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。
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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）
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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）
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vh=vl+ictp/ct=vl+3.9tp/（ctrt）
tp=ctrt（vh-vl）/3.9=ctrt（3.34-0.98）/3.9=0.61ctrt
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t=0.61ctrt+1.21ctrd
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tp=ct（vh-vl）/irt
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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。
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