，11腳和14腳脈沖禁止。功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場(chǎng)效應(yīng)管的控制脈沖消失，變換器無(wú)電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)了欠壓鎖定保護(hù)的目的。

SG3525內(nèi)部的晶體管T3基極通過(guò)一個(gè)電阻與芯片的10腳相連，當(dāng)系統(tǒng)有過(guò)流信號(hào)時(shí)，輸出一個(gè)高電平經(jīng)過(guò)電阻與欠壓鎖定的輸出端的或非門相連，結(jié)果也導(dǎo)致11腳和14腳的輸出禁止，達(dá)到保護(hù)的目的。

芯片的軟啟動(dòng)功能主要是由8腳的外接電容C3和晶體管T3實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓時(shí)，系統(tǒng)的欠壓鎖定器輸出一個(gè)高電平到T3的基極，使T3導(dǎo)通，此時(shí)C3開(kāi)始放電。當(dāng)C3電壓放到為零時(shí)，PWM比較器輸出一個(gè)高電平，經(jīng)過(guò)PWM鎖存器后，此高電平接到兩個(gè)或非門，使T1和T5截止，11腳和14腳脈沖禁止。當(dāng)過(guò)壓信號(hào)正常時(shí)，欠壓鎖定器輸出的低電平使T3截止，C3緩慢充電。當(dāng)C3充電至高電平時(shí)，PWM比較器輸出低電平，經(jīng)PWM鎖存器后，使T1和T5恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SG3525芯片需要的供電電流較小，為十幾mA，所以其供電電源由24 V電源通過(guò)穩(wěn)壓芯片78M15由24 V轉(zhuǎn)為15 V供給。通過(guò)對(duì)5腳、6腳和7腳設(shè)置11腳和14腳的輸出頻率。產(chǎn)生的兩路方波信號(hào)分別控制兩個(gè)MOSFET管，接到脈沖變壓器的輸入兩端。脈沖變壓器的輸入端中間觸頭接由24 V轉(zhuǎn)化而來(lái)的15 V電源，脈沖變壓器的兩個(gè)輸出分別接兩個(gè)IGBT，從而對(duì)由380 V交流電壓經(jīng)整流橋整流后的540 V直流電壓進(jìn)行斬波，形成電機(jī)所需的額定電壓。電機(jī)得電后剎車系統(tǒng)松離，電機(jī)運(yùn)行;失電時(shí)呈抱死狀態(tài)，電機(jī)停止運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，系統(tǒng)以SG3525為主控制芯片，通過(guò)設(shè)置5腳、6腳和7腳的電阻和電容的參數(shù)，控制芯片的輸出方波頻率。11腳和14腳方波輸出頻率為3腳振蕩器鋸齒波的1/2。振蕩器輸出頻率為f，11腳和14輸出的頻率為f0

f=1/[CT(0.7RT+3RD)] (1)

fo=f/2 (2)

其中，CT，RT和RD分別為5腳外接電容C9，6腳外接電阻R20和5腳與7腳之間跨接的電阻R39?？紤]到IGBT的開(kāi)關(guān)損耗和脈沖變壓器的體積大小，選C9=2.4 nF，R20=10 kΩ，R39=100 Ω，可得到11腳和14腳的輸出頻f0=30 kHz。

電路的軟啟動(dòng)電容C10為4.7μF，只有當(dāng)此電容充電到控制芯片8腳為高電平時(shí)，芯片才能正常工作。11腳和14腳構(gòu)成推挽式輸出，兩個(gè)MOSFET管依次導(dǎo)通和截止。當(dāng)Q2門極為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，此時(shí)Q3截止。脈沖變壓器中問(wèn)觸頭15 V電源通過(guò)變壓器的上半部分和Q2形成回路。此時(shí)，脈沖變壓器的輸出端同名端5腳和1腳產(chǎn)生約15 V的電壓，此電壓通過(guò)濾波后可驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通;當(dāng)Q2門極為低電平時(shí)，Q2截止，此時(shí)Q3門極為高電平，Q3導(dǎo)通。脈沖變壓器的中間觸頭15 V電源通過(guò)脈沖變壓器下半部分和Q3形成回路。此時(shí)，脈沖變壓器輸出端6腳和2腳產(chǎn)生約15 V的電壓，此電壓加到IGBT的發(fā)射極上，使IGBT能夠可靠截止。

