PWM控制芯片SG3525原理及应用

PWM控制芯片SG3525原理及应用 第一章 引言 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点.本文介绍的SG3525芯片主要应用于华为ONU4820，艾默生HD4825-3 HD4830-3 . 第二章 PWM控制芯片SG3525功能简介 随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照反馈电流调节脉宽。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 一、SG3525引脚功能及特点简介 SG3525功能框图如图1所示： 图1  典型功能框图 1． Inv.input(脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（脚9）相连，可构成跟随器。 2． Noninv.input(脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3． Sync(脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4． OSC.Output(脚4)：振荡器输出端。 5． CT(脚5)：振荡器定时电容接入端。 6． RT（脚6）：振荡器定时电阻接入端。 7． Discharge(脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8． Soft-Start(脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。 9． Compensation(脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10． Shutdown(脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 11． Output A（脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 12． Ground(脚12)：信号地。 13． Vc(脚13)：输出级偏置电压接入端。 14． Output B（脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 15． Vcc（脚15）：偏置电源接入端。 16． Vref(脚16)：基准电源输出端。该端输出一温度稳定性极好的基准电压。 二、SG3525特点： 1． 工作电压范围宽：8—35V。 2． 5.1（1.0%）V微调基准电源。 3． 振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz。 4． 具有振荡器外部同步功能。 5． 死区时间可调。 6． 内置软启动电路。 7． 具有输入欠电压锁定功能。 8． 具有PWM琐存功能，禁止多脉冲，逐个脉冲关断。 9． 双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值)。 三、主要单元电路 1．基准电压调整器。基准电压调整器是输出为5.1V、50mA，有短路保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。 2．振荡器。振荡器电路结构如图2所示，振荡器脚5外接电容CT，脚6外接电阻RT。振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定，f=1/CT(0.7RT+3RD)此电路中，Rd放电电阻较小， 所以形成的锯齿波波形后沿较陡。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出。 图2 振荡器电原理图 3．误差放大器及补偿输入。误差放大器是差动输入的放大器，其电原理结构图如图3所示。误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。 图3 误差放大器电原理图 4．锁存器。比较器的输出送到PWM锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使锁存器复位为止。另外，由于PW M 锁存器对比较器来的置位信号进行锁存，将系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于提高可靠性。 5．输出。电原理图如图4所示。11、12、14端连结在一起， 由13端输出信号。这样，能保证13端的输出与锁存器的输出一致。此外，SG3525还有欠压锁定电路， 闭锁控制电路， 软起动电路。 图4  输出电原理图1/2部分图 第三章 SG3525的工作原理 一、SPWM波的产生及传输 脉宽调制器SG3525的振荡器产生的锯齿波信号如图5所示，锯齿波的顶点约为3.3V，谷点约为0.9V，锯齿波的频率可通过改变外接电容来改变。锯齿波信号加在比较器的同相输入端，来自误差放大器的信号加在比较器的反相输入端，通过比较器进行比较，获得SPWM波。触发器在CP脉冲控制下输出 和 ，分别控制2个与非门，CP脉冲出现的时刻与锯齿波峰点对齐，CP脉冲下跳时刻与谷点对齐，这样可保证CP脉冲与锯齿波同步同频率变化。经过与非门电路后输出生的波形，其频率是CP脉冲频率的1/2。