基于PWM控制器KA7500B的开关电源的设计

http://www.paper.edu.cn -1- 基于 PWM 控制器 KA7500B 的开关电源的MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713877717906_1 张军涛，尹斌，向东 河海大学电气工程学院，南京（210098） E-mail：zjt01051129@126.com 摘 要：本文设计了一款开关电源，对电源的结构和主要电路作了详细的讨论。本电源设计 采用半桥变换器，其脉宽调制波产生芯片选用的是 KA7500B。该电源具有过压，过流保护， 短路保护等功能，其运行稳定，可作为测量接地电阻仪器供电电源。 关键词：KA7500B，半桥变换器，开关电源 1. 引言 在半桥主电路中，对开关管的耐压要求不高，变压器的利用率高，且没有偏磁问题[1] [2] [5]。所以，半桥变换器在中等功率场合应用广泛。本文介绍的是基于 PWM 控制器 KA7500B 的半桥变换器的设计。 2. KA7500B 芯片简介 KA7500B 是由三星公司生产的电压型 PWM 控制器。该芯片含有 5V 电压基准电路（精 度 %1± ），两个误差放大器，一个双稳态多谐振荡器，一个死区比较器，一个振荡器。该 芯片工作频率范围：1KHZ 至 300KHZ。其内部结构图（图 1）如下： 图 1 KA7500B 芯片内部结构图 1 脚和 16 脚分别是误差放大器 1 和误差放大器 2 的同相输入端，2 脚和 15 脚分别是误 差放大器 1 和误差放大器 2 的反相输入端。3 脚是误差放大器 1 和误差放大器 2 公共输出端。 4 脚是死区控制端，电位高时 8 脚和 11 脚输出脉冲被封锁，电位为零时 8 脚和 11 脚正常输 出脉冲。5 脚和 6 脚分别外接内部振荡器的时基电阻 R T 和电容 C T 。7 脚是接地端。8 脚和 11 脚是 PWM 脉冲输出端。12 脚是芯片工作电压输入端。13 脚是输出控制端。14 脚是 5V 基准电压输出端。 http://www.paper.edu.cn -2- 3. 开关电源系统设计 本文采用KA7500B为控制芯片设计了一款220V输入，12V35A输出的半桥型开关电源。 其技术要求如下： 输入电压：交流 220±10%V，50Hz 。 输出电压：额定直流 12V 。 输出电流：最大 35A。 输出文波系数：≤0.5% 开关频率 sf ：30KHz 该半桥型开关电源系统框图如图 2 所示，输入端为工频交流电压，输出为直流电压。 图 2 半桥型开关电源系统框图 3.1 半桥变换器主电路设计 图 3 半桥变换器主电路图 半桥变换器主电路图如图 3 所示。启动电路由 R1、C8、C11、T2 原边绕组、T1 启动绕 组（1，2 绕组）、R5 和 R7 构成或由 R8、R10、R1、C8、C11、T2 原边绕组和 T1 启动绕组 http://www.paper.edu.cn -3- （1，2 绕组）构成。当直流工作电压 inU 加在主电路输入端，由于 A 和 B 两处的工作电压 事实上总有偏差，假如 BA UU < 此时电流由 B 点流向 A 点，T1 的启动绕组（1，2 绕组） 产生感应电压，T1 中一副边绕组产生感应电压驱动功率管 Q2 导通。此时 in21 U 加在 T2 原 边绕组上，T2 副边一路绕组输出 V2。V2 为控制芯片 KA7500B 提供可靠的工作电压，控制 芯片 KA7500B 开始工作，8 脚和 11 脚输出驱动脉冲（相位相差 180 度），此时驱动变压器 T1 输出驱动脉冲驱动开关管 Q1 和 Q2 交替导通，在变压器 T2 的初级形成幅值为 in21 U 的交 流方波电压，变压器 T2 二次侧整流输出平均电压为 oU 。通过调节开关管的占空比, 就能改 变输出平均电压 oU 。Q1、Q2 断态时承受的峰值电压均为 inU ，由于电容 C11 的隔直作用， 半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自 动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题。 由 R3、C10 构成主变压器 T2 原边吸收回路，用于吸收变压器漏感产生的电压尖峰。 3.1.1 高频功率变压器 T2 主绕组的设计 功率变压器作为能量传递、电压变换和实现隔离的部件，在开关电源的设计中占有相当 重要的地位。它的性能的优劣不仅影响功率变换器的性能指标，而且也会影响电路工作的可 靠性。 (1) 变压器匝比的计算 电压比计算的原则是电路在最大占空比和最低输入电压的条件下，输出电压能达到要求 的上限，公式如下[2]： UU DU 2 1N omax maximin Δ+∗≤ 式中 UΔ 为电路中的压降。 取 238V2.1%)101(220Uimin =×−×= ， UΔ =2.5V， maxD =0.8，在输出电压 12V 的 情况下代入上式得出变压器匝比为 N=6.56，取 N=6.5。 （2）选取铁心 选取材料为 PC40 磁芯，假设 2400 cm AJ = ,窗口填充系数为 0.4 用 AP 法选取磁芯尺 寸[3]： AAAP 3 4 we ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ== T O BfK P 4cm = 7.2357 4cm ＜ 7.9875 4cm 其中 OP =450W 输出功率（W）, BΔ =0.2T, Tf =30KHz , K =0.017, 2400 cmAJ = ,窗口 填充系数为 0.4，选取磁芯规格为 ETD49。