基于SG3525和M57963AL芯片设计低压大电流开关电源控制电路

刘谦

摘要：起动机是飞机发动机上重要的起动装置，在实际维修中为了测试它的性能通常采用蓄电池或可控硅整流电源才能满足数百安的电源输出要求，前者由于调压困难操作不便已基本淘汰，后者由于电源柜体巨大价格昂贵逐渐被以IGBT为核心的开关电源所取代，本文基于SG3525和M57963AL芯片设计了一套用于低压大电流开关电源控制用的电路，成功用于一台起动机测试用电源，现将控制电路、驱动电路、显示电路、保护电和辅助电路的设计做一个介绍。

Abstract： The starter is an important starting device on the aircraft engine. In actual maintenance， in order to test its performance， the Storage battery or SCR rectifier power supply rectifier power supply is usually used to meet the power output requirements of hundreds of amperes. The former has been basically eliminated due to the difficulty of voltage regulation and the inconvenience of operation. The latter is gradually replaced by a switching power supply with IGBT as the core due to the huge and expensive power supply cabinet. Based on the SG3525 and M57963AL chips， a set of circuits for low-voltage and high-current switching power supply control is designed in this paper， and it is successfully used in a starter test. With the power supply， the design of the control circuit， drive circuit， display circuit， protection circuit and auxiliary circuit will now be introduced.

关键词：开关电源;SG3525;M57963AL;控制电路

Key words： switching power;SG3525;M57963AL;control circuit

中图分类号：TN47                ;                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0123-03

0  引言

随着功率器技术、软件开关技术的发展，开关电源已经应用到生活的各个方面。开关电源从电路结构上主要由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源组成，在实际设计中，由于工作需求的不同，在低压大电流拓扑结构中我们会采取不同主结构方式，本文涉及的开关电源由于主要应用于起动电机测试，对输出电压的精度要求不高，为此我们采取了正激电路结构作为主电路结构，负责处理电能的转换，而控制电路主要处理各种取样信号，通过对比标准设定进而控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定的电压值，同时通过保护电路设计，为系统提供过压、过流等保护，电源的精度、纹波、输出特性等指标均与控制电路的设计相关。由于SG3525芯片和M57963AL芯片功能强大，周边电路丰富，以此两芯片为基础设计了控制电路和驱动电路等。现在就主要针对控制电路作一设计说明。

1  主控制电路的设计

SG3525的脉冲宽度调制芯片是一款由国半导体公司研发和生产，具有各种必需的功能和通用性的芯片，由于其优异的性能在开关电源领域得到普遍的应用，其主要的组成结构包括振荡器、PWM比较器、误差放大器等，其内部组成框图、引脚功能、芯片功能、主控芯片内部工作原理在此就不再赘述。

在主控制电路设计过程中，对各种可能会对电路造成损害的故障情况都进行了充分的考虑，并充分利用了芯片中的电路保护功能，降低各种突发情况对电路的损坏。

如图1所示，为应用SG3525芯片设计完成的控制电路的原理图，通过其关断控制功能避免了逆变器电源出现故障时给电路带来的损害。电源的输入输出电压、电流信号经分压、滤波及缩放后与各自的保护限值比较，通过最终的输出信号来控制芯片的运行情况;如果电源出现工作故障等突發情况时，会依次造成比较器的电平值以及芯片的引脚8输出水平的降低，从而启动前路的保护功能，停止脉冲的输出，避免电源故障给电路带来进一步的破坏。

其控制电路的产生PWM脉冲信号的基本工作原理是：首先将电路反馈的电源电压值或者电流值与预先设定好的理论值相比确定两者之间存在的偏差，对该信号进行PI调节之后将其传输至放大器的正引脚2进行处理，之后在引脚9输出结果并与附加的锯齿波进行对比，最终生成PWM脉冲信号[1]。

