引言
開關(guān)電源由于在體積、重量、效率和可靠性等多方面的優(yōu)勢,目前在計(jì)算機(jī)、通信、家用電器、雷達(dá)、空間技術(shù)等眾多領(lǐng)域中已得到了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電源的控制方式:脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)、脈沖寬度頻率調(diào)制(PWM-PFM)。其中PWM是目前應(yīng)用在開關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式,具有噪音低、滿負(fù)載時(shí)效率高等優(yōu)點(diǎn),PFM具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點(diǎn)。在許多應(yīng)用場合,單一的PWM或PFM已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的需要,但目前市場上沒有專門的PWM-PFM集成芯片出售。本文以SG3525為例,介紹用PWM控制芯片實(shí)現(xiàn)變頻控制的思路與方法。
1、SG3525的基本原理介紹及PWM脈沖頻率的計(jì)算與分析
如圖1所示,SG3525主要由基準(zhǔn)穩(wěn)壓源、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和鎖存器、分相器、或非門電路和圖騰輸出電路等幾大部分組成。腳16為SG3525的基準(zhǔn)電壓源輸出,精度可以達(dá)到(5.1±1%)V,采用了溫度補(bǔ)償,而且設(shè)有過流保護(hù)電路。SG3525的振蕩器通過外接時(shí)基電容和電阻產(chǎn)生鋸齒波振蕩,同時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號,該信號的脈沖寬度與鋸齒波的下降沿相對應(yīng)。時(shí)鐘脈沖作為由T觸發(fā)器組成的分相器的觸發(fā)信號,用來產(chǎn)生相位差為180°的一對方波信號。誤差放大器是一個(gè)兩級差分放大器,直流開環(huán)增益為70dB左右。經(jīng)差分放大的信號與振蕩器輸出的鋸齒波電壓分別加至PWM比較器的反相輸入端和同相輸入端,比較器輸出的調(diào)制信號經(jīng)鎖存后作為或非門電路的輸入信號。
圖1 ?SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
輸出末級采用推挽輸出電路,拉電流和灌電流峰值達(dá)200mA。由于存在開閉滯后,使輸出和吸收間出現(xiàn)重疊導(dǎo)通。在重疊處有一個(gè)電流尖脈沖,持續(xù)時(shí)間約為l00ns??梢栽?3腳處接一個(gè)約0.lμF的電容濾去電壓尖峰。
SG3525的PWM的脈沖頻率由振蕩器的鋸齒波頻率決定,每路PWM的頻率是鋸齒波頻率的一半;脈沖寬度由誤差放大器的輸出電壓控制,誤差放大器的輸出電壓越高、脈沖寬度越大,最大脈沖寬度為鋸齒波上升時(shí)間tp(鋸齒波周期T,死區(qū)時(shí)間td)。
SG3525振蕩器內(nèi)部電路見圖2所示。假定腳6對參考地接電阻RT、腳5對參考地接電容CT、腳5與腳7間接電阻RD;圖2中所有三極管的基極與射極(或射極與基極)間導(dǎo)通壓降為0.6V、集電極與發(fā)射極間導(dǎo)通壓降為0、流過基極的電流相對于流過其他兩極的電流忽略不計(jì);腳3接參考地,Q10截止。
圖2 ?SG3525振蕩器內(nèi)部電路圖
圖2中,Q1、Q3與RT一起組成一個(gè)恒流源,流過電容CT的電流IC等于流過電阻RT的電流IR,即
IC=IR=(5.1-0.6-0.6)/RT=3.9/RT
上電時(shí),電容CT電壓(腳5電壓)VC=0,Q5、Q6截止,Q8、Q9、Q12、Q13導(dǎo)通,Q11、Q14、Q4、Q2截止,電容CT開始充電。當(dāng)電容CT電壓VC(Q6基極電壓)大于此時(shí)的Q9基極電壓VH時(shí),Q5、Q6導(dǎo)通,Q8、Q9、Q12、Q13截止,Q11、Q14、Q4、Q2導(dǎo)通,電容CT通過電阻RD與Q2放電,同時(shí)Q9基極電壓降為VL。當(dāng)電容CT電壓VC下降到<Q9基極電壓VL時(shí),Q5、Q6截止,Q8、Q9、Q12、Q13導(dǎo)通,Q11、Q14、Q4、Q2截止,電容CT開始充電。如此循環(huán),腳5電壓就形成了鋸齒波。其中,
VH=5.1×14/(14+7.4)=3.34V
VL=5.1×1.75/(1.75+7.4)=0.98V
(1.75kΩ為2kΩ電阻與14kΩ電阻的并聯(lián)電阻)
電容CT電壓VC從VH到VL的變化過程經(jīng)歷的時(shí)間為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時(shí))
電容CT電壓VC從VL到VH的變化過程經(jīng)歷的時(shí)間為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
鋸齒波的周期
T=0.61CTRT+1.21CTRD
從上述分析可知,鋸齒波的周期表面上是由CT、RT及RD決定的,本質(zhì)上是由CT、IR(IRT=ICT)及RD決定的,其中
tp=CT(VH-VL)/IRT
改變流過電阻RT的電流(Q1集電極的電流),就可以改變鋸齒波的周期。進(jìn)一步說,改變流出腳6的電流,就可以改變鋸齒波的周期,從而改變PWM的脈沖頻率。流出腳6的電流越大,PWM的脈沖頻率越高。
根據(jù)SG3525振蕩器內(nèi)部電路的特性,流出腳6的電流要控制在0.025~1.8mA。腳6的電流必須為流出!否則,可能燒毀SG3525或控制電路。電容CT在0.001~0.1μF取值,電阻RD在0~500Ω取值。
2、利用SG3525實(shí)現(xiàn)變頻控制
圖3為SG3525實(shí)現(xiàn)變頻控制的示意圖。
圖3 ?變頻控制電路示意圖
圖3中,放大器A1的輸出電壓Vk控制SG3525的腳6流出的電流值IC。圖3中腳6外部電路與圖2中的Q1、Q3、VREF一起構(gòu)成了一個(gè)對電容CT充電的恒流源。恒流源正常工作時(shí),腳6的電壓
V6=VREF-2VBE=5.1-2×0.6=3.9V
V6值在腳6流出電流的一定范圍內(nèi)不變,可以看成一個(gè)+3.9V的電壓源。見圖4。
圖4 ?變頻控制電路分析圖
IC=IR+IR=(3.9-Vk)/R1+3.9/R2
tp=CT(VH-VL)/IC=2.36CT/ICT
在R1、R2、CT選定后,由Vk決定tp的大小。RD<100Ω時(shí),Vk對td影響不大。此時(shí),Vk控制PWM的脈沖頻率。設(shè)計(jì)時(shí),IC一定要控制在0.025~1.8mA內(nèi)。
由此可見,圖3中放大器A1可以由SG3525的脈沖寬度或電源的輸出電流、輸出電壓作為輸入,構(gòu)成P或PI(PID)調(diào)節(jié)器,形成脈寬變頻控制或電流、電壓變頻控制電路。
3、結(jié)語
利用PWM控制器SG3525實(shí)現(xiàn)變頻控制,電路簡單、性能可靠。上述思路與方法已應(yīng)用在大范圍可調(diào)的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中,效果良好。
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