查 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 资料得到 Ap=7.9875 4cm ，Aw=375.00 2mm ，Ae =213．00 2mm 。 （3）变压器初、次级匝数 为了保证在任何条件下磁芯不饱和，设计时应按照最大伏－秒面积计算匝数。因为电路 中电压的波形都是方波，所以最大伏－秒面积的计算可以简化为电压和脉冲宽度的乘积。 http://www.paper.edu.cn -4- 副边 e SO BA TU N Δ= 22 =5 匝，副边取 6 匝。 原边 21 NNN ∗= =32.5 匝，原边取 39 匝。 （4）确定绕组的导线线径和导线股数 在选用绕组的导线线径，要考虑导线的集肤效应。为了更有效的利用导线，减小集肤效 应的影响，一般要求导线线径小于两倍穿透深度△，即应选用线径 r 小于 2△＝0.50mm 的 铜导线，选用线径为 0.41mm 漆包线。 =∗= 4 41.0142.3 2 wS 0.1320 mm 2 原边最大电流： == (min) (max) (max) 2 intr O p U P I η 4.74A 原边线径股数： =∗= w p p SJ I WN (max) 8.9 股 副边电流最大有效值： == 2 (max) sec(max) OII 24.75A 副边股数： =∗= wSJ I WN sec(max)sec 47 股 由于考虑磁芯尺寸限制，冷却方式以及该变换器应用场合，可将原边和副边股数分别改 为 7 股和 37 股。为了减小漏感以及邻近效应，这里采用三明治绕法。 3.1.2 辅助绕组设计 （1）提供芯片工作电压 V2 绕组设计： 为了保证芯片正常工作，选取 6' =N 。经计算 V2 V1.19min = ，V2 V4.23max = ，在 芯片工作范围内。 5.4'13 == N NN 匝，取 6.5 匝。导线线径取为 0.41mm，股数取为 1 股。 （2）提供风扇供电绕组设计： 风扇工作额定电压为 12V，取 7'' =N 。匝数为 4''14 ≈= N NN 匝。导线线径取为 0.41mm，股数取为 1 股。 3.1.3 器件选择 （1）功率开关管器件选择 在允许过载 5A 的情况下,最大原边电流为： A N Ii oP 15.65.6 40maxmax === 功率管承受最大电压为： VUV inCE 340%)101(2204.1 maxmax =+××== 选用 2SC3320 作为主功率开关管，它的得主要参数为 AIC 15= ， VVCE 400 max = 。 （2）副边整流二极管选择 http://www.paper.edu.cn -5- 整流二极管反向承受电压 ： V N UV iDR 6.445.6 290max max === 流过二极管的最大峰值电流： AIII oD 44402.02 140 2 1 maxmax =××+=Δ+= ∧∧ 选用 S60SC6M 作副边整流二极管，它的主要参数为最大反向耐压值 60V，平均通态电 流为 60A。 （3）输出电感设计 一般的工程设计中，要求输出滤波电感电流的最大脉动量 I△ max 为最大输出电流的 20%，即在输出满载电流 10%的条件下，输出滤波电感电流保持连续，等效为 BUCK 电路 后，副边工作频率为 2 sf ，根据 BUCK 电路的电感电流连续条件可得： 2 L U-2NU 7A max o(max)minin s f TD）（= 即： HD fA UNU L s oin f μ01.2127 2 max (max)(min) =× −= 8.0max =D fL 的电流最大值为 AIII oLf 5.382 1 max(max)(max) =Δ+= 最大有效值为 =(max)LfI 35 A 为了留有一定裕量，取 30=fL uH ,这样满足纹波要求的情况下，可以减小输出滤波 电容容量，降低成本。 （4）隔直电容选择 F2.21 = )()1.0(4 10 222 6 11 μπ fSPs LNNfC ××= fL 是输出滤波电感，单位是 Hμ 。 选用容量为 Fμ25.2 电容 V DT C i t C I V spCC 2.81411 max 11 11 =×=Δ= < V U in 29%20 2 )max( =× 满足要求 选耐压值为 630V CBB225 为隔直电容。 （5）输出电容设计 电容的选取主要考虑电源的纹波要求，一般的设计是根据纹波的计算公式进行设计，但 是实际的电容是存在串联的直流等效电阻 ESR，所以通常按计算公式设计的电容量都不能 满足纹波要求。 工程设计中，一般的输出电压脉动电压计算公式为[1] [4]： LIΔ•=Δ ESRUO http://www.paper.edu.cn -6- 其中 ΔIL=7A， mVU O 60<Δ ，可计算的要求 ESR<0.009Ω可满足设计要求， 这里选 用两个容量为 4700uF ，耐压值为 16V 的电解电容并联。 3.2 控制电路设计 3.2.1 PWM 的产生 PWM 驱动脉冲波形由 KA7500B 产生，它是一种电压型开关电压集成控制器。内置线 性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部电阻 tR 和外部电容 tC 尽心调节。晶振频率可由公式 估算如下： tt OSC CR f 1.1≈ 输出脉冲的宽度是通过电容 tC 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较 来实现。一路送至死区时间比较器,一路送往误差放大器的输入端。