2.2 整流電路

系統(tǒng)整流電路如圖3所示，三相交流電經(jīng)EMI濾波電感濾波后，大幅減小了交流成分產(chǎn)生的電磁干擾，同時(shí)也防止產(chǎn)生了諧波干擾。在EMI輸出端接入一個(gè)小容量耐高壓的無(wú)感電容，消除高頻干擾。為了提高電容的容量和耐壓值，在整流橋輸出端接兩個(gè)并聯(lián)的耐高壓的大電容，C20和C27的容量要足夠大，以減小輸出電壓的紋波和低頻振蕩。但C20和C27不能無(wú)限大，為了達(dá)到系統(tǒng)輸出電壓紋波輸出要求，此電容應(yīng)滿足

式中，C為濾波電容，單位為F;f為整流電路脈沖頻率，單位Hz;U為整流電路最大輸出電壓，單位V;I為整流電路最大輸出電流，單位A。ACv為紋波系數(shù)，單位是%。

2.3 BUCK電路

電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)是在電機(jī)的尾部有一個(gè)電磁報(bào)剎系統(tǒng)，當(dāng)電磁報(bào)剎系統(tǒng)得電時(shí)，剎片分離，電機(jī)運(yùn)行;失電時(shí)，報(bào)剎片在彈簧的作用下使電機(jī)制動(dòng)。所選剎車的勵(lì)磁線圈的額定電壓為直流190 V，額定電流為0.55 A。而系統(tǒng)的電源為AC380V交流電，所以必須要經(jīng)過(guò)整流和降壓后，使輸出的電壓約為190 V直流電時(shí)，才能保證電機(jī)能正常運(yùn)行。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2中，斬波降壓電路選用的開(kāi)關(guān)管為IGBT，選用兩IGBT，提高了系統(tǒng)的可靠性。380 V交流電源通過(guò)三相硅橋整流為540 V直流電壓后接到IGBT的集電極，發(fā)射極接濾波電感和電容，門極接脈沖變壓器的輸出端，作為IGBT的驅(qū)動(dòng)。負(fù)載為直流電機(jī)的線圈，所選的直流電機(jī)的額定電壓為190 V，所以要求方波信號(hào)的占空比為

(1)濾波電感。在此設(shè)計(jì)中必須保證在任何情況下，電感電流連續(xù)，電流變化量△I越小，最小平均電流也越小，要求的電感量L越大。在一定的紋波電壓的要求下，輸出電容可以減小。在工程上，通常選擇△I=0.2L，電感大小需要滿足

(2)濾波電容。電感的紋波電流流入到輸出濾波電容，引起輸出電壓紋波。為減小輸出電壓的紋波和直流電壓的低頻振蕩，濾波電容的選擇尤為重要。輸出濾波電容與它的等效串聯(lián)電阻的乘積滿足CResr≥T/2，T為開(kāi)關(guān)周期，輸出紋波主要由Rers決定。若輸出電壓紋波峰峰值為△Upp，則電容大小需滿足C≥65×△I×10-6/Upp (6)