2  驱动电路设计

M57963AL驱动芯片是一款日本三菱公司研发和生产的M57963AL驱动芯片，它不仅实现了输入与输出信号之间的光电隔离，同时还具备短路保护功能以及较高的驱动效率，是一种驱动电路设计中较为理想的驱动芯片，由于该芯片相关资料较多，其内部结构图、引脚功能、芯片参数及其芯片特点在此也就不再赘述。

作为飞机起动电机的测试设备电源，起动电机测试用电源需0～24V可调，功率应不低于4.2kW，输出电流应不低于430A，经过开关管IGBT的计算在考虑实际损耗以及转换效率的情况下，我们采用了比亚迪公司的BG100B12LY，该开关管可以实现大功率开关控制，能够满足在低压条件下大电流的输出。驱动电路的设计情况见图2，其中设置了2个IGBT，并且为其分别配置了一台驱动器，保证其工作效率和电路的可靠性。

如图2所示，本次电路设计方案中采用了M57962AL驱动芯片，电路当中配置了两个电源进行供电，其电压分别为+15V和-9V。其中-9V电压起到关断电压的作用，通过其能够有效消除电路中的其他干扰，保证关断功能的顺利实现，为电路的正常工作提供可有力的保障。其中R3的值可以在IGBT开关损耗与尖峰电压值之间起到良好的融合和调节作用，适当降低其取值能够降低开关运行的时间并进一步减小其损耗，适当增大其取值则能够有效减小尖峰电压值;但是当R3取值过大或者过小时都会对电路的正常工作造成影响，极大地提高开关的损耗值以及电路中的尖峰电压。经过论证，本次R3取值为2，既能够起到调节作用，又不会对电路造成损害。

正常状态下，芯片管脚5的输出电平会随着管脚13、14输入的变化而进行相应的变化;当输出电平较高时，电路会实现开功能，此时仅有Q1导通，IGBT的供电电压为+15V;而当输出电平较低时，电路会实现关功能，此时仅有Q2导通，IGBT的供电电压为-9V。

当电路发生短路时可通过管脚1来检测电路中通过的电流值，其发送的较高电流检测信号会提升IGBT的集电极电压，当达到或者超过15V的限值时会启动芯片的保护功能，降低管脚8、5的输出电平，此时仅有Q2导通，从而实现IGBT的关断。为了缩短短路保护功能的单次持续时间，在电路设计中为管脚2配置了电容C1，并通过其连接至+15V电源;短路保护功能的单次持续时间与其电容大小成正比，在该装置的作用下，短路保护启动后1～2ms后会停止保护功能并进行新一次的短路检测，并视检测结果来决定是否恢复驱动芯片的正常工作。当电路短路故障长时间存在时管脚8会向IGBT发送周期为1～2ms的连续脉冲信号，本次设计中在两者之间设置了光耦U1进行了光电隔离，从而有效提高了电路的安全性。本次采用的驱动芯片具有相对简单的周边电路，同时还具有短路保护的功能，能够有效降低甚至避免IGBT由于电路短路故障等情况带来的损害，从而在很大程度上提高了系统的可靠性。

3  显示电路设计

为了便于输出电压和输出电流的读取，设计当中在开关电源箱体部门设置了相应的显示模块，这样在实际操作过程中可以直接从箱体上观察到开关电源的实际输出电流和电压值。其显示电路板电路图如图3所示。

图3右上方所示，这是数字显示表的辅助电源，将220AC通过变压器降为5V的交流电后，通过17，19（18，20）接线端口经桥式整流电路D4（D5）整流，整流后得到一个电压波动很大的直流电源，在其后加入104的小电容与470uF的电解电容进行纹波滤波，同时为了得到稳定的需要的数显电表电压源，接入三端稳压电源（直接整流出的直流电源由于会随着负载变化产生电压变化，所以不能作为稳压电源直接驱动负载。）其中C2，C3为显示辅助电源的滤波电容。图的右下方，从电流分配器到的电流信号和输出端得到的电压信号经C9，C10滤波电容后接到数显表上，数显表就可显示出当前的电压、电流数值;图的左上方为当设备检测到故障信号或过热信号时，会将1，2端置为低电平，供电段12与1（2）脚端形成压差，二极管D1、D2指示灯点亮。正常情况下1，2端为高电平信号，指示灯灭;当4脚接入电源后，在4，5两脚间形成回路，工作指示灯亮;稳压，稳流输出切换通过联动开关S1实现，调节可变电阻R1改变基准电压，实现电压调节，S2为电源启动开关。