2个功率场效管的驱动信号是互补的，这样能够保证在任何时刻一个导通，另一个截止。 图5 锯齿波信号 二、工作过程 SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 F的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。当软启动电容充电至使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。实际工作中，基准电压接误差放大器的同相输入端，输出电压的采样电压加在误差放大器的反相输入端上，当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出高电平的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回调到额定值，实现了稳定输出。反之亦然。 外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当 Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。 此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。 第四章  应用电路 一、 单端变换电路 SG3525的输出级采用图腾柱式结构，其灌电流/拉电流能力超过200mA。在单端变换器应用中，SG3525的两个输出端应接地，如图6所示，当输出晶体管开通时，R1上会有电流流过，R1上的压降将使VT1导通。因此VT1是在SG3525内部的输出晶体管导通时间内导通的，因此其开关频率等于SG3525内部振荡器的频率。 图6 单端变换电路 二、推挽输出电路 当采用推挽式输出时，应采用如下结构，如图7所示。VT1和VT2分别由SG3525的输出端A和输出端B输出的正向驱动电流驱动。电阻R2和R3是限流电阻，是为了防止注入VT1和VT2的正向基极电流超出控制器所允许的输出电流。C1和C2是加速电容，起到加速VT1和VT2导通的作用。 图7  推挽输出电路 三、直接推动功率MOSFET电路 由于SG3525的输出驱动电路是低阻抗的，而功率MOSFET的输入阻抗很高，因此输出端A和输出端B与VT1和VT2栅极之间无须串接限流电阻和加速电容，就可以直接推动功率MOSFET，如图8所示。 图8  直接推动功率MOSFET电路图 四、小功率半桥式变压器驱动电路 SG3525能够直接驱动半桥变换器中的小功率变压器。变压器一次绕组的两端分别直接接到SG3525的两个输出端上，在死区时间内可以实现变压器的自动复位，如图9所示。 图9 小功率变压器直接驱动电路图 第五章 DC—DC直流变换电源设计 一、性能指标 输入电压为DC24～35V可调，输入额定电压为30V，输出为5V／1A。 二、系统设计 图10 DC—DC直流电源原理图 选用SG3525设计DC—DC直流变换器电源脉宽调制器，SG3525产生的两路互补方波控制MOSFET功率管的导通与截止，MOSFET驱动采用推挽连接结构，采用带中心抽头的变压器，在中心抽头处加入30V直流电压，输出部分采用全波整流，采用2．5～36V可调式精密并联稳压器TL43l作为稳压反馈器件，在输出端采用分压电阻给TL431提供参考电压，并通过光电隔离方式反馈到SG3525误差放大器输入端，以调节控制输出方波占空比来稳定输出电压。 1．控制及驱动电路设计 锯齿波生成电路由RT、CT和内部电路组成，因为是降压变换器，可采用较低频率的时钟，同时考虑到减小功耗，设计中取： CT=4700pF，RT=3.3kΩ，RD=100Ω， 计算的振荡器输出频率: f=90kHz 因此，PWM输出频率定为45kHz。 软启动电容接入端(引脚8)接一个1μF的软启动电容。只有软启动电容充电使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。 系统中的基准比较调节电路则由基准引脚Vref和同相输入端及外围电阻构成。2脚的固定电压值接近5V。SG3525的l、2、9脚及其外围电路构成PI调节电路，它的输出与5脚锯齿波和软启动电容一起控制PWM控制器以产生方波。它的输出级11、14脚输出两路互补的PWM波，采用图腾柱式结构，灌拉电流能力超过200mA，可以直接驱动MOSFET功率管，在这里选用的是IR公司生产的IRF630。 2．反馈补偿电路设计 为了确保输出的稳定，在+5V输出端引出反馈电压，采用2.5～36V可调式精密并联稳压器TL43l作为稳压器件，TL43l是德州仪器公司生产的一款有良好热稳定性的三端可调分流基准源。它的输出电压可用两个电阻在2.5V到36V范围内任意设置基准电压。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω。用它来构成外部误差检出电路，再经光耦器件组成隔离式反馈电路，为了反应迅速，采用线性光耦PC817。当PC817中二极管正向电流在3mA左右变化时，其三极管的集—射极电流在4mA左右变化，而集—射极电压在很宽的范围内线性变化，因而很符合SG3525的控制要求。 当+5V输出电压升高时，经R27、R28分压后得到的取样电压，与TL43l中的2.5V带隙基准电压进行比较，并在阴极上形成误差电压，使LED的工作电流发生变化，通过光耦管PC817的输出，改变SG3525脚1的电压大小，从而改变9脚电流大小，经SG3525内部电路运算，改变脚 11、14输出占空比，使+5V维持稳定。 3．输出电路设计