开关电源
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。
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。
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。
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。
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