PWM控制器SG3525的变频控制

引言

开关电源由于在体积、重量、效率和可靠性等多方面的优势，目前在计算机、通信、家用电器、雷达、空间技术等众多领域中已得到了广泛的应用。开关电源的控制方式：脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）、脉冲宽度频率调制（PWM-PFM）。其中PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，具有噪音低、满负载时效率高等优点，PFM具有静态功耗小的优点。在许多应用场合，单一的PWM或PFM已经不能满足设计的需要，但目前市场上没有专门的PWM-PFM集成芯片出售。本文以SG3525为例，介绍用PWM控制芯片实现变频控制的思路与方法。

1、SG3525的基本原理介绍及PWM脉冲频率的计算与分析

如图1所示，SG3525主要由基准稳压源、振荡器、误差放大器、PWM比较器和锁存器、分相器、或非门电路和图腾输出电路等几大部分组成。脚16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。SG3525的振荡器通过外接时基电容和电阻产生锯齿波振荡，同时产生时钟脉冲信号，该信号的脉冲宽度与锯齿波的下降沿相对应。时钟脉冲作为由T触发器组成的分相器的触发信号，用来产生相位差为180°的一对方波信号。误差放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。经差分放大的信号与振荡器输出的锯齿波电压分别加至PWM比较器的反相输入端和同相输入端，比较器输出的调制信号经锁存后作为或非门电路的输入信号。

图1  SG3525内部结构图

输出末级采用推挽输出电路，拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重叠导通。在重叠处有一个电流尖脉冲，持续时间约为l00ns。可以在13脚处接一个约0.lμF的电容滤去电压尖峰。

SG3525的PWM的脉冲频率由振荡器的锯齿波频率决定，每路PWM的频率是锯齿波频率的一半；脉冲宽度由误差放大器的输出电压控制，误差放大器的输出电压越高、脉冲宽度越大，最大脉冲宽度为锯齿波上升时间tp（锯齿波周期T，死区时间td）。

SG3525振荡器内部电路见图2所示。假定脚6对参考地接电阻RT、脚5对参考地接电容CT、脚5与脚7间接电阻RD；图2中所有三极管的基极与射极（或射极与基极）间导通压降为0.6V、集电极与发射极间导通压降为0、流过基极的电流相对于流过其他两极的电流忽略不计；脚3接参考地，Q10截止。

图2  SG3525振荡器内部电路图

图2中，Q1、Q3与RT一起组成一个恒流源，流过电容CT的电流IC等于流过电阻RT的电流IR，即

IC=IR=（5.1-0.6-0.6）/RT=3.9/RT

上电时，电容CT电压（脚5电压）VC=0，Q5、Q6截止，Q8、Q9、Q12、Q13导通，Q11、Q14、Q4、Q2截止，电容CT开始充电。当电容CT电压VC（Q6基极电压）大于此时的Q9基极电压VH时，Q5、Q6导通，Q8、Q9、Q12、Q13截止，Q11、Q14、Q4、Q2导通，电容CT通过电阻RD与Q2放电，同时Q9基极电压降为VL。当电容CT电压VC下降到＜Q9基极电压VL时，Q5、Q6截止，Q8、Q9、Q12、Q13导通，Q11、Q14、Q4、Q2截止，电容CT开始充电。如此循环，脚5电压就形成了锯齿波。其中，

VH=5.1×14/（14+7.4）=3.34V

VL=5.1×1.75/（1.75+7.4）=0.98V

（1.75kΩ为2kΩ电阻与14kΩ电阻的并联电阻）

电容CT电压VC从VH到VL的变化过程经历的时间为td，有

VL=ICRD+（VH-ICRD）Exp［-td/（CTRD）］

td=-CTRDln［（1-3.9RD/RT）/（3.34-3.9RD/RT）］≈CTRDln3.34=1.21CTRD（3.9RD/RT《《1时）

电容CT电压VC从VL到VH的变化过程经历的时间为tp，有

VH=VL+ICtp/CT=VL+3.9tp/（CTRT）

tp=CTRT（VH-VL）/3.9=CTRT（3.34-0.98）/3.9=0.61CTRT

锯齿波的周期

T=0.61CTRT+1.21CTRD

从上述分析可知，锯齿波的周期表面上是由CT、RT及RD决定的，本质上是由CT、IR（IRT=ICT）及RD决定的，其中

tp=CT（VH-VL）/IRT

改变流过电阻RT的电流（Q1集电极的电流），就可以改变锯齿波的周期。进一步说，改变流出脚6的电流，就可以改变锯齿波的周期，从而改变PWM的脉冲频率。流出脚6的电流越大，PWM的脉冲频率越高。

根据SG3525振荡器内部电路的特性，流出脚6的电流要控制在0.025～1.8mA。脚6的电流必须为流出！否则，可能烧毁SG3525或控制电路。电容CT在0.001～0.1μF取值，电阻RD在0～500Ω取值。

2、利用SG3525实现变频控制

图3为SG3525实现变频控制的示意图。

图3  变频控制电路示意图

图3中，放大器A1的输出电压Vk控制SG3525的脚6流出的电流值IC。图3中脚6外部电路与图2中的Q1、Q3、VREF一起构成了一个对电容CT充电的恒流源。恒流源正常工作时，脚6的电压

V6=VREF－2VBE=5.1-2×0.6=3.9V

V6值在脚6流出电流的一定范围内不变，可以看成一个+3.9V的电压源。见图4。

图4  变频控制电路分析图

IC=IR+IR=（3.9-Vk）/R1+3.9/R2

tp=CT（VH-VL）/IC=2.36CT/ICT

在R1、R2、CT选定后，由Vk决定tp的大小。RD＜100Ω时，Vk对td影响不大。此时，Vk控制PWM的脉冲频率。设计时，IC一定要控制在0.025～1.8mA内。

由此可见，图3中放大器A1可以由SG3525的脉冲宽度或电源的输出电流、输出电压作为输入，构成P或PI（PID）调节器，形成脉宽变频控制或电流、电压变频控制电路。

3、结语

利用PWM控制器SG3525实现变频控制，电路简单、性能可靠。上述思路与方法已应用在大范围可调的开关电源的设计中，效果良好。