2.4 過(guò)流保護(hù)回路

系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)回路是通過(guò)在系統(tǒng)主回路上串接一個(gè)0.2Ω/2 W的高精電阻作為電流檢測(cè)，在此電阻的輸入端進(jìn)行采樣，將采樣信號(hào)輸入到線性光耦PC817(G1)中，PC817的輸出端接到SG3525的10腳上。當(dāng)系統(tǒng)電流過(guò)大時(shí)，光耦PC817發(fā)光二極管導(dǎo)通，輸出一個(gè)高電平到SG3525的10腳禁止11腳和14的方波輸出，使脈沖變壓器和IGBT都停止工作。電機(jī)負(fù)載線圈失電，剎片在彈簧的作用下將電機(jī)轉(zhuǎn)子抱死，從而達(dá)到了保護(hù)的目的。設(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)回路，省略了電流檢測(cè)元件和電流互感器，大幅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的強(qiáng)電和弱電部分進(jìn)行隔離，較好地防止了強(qiáng)弱電之間的干擾，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

2.5 穩(wěn)壓輸出回路

系統(tǒng)的穩(wěn)壓回路是在負(fù)載線圈的兩端進(jìn)行采樣，如圖2所示。采樣信號(hào)輸入到光耦PC817(G2)中，輸出則通過(guò)分壓電路，得到一個(gè)與SG3525參考端相等的電壓信號(hào)，輸入到SG3525的同相輸入端。當(dāng)負(fù)載電壓變大時(shí)，光耦發(fā)光二極管的亮度增強(qiáng)，光耦導(dǎo)通，傳輸?shù)捷敵龆说碾娏骶€性增大。輸出端采樣點(diǎn)的電壓信號(hào)隨著光耦的增大而減小，SG3525內(nèi)部電壓比較器的同相輸入端電壓減小，輸出低電平，控制PWM的占空比，使11腳和14腳的輸出方波的占空比減小，負(fù)載線圈的平均電壓減小，形成負(fù)反饋，使負(fù)載線圈兩端電壓回到額定值。

3 仿真結(jié)果

在仿真軟件Saber上搭建仿真電路，輸入電壓為三相AC380 V+5%，輸出電壓為DC190 V，輸出電流0.55 A，輸出功率額定功率為105 W，開(kāi)關(guān)頻率為30 kHz。SG3525的11腳和14腳仿真波形如圖4所示，11腳和14腳輸出的方波相位差為180°。此兩路輸出直接驅(qū)動(dòng)MOS管，再通過(guò)脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)IGBT，仿真輸出波形如圖5所示，系統(tǒng)的輸出電壓在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后基本在190 V趨于穩(wěn)定，電壓波動(dòng)較小。在實(shí)際測(cè)量電機(jī)正常運(yùn)行給剎車系統(tǒng)線圈電壓時(shí)，其電機(jī)正常工作電壓在150～280 V，所以此電壓波動(dòng)可忽略，達(dá)到了預(yù)期效果。

同時(shí)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)PCB時(shí)，由于此系統(tǒng)涉及到380 V的交流電和系統(tǒng)主控芯片的電源系統(tǒng)，而系統(tǒng)的控制信號(hào)部分均為弱電，所以在進(jìn)行PCB布局時(shí)，必須要考慮強(qiáng)電和弱電之間的干擾，盡量將強(qiáng)電電源部分布局在PCB板的一側(cè)，弱電在另一側(cè)，中間可通過(guò)在板上打孔或開(kāi)槽以減小強(qiáng)弱電之間的于擾。在采樣部分，光耦PC817既作信號(hào)的傳遞又作隔離，其布局在強(qiáng)弱電的分界的位置。布線時(shí)，電源線和地線盡量加寬，中間還涉及模擬地和數(shù)字地，此兩者也需分開(kāi)布線。主控信號(hào)的走線也應(yīng)適量加寬，以保證信號(hào)準(zhǔn)確傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種基于SG3525控制器的推挽式電機(jī)剎車系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)推挽式的電路設(shè)計(jì)，不僅克服了外圍硬件驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的問(wèn)題，還有效提高了系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性能良好，且輸出穩(wěn)定。此外，其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在印制電路板上的布局和布線方便，因此具有較高地實(shí)用潛力。