基于SG3525的小型化钛泵高压电源的研制

冯清贤，陈根余，卓 沛

（西南电子设备研究所，四川成都610036）

0 引 言

速调管是发射机系统的重要组成部分，其稳定可靠工作的前提是要求管内必须达到一定的真空度，钛泵就是承担这项重要任务的装置。而高压电源则是向钛泵提供工作电压，确保钛泵和速调管正常工作的基础，其性能将直接影响到速调管内的真空度是否能达到要求。因此，研制一款具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的钛泵高压电源，在工程中具有很高的应用价值。

由于钛泵电源处于发射机内部，它在体积、重量方面提出了更高的要求，因此，设计中必须考虑如下问题：（1）对电路结构的电力供应问题；（2）各种成分的热耗散；（3）由于输出电压高，变压器次级匝数多，必须考虑变压器分布电容和漏感等问题；（4）钛泵电源要求的工作温度范围宽，开关频率、高电压电源及绝缘部件的选择问题。

本文利用脉宽调制式控制芯片SG3525设计一种应用于某型发射机系统的串联谐振式高压电源，并给出了实际电路设计和工作原理分析。

1 SG3525的功能特点

SG3525是一个全功能的单片集成脉宽调制芯片，通用性强，其恒定频率的脉冲宽度调制方案，适用于各种开关电源，控制斩波器［1］。SG3525主要包括一个参考电压产生电路、振荡器、误差放大器、欠压锁定电路、软启动控制电路，其脉宽调制功能强大，采用推挽输出形式［2］。3525引脚和内部结构如图1所示，与同类型芯片相比较，它具有许多突出的特点：

图1 SG3525内部结构

（1）频率可调，可通过改变其5脚上CT的电容和6脚RT上的电阻来改变输出控制信号PWM的频率。

（2）死区时间可调，通过改变7脚上RD可以改变死区的大小，防止逆变桥上下桥臂直通。

（3）具有PWM脉冲信号闭锁功能，当10脚电压超过2.5 V，能及时封锁脉冲输出，以防止过压、过流的出现，避免电路过热产生危害。

（4）振荡器频率100 Hz～400 k Hz，引脚3为同步端，提供多个芯片SG3525结合方便。

（5）具有软启动电路，比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8，可外接软启动电容C。该电容器的内部参考电压Uref由恒流源供电，达到2.5 V的时间t＝（2.5 V／50μA）C，占空比由小到大（50%）变化。

（6）建立了PWM（脉冲宽度调制）锁存器将比较器送来的置位信号锁存，并将误差放大器上的噪声、振铃及系统所有的跳动和振动信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。

2 电路原理

电源的额定输入电压为27 V，实际的输入电压为DC 20～35 V，输出电压为3 k V，最大输出功率为0.5 W。在控制电路的设计中，供电电压采用27 V直接供电，由于控制芯片需要12 V电压，因此通过电阻分压给芯片供电。

电源采用恒频脉宽调制控制方式，为了减小体积、降低成本和提高可靠性，本电源采用无开关管方式，由SG3525的11与14脚产生两路反向方波来直接驱动功率主电路（功率主电路由LC串联谐振与高频高压变压器组成），同时，由于钛泵工作时对电压的纹波要求不高，为了减小电源体积，根据经验将变压器次级输出进行八倍压整流后作为输出，具体原理如图2所示。

图2 电源原理图

芯片的脚5和脚7间串联一个电阻Rd，从而可以在较大范围内调节死区时间，SG3525的振荡频率可表示为［2］：

式中，CT、RT分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻，Rd是与脚7相连的放电端电阻值。本电源SG3525芯片振荡频率设定为50 k Hz，管脚8接一个电容用来软启动，减少电源的开机冲击。

2.1 谐振电路设计

本电源引入串联谐振电路是应用谐振的原理，使11脚与14脚内开关器件中的电流按正弦或准正弦规律变化。当开关进行换流时产生谐振，迫使开关上的电流为零，为开关提供一个零电流的开关环境，从而降低开关损耗。谐振电容和谐振电感计算如下：