4  保護电路设计

4.1 过压欠压保护电路设计  根据其工作原理，开关电源的输出电压值会在开始工作的极短时间内从0V提升至最大电压值，同时电路中的电流也会相应的急速升高;如果没有设置相应的防护装置，瞬间产生的强大电流会对其中IGBT开关管造成加大的损伤甚至破坏，因此需要对开关电源采取降压启动或窄脉冲启动等措施。本设计的保护电路主要采用两个LM393组成且与SG3525芯片的10管脚相连，将输入电压与参考电压进行比较，当输入电压出现过压或欠压时会时SG3525芯片的10管脚直接拉低从而对电路起到保护作用。另外，在芯片的反相端即软启动控制端上连接了一个电容值为100pF的电容，该电容内部为5V基准参考电压且50uA恒流源，在软启动过程中其内部的恒流源给外部电容充电，因此可以实现窄脉冲启动，从而对电路进行保护作用。

4.2 过流保护设计  本次控制电路中的过流保护电路;其基本原理和实现过程为：首先通过在电路中的电压输出接口处串联一个精密电阻，其具体的参数为0.33Ω/5W，并通过其来检测电路中通过的电流;然后再将其检测结果传输至线性光耦PC817处，并将其与预先设置好的控制值进行比较，如果检测值过大则能够使其中的发光二极管工作并输出高电平信号到与之相连接的脚10，通过其他元件的工作停止PWM脉冲的输出和变压器的工作，避免电路受到损害。

5  辅助电源设计

开关电源的正常工作需要为主控电路、IGBT开关器件以及其他的外围电路提供相应的直流电压。本次设计的主控芯片SG3525工作需要+12V工作电压，且外围电路需要对应的-12V电压作为参考电压，因此在主控电路上通过变压器转换成需要的两路电压。输入电源在经过桥式电路、电容、电感整流滤波后，送入到正极性三端稳压器MC7812和负极性三端稳压器MC7912，输出分别为+12V和-12V两路电压，输出电流为1A，从而维主控电路正常工作。另外，本次选取的开关器件IGBT导通电压为+9V的正向栅极驱动电压，且本次设计共使用了两个IGBT开关器件，因此在开关器件驱动电源上选择两路电压输出，相应的交流电压经过全桥整流和滤波电容后进入三端稳压芯片7809后得到+9V电压。

6  总结

控制电路关系着开关电源运行的可靠性，因此，在对相关控制电路设计时需要了解并掌握相关的芯片知识，才能对控制电路进行合理有效的设计，使开关电源能安全高效地进行工作。本文对主控制电路和IGBT驱动电路在吸收了前人经验的基础上设计了新的方案，同时对显示电路、保护电路、辅助电源进行了设计，经过实践验证，电源设备满足了起动机的测试需求。

参考文献：

[1]鲍怡伶，张浩然，赵阳.Boost PFC电路辐射EMI分析与抑制研究[J].南京师范大学学报（工程技术版），2019，19（04）：75-80.

[2]屈盼让，范新明，蔡晓乐，孙少华.基于微控制器的可在线编程步进电机控制器设计[J].航空计算技术，2021，51（03）：93-97.

[3]岳鹏.大功率开关电源主电路研究[D].华南理工大学，2010.

[4]树斌，马斌.关于基站直流负载供电远程智能控制方案的探讨[C].中国通信学会通信电源委员会.2020年中国通信能源会议论文集.中国通信学会通信电源委员会：中国通信学会，2020：85-87.