内部的功率输出管受控 于或非门。当双稳态触发器的时钟信号为低电平时才会被选通,即只有在锯齿波电压大于控 制信号期间才会被选通。 如图4所示,调制波频率由C9 、R10 确定, oscf ≈60kHz 。输出脉宽调制信号由引脚8 、 11 给出,先送出到 QA 、QB，再送到驱动变压器，以便驱动开关管工作 。 图 4 PWM 产生电路图 http://www.paper.edu.cn -7- 8 脚和 11 脚产生 PWM 波形如下： 图 5 PWM 波形 3.2.2 电压环设计 电压控制电路通过对电压输出 V1 进行采样，与误差放大器 1 反相端电压比较改变驱动 波形的宽度，从而达到改变输出电压以实现对输出的控制。电路图如下： 图 6 电压环控制电路图 3.2.3 限电流环设计 电流控制电路通过对输出电流值进行采样，与误差放大器 2 同相端电压比较改变驱动波 形的宽度，从而实现限流控制。电路图如下： http://www.paper.edu.cn -8- 图 7 电流压环控制电路图 3.2.4 过压保护电路设计 由图 4 可知，保护电路由 R11 和稳压管 ZD1 组成。当 V2 值大于 ZD1 稳压值时， KA7500B 芯片引脚 4 电压值升高，将封锁 PWM 输出。 3.2.5 短路保护电路设计 输出发生短路后，V1 为零，Q3 关断。D6 导通，R9 输出 3.2V，即 KA7500B 芯片引脚 4 电压 3.2V，PWM 输出被封锁。 图 8 短路保护电路 3.3 驱动电路设计 3.3.1 驱动变压器 T1 设计 （1）驱动绕组设计： 为了满足驱动功率要求，磁芯材料选取为 PC40，规格选为 EI22。计算方法前面类似， 原边取 9 匝，选线径为 0.31mm，股数为 1 股漆包线。副边取 30 匝，边线径为 0.41mm，股 数为 1 股漆包线。驱动变压器 (绕组 2 和 3, 绕组 4 和 5）产生驱动波形如下： http://www.paper.edu.cn -9- 图 9 驱动变压器驱动波形 （2）启动绕组设计： 由于 A 与 B 两点的电压差最小为 20V，为了产生足够的启动电压，匝数取为 2 匝，由 于启动绕组串入主回路中，导线采用 5 股线径为 0.41mm 漆包线。 4. 实验结果 基于以上的设计和电路实现，我们制作出了样机。电流工作范围为 0 至 35A。输出纹波 也在要求范围内。短路保护，过压保护，限流等功能都得以实现，通过实验测试，满足应用 场合要求。 A,B 两点波形（变压器原边）如图 10： 图 10 AI O 30= 时 A 和 B 两点波形 从波形中可以看出，由于主变压器原边漏感的存在，开关管关断时， ABU 出现一段反 向电压即复位电压，复位电压值随负载增大而增大，理论上干电压值被篏位在 inU2 1 ，但在 实际电路中由于开关管的反并二极管存在反向恢复电压，所以复位电压值随负载增大会大于 inU2 1 。漏感带来另一个弊端是占空比丢失。为了减小复位电压的持续时间和占空比丢失， 尽量减小漏感。 5. 结束语 本文采用 KA7500B 构成了一款 450W 的半板桥变换器，并给出了各种功能的实现电路。 该变换器在实际工作中性能稳定，安全可靠，在实际应用中得到检验。 http://www.paper.edu.cn -10- 参考文献 [1]阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社，2000 [2]杨旭，裴云庆，王兆安．开关电源技术．北京：机械工业出版社，2004 [3]赵修克，开关电源中的磁性元件．南京：南京航天航空大学自动化学院，2004 [4]张占松，蔡宣三．开关电源原理与设计．北京：电子工业出版社，2001 [5]刘胜利．现代高频开关电源实用技术．北京：电子工业出版社，2001 Design of Switching Power Supply Based on Switch-Mode Controller KA7500B Zhang Wentao，Yin Bin，Xiang Dong College of Eletrical Engineering HoHai University （210098） Abstract This paper introduces a kind of the design of switching power supply ,the structure of the main circuit and the control circuit are discussed and analyzed in detail．The power supply use half-bridge converter , the PWM controller is KA7500B．It provides functions of over-voltage, over-current and short circuit protection．The power works stably in practice and it can supply power for earth-resistance measuring instrument ． Key words：KA7500B, Half-Bridge Mode Converter, Switching Power Supply 作者简介: 张军涛，男，河海大学电气工程学院硕士，主要研究方向为电力电子技术； 尹斌，男，河海大学电气工程学院副教授，研究生导师，主要研究方向为电力电子技术和计 算机测控技术； 向东，男，河海大学电气工程学院硕士，主要研究方向为电力电子技术。