输入电压范围：UinMin＝24 V，UinMax＝30 V；

额定输入电压：UinNom＝27 VDC；

输出电压电流（最大值）：3 000 V／0.000 167 A；

变压器输出电压：Uo＝（3000＋0.7×8）／8＝376 V

输出功率：Po＝3 000×0.000 167＝0.5 W；

谐振频率fr＝50 k Hz；

额定输入输出时电源工作在fr；

变压器理论变比：n＝UinNom／Uo＝27／376＝0.072

最高、最低输入电压的增益：

Gmin＝n（Uo＋Ud）／UinMax＝0.0722×376／30＝0.9；

Gmax＝n（Uo＋Ud）／UinMin＝0.0722×376／24＝1.125；

等效输出的负载电阻RL和反射电阻RAC：

RL＝U2o／Po＝376×376／0.5＝282 752Ω；

RAC＝n2RL×8／π2＝0.072×0.072×282 752×8／10＝1 172.6Ω；

计算Q，Ls，Lp，Cr（取K＝3）

2.2 高频变压器的设计

（1）计算AP值选择磁芯

选 择 EE13.4／6／6 磁 芯，Ae＝0.155，Aw＝0.1568，Ap＝0.155×0.1568＝0.024；

结果大于计算的值，符合要求（次级匝数较多），材质选用PC40型。

（2）变压器实际变比

初级匝数：

取整数10 TS。

次级匝数：变压器发生串联谐振时，电容两端的电压将高于变压器内部工作电压的输出电压，这实际上增加了对变压器耐压的要求。因此，在变压器绕制过程中要尽量减少分布电容和漏感。为了减少分布电容，采取分段分组绕制方式，并增加层数，减小每层匝数。

2.3 采样反馈电路

在控制电路的设计中，由于钛泵对工作电压稳定性的要求较低，为了减少体积、重量，高压电源电路采用无反馈结构［3］。通过最大占空比的信号来驱动变换器，可以减少在相同输出电压条件下的电源体积。SG3525芯片输出两路占空比可调、相位相反的PWM信号来直接驱动后续谐振电路。

2.4 过压保护电路

过压保护电路采用直接在输出端通过电阻分压作为电压检测，其响应速度快，可以使超压在允许的时间内关闭，起到保护作用。过压保护信号经分压滤波器加到电压比较器的反相输入端，当反相输入端过电压检测信号比同相输入端参考电平低时，比较器输出高电平，V4从反向偏置的原始状态转变为正向导通，并把同相端电位提升为高电平，使电压比较器一直稳定输出高电平。同时，过电压信号送给SG3525引脚10。当SG3525引脚10为高电平，11脚和14脚的输出脉冲将消失，变为零。

3 实验研究

3.1 电路仿真

根据以上参数计算，通过Saber软件对电路进行仿真分析，在具体仿真过程中由于受容性负载的影响，对谐振电感以及变压器参数进行了略微调整，在负载分别为18 MΩ及180 MΩ时对输出电压、谐振电感输入电压、电流进行仿真。

对比负载为18 MΩ与180 MΩ时的输出电压与谐振电感输入电压、电流波形，可以看到在负载为180 MΩ时，电源输出电压较18 MΩ负载时升高70 V左右，而流过谐振电感上的电流相位略微前移。由于钛泵工作时对电压的稳定度要求不高，因此几十伏电压的变化对其不会产生明显影响。

3.2 性能实测

在仿真参数的基础上设计了一款基于SG3525控制芯片的小功率高压电源，当钛泵内的真空度很高时，负载近似于无穷大，这时电源的输出电压达到最大值。在实际设计过程中，通过在电源的输出端加入假负载来稳定空载时的输出电压。当钛泵内真空度较低或者钛泵刚开始启动时，需要电源输出电压不低于1.5 k V，输出峰值功率不小于0.5 W，这样才能使钛泵内快速达到要求的高真空度。经过实测，当电源空载时，电源输出电压为3 152 V，当电源输出功率为0.5 W时，输出电压仍大于2.8 k V，输出功率可以满足研制要求。同时在电源无散热条件下满载工作1 h后，对电源内进行红外线温度扫描，控制芯片SG1525最高温度为59℃，满足实际使用要求。

4 结 论

本文介绍了一种钛泵高压电源的电路原理、高压变压器设计及实验结果，其性能指标满足研制任务要求。研制工作表明，由于电源采用串联谐振，其谐振电感、电容以及变压器存在较高的谐振电压。此外，为实现高压电源的小型化，需要在变压器、电路板、电源外壳、灌封等设计与工艺过程采取措施来提供足够的绝缘性能，以保证高压电源长期可靠的工作。实验证明，此高压电源体积小、性能稳定、可靠性高、抗干扰能力强。

［1］ 冯德仁，龙佼佼，孙建坤，何思模，徐海波.基于SG3525的串联谐振式脉冲高压电源的研制［J］.电源技术，2010，（6）：578-581.

［2］ 王晓锋，王京梅，孙 俊，李 莉.基于SG3525的开关电源设计［J］.电子科技，2011，（6）：118-121.

［3］ 陈 曦，韩丰田.小型化钛泵高压电源的设计与试验研究［J］.电测与仪表，2006，（1）：33-35.