基于SG3525芯片的大功率恒压/恒流LED电源研制

本文介绍了以SG3525为控制芯片、采用半桥变换的拓扑结构，输出为恒压/恒流12V/20A，负载输出小于0.6W时，为恒流工作模式，当负载大于0.6W时，其工作在恒压模式，电源在最大输出功率240W，且电流均匀可调、较宽输入电压范围、低输出纹波的大功率LED电源。

1、系统结构设计

本文设计的电源主要包含输入保护、EMI滤波电路、全桥整流电路、半桥式DC-DC变换电路、反馈电路和控制驱动电路部分等，其大体电路结构如图1所示。交流电压输入后，经过EMI滤除电源工作中所产生的电磁干扰，然后整流。经过对负载的电流、电压进行取样，由控制电路反馈到控制电路，最后通过改变两个MOSFET管占空比，实现精确的电流或电压控制。

图1  电源系统结构图

电源的主拓扑结构采用半桥式变换器如图1所示，它是在推挽变换器的基础上发展而来的，它包括两只功率开关管构成半桥、两个电容、高频变压器等组成。桥式电路将输入的直流电转换成高频方波交流，再经高频变压器降压及副边高频整流、滤波后输出直流，适用于输出功率较大的场合，属于隔离式变压器拓扑结构。

控制、驱动电路由专用的集成芯片SG3525及其外围电路构成PWM调制，该芯片调制范围为100～400kHz，当选取频率过低时输出波形脉动比较大，若是要求输出波形较好，频率应高于20kHz，频率过高则对开关管要求高，成本要高出很多，市场上开关频率一般为50～100kHz［1－4］，综合考虑下，本设计采用60kHz。

2、SG3525控制芯片介绍及设置

2.1、芯片结构及特性

SG3525的内部结构如图2所示，由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软起动电路和输出电路构成。

图2 芯片SG3525的内部结构

通过调节SG3525的5脚上的电容和6脚上的电阻改变输出控制信号PWM的频率；调节9脚COMP的电压可以改变输出脉宽，这些功能可以改善开关电源的动态性能和简化控制电路的设计。

2.2、芯片主要功能

（1）欠压锁定功能

当15管脚电压Vc小于8V时，由于设置了欠压锁定电路，欠压锁定器输出一个高电平信号，再经过或非门输出转化为一个低电平信号输出到T1和T5的基极，晶体管T1和T5关断，SG3525的13脚输出为Vc，11脚和14脚无控制输出，从而实现欠压锁定。

（2）系统的故障关闭功能

当系统过流时，过流保护电路将输送给10脚一个高电平，由于T3基极与两个或非门相连，故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。

（3）软起动功能

软启动功能主要是由T3、8管脚外接的电容C3和锁存器实现的。当出现欠压或者有过流故障时，欠压锁定器的高电平传到T3晶体管基极，T3导通为8引脚的外接电容C3提供放电的途径，C3经T3放电到零电压后，限制了比较器的PWM脉冲输出，使PWM比较器输出为高电平，PWM高电平经PWM锁存器输出至或非门仍为恒定的逻辑高电平，晶体管T1和T5关断，封锁输出。当故障消除后，欠压锁定器输出恢复为低电平正常值，T3截止，C3电容由50μA电流源缓慢充电，C3充电对PWM比较器和PWM锁存器的输出产生影响，同时对两个或非门的输出脉冲产生影响，其结果是使输出脉冲由窄缓慢变宽，只有C3充电结束后，脉冲宽度不受C3充电的影响。

（4）延时回路

在可逆变换器中，跨接在电源U1两端的上、下两个MOSFET管交替工作，由于管子有一定的时间关断。如果在此期间另一个功率场效应管已经导通，则将造成上下两管短路导通（直通）。为了避免直通，设置了由R、C电路构成的逻辑延时环节。保证两个管子导通间隔3μs。

2.3、SG3525外围电路

本文欲采用60kHz的脉冲，根据：

则设置CT=4700pF，RT=5.1kW，RD=100W。8管脚接的软启动电容取0.1μF，13管脚接0.1μF电容滤去输出电压尖峰，2管脚由16管脚提供的5.1V电压设置反馈的给定电压。3、4、12管脚直接接地。

3、Matlab仿真搭建

3.1、控制芯片的模拟

利用MATLAB/smiulink库中的RepeatingSequenceInterpolated模型产生三角波，模拟SG3525的振荡回路，芯片SG3525的外围电路设计如图3所示。脉冲发生器起脉冲波形分配的作用，设定输出波形的频率为30kHz，通过与非门配合把Relay所产生的60kHz脉冲波形进行分配，产生A、B输出端的脉冲波形［9］，芯片功能的模拟如图4所示。

图3  芯片SG3525的外围电路设计

图4  芯片功能的模拟

利用过流保护功能，在本系统中模拟过压保护功能，当Dish端的输入值大于12的时候，经过Relay1与逻辑非门的作用，产生一个低电平，从而封锁A、B端的输出。

3.2、电流/电压反馈控制的模拟

电压、电流反馈仿真如图5所示，设定恒流反馈的采样电阻为0.0036W，恒压反馈直接反馈负载两端电压。CC为恒流反馈，CV为恒压反馈。目标恒流为20A，则当检测恒流采样电压小于0.072V时，则反馈为恒压CV，同时检测的还有设定值检测，则此时反馈恒压12V的设定值。当检测到恒流采样电压不是0.072V时，则反馈为恒流CC，同时检测的还有设定值检测，则此时反馈为0.072V，即20A的设定值。

图5  电流/电压反馈控制选择的模拟

4、仿真验证

系统整体仿真如图6所示，仿真参数中输入电压为85～265V，仿真时间为4s，两个半桥电容值为470mF，变压器容量为500VA，变比为3∶1；电流采样电阻为0.0036W，全桥的滤波电容为11mF，输出滤波电容为4700mF。

图6  系统整体仿真

仿真结果如下：

（1）恒流下，220V输入电压，0.1W负载和0.6W负载，输出电流波形。

由图7、图8可知，当负载0.1W和0.6W都能够恒流在20A，且负载0.1W和0.6W超调量都很低分别是1%和2.5%以内，当负载是0.6W时纹波比0.1W时稍大为2%。

（2）恒压下，220V输入电压，1W负载和10W负载，输出电压波形。

由图9、图10可知，当负载大于0.6W时，电压可以稳定在12V，随着负载的增大纹波渐大，但在实际的电路中，如果对输出加入稳压管，对电压的稳定有帮助。

（3）220V输入电压，0.3W负载，当出现0.5s瞬时断电恢复后，输出波形。

当电源工作在恒流状态，模拟电网一般出现的瞬时断电0.5s，如图11可知，负载两端掉电时间为0.25s最小为18A恢复时间不到0.1s，满足要求。

（4）0.3W负载，85V和265V输入电压波形对比。

由图12、图13可知，当输入为265V时，响应时间大致为0.3s，输出纹波小于1.5%。当输入电压为85V时，输出纹波小于1%，但是响应时间较慢为1.7s，如果减小变压器的变比或提高半桥上的电容，则会让响应时间大为减小。

5、结论

本文概述了基于SG3525半桥电源系统的设计方案，对主电路做了简要介绍，对SG3525做了详细研究，在此基础上，利用MATLAB对系统做了细致的仿真验证。利用SG3525芯片作为该电源的控制芯片，具有精度高，外围电路简单，使电源的整个结构和成本大为简化和降低。