應用SG1525實現PFM控制器的設計方法

屈曉斌，張　帥，周　鑫

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0　引　言

開關電源具有體積小、效率高和質量輕等優勢，目前在計算機、電子通信、雷達、空間技術等領域中已得到了廣泛的應用。[1-3]開關電源的控制方式可分為脈沖寬度調制(PWM)和脈沖頻率調制(PFM)。從開關方式又可以把開關電源分為硬開關和軟開關兩種，其中PWM控制方式比較普遍，多數為硬開關方式。相應的驅動芯片也比較普及，SG1525為其中比較常見的一種控制芯片，是一種成熟可靠價廉物美的控制芯片。PFM控制主要為軟開關方式，具有效率高、開關應力小等優點，而PFM專用控制芯片不多。本文針對PFM控制需求，利用PWM控制器SG1525設計出一種定寬調頻控制電路。

1　SG1525控制器的工作原理

SG1525芯片是一種應用廣泛、技術成熟的PWM控制器，具有可調整的死區時間控制功能和脈沖控制封鎖保護等功能。芯片內部主要由基準電壓調整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、觸發器、欠壓鎖定電路、輸出電路等構成，其內部結構圖見圖1所示。

SG1525芯片內部的振蕩器通過外接定時電容和定時電阻產生鋸齒波振蕩和時鐘脈沖信號。鋸齒波作為載波信號Us，而誤差放大器輸出電壓Ve作為調制信號。兩個信號在PWM比較器中進行比較。當Ve>Us時比較器輸出的PWM波形由邏輯低電平變為高電平，當Ve

2　應用SG1525控制器實現定寬調頻的基本思路

根據上節介紹，SG1525芯片內部的振蕩器通過外接定時電容和定時電阻產生鋸齒波振蕩和時鐘脈沖信號，設想將定時電阻設計成隨反饋量變化的電流調節電路替代，便可實現脈沖頻率隨著反饋量變化，即實現頻率調節。上節同時介紹，載波電壓Us與Ve的比較決定了脈沖寬度。為此，設想控制PWM控制器內部誤差放大器Ve的輸出，實現脈沖定寬控制。為提高定寬調頻電路的安全性和可靠性，同時考慮設計了檢測保護電路。基于該思路的原理圖如圖3所示。反饋量通過外圍輔助調寬控制電路作用于SG1525芯片的EA(+)腳，即SG1525芯片的誤差放大器同相端。由SG1525芯片工作原理可知，將芯片內誤差放大器工作在跟隨器狀態，9腳輸出信號與 CT 振蕩信號進行比較得到頻率為振蕩器輸出頻率一半的占空比控制信號。9腳信號越大，則11腳和14腳輸出兩路相位互差180°的方波脈沖驅動信號的占空比越大，即實現了調寬控制。反饋量通過外圍輔助調頻控制電路作用于SG1525芯片的RT腳，即SG1525芯片的定時電阻端，實現SG1525振蕩頻率的調節，即實現了調頻控制。反饋量通過外圍檢測保護電路作用于SG1525芯片的SHUT腳，即SG1525芯片的關斷端，即實現SG1525的保護。

3　SG1525實現PFM控制器的實現方法

3.1　脈沖調頻電路設計

SG1525芯片內部的振蕩器產生鋸齒波的頻率為

f=1/C1(0.7R1+3RD)

(1)

其中，C1為SG1525芯片的5腳外接定時電容；R1為6腳外接定時電阻；RD為7腳外接放電電阻，RD?R1。鋸齒波的頻率表面上是由C1、R1及RD決定的，實際芯片的脈沖周期TP為

TP=C1*(VH-VL)/ICT=2.36C1/ICT

(2)

其中，VH是電容C1在TP內完成充電時的最大電壓；VL是電容C1在TP內放電時的最小電壓；ICT是流過電容C1的電流；電流越大，控制器輸出的脈沖頻率越高。為了確保芯片正常工作，ICT設計的值一定要控制在0.025～1.8 mA內。圖4所示是脈沖頻率調節的工作原理圖。由圖4可知流出芯片6腳電流ICT為

ICT=(3.9-V2)/R2+3.9/R1

(3)

脈沖頻率本質上是由C1和IRT決定的。在R1、R2和C1選定后，電流IRT(IRT=ICT)隨V2調節而變化，脈沖頻率由V2的變化而變化，即脈沖頻率f為

f=[(3.9-V2)/R2+3.9/R1]/2.36C1

(4)

反饋量的變化通過運放電路可以改變V2的大小，從而改變控制器的脈沖頻率，實現頻率調制，即V2決定控制器的脈沖頻率。根據脈沖頻率調節的工作原理，設計的電路圖如圖5所示。采樣電壓經同相運算放大電路可以改變V2的大小，即實現SG1525頻率的調節，其中電路中的電位器R6用于調節運放的放大系數。

3.2　脈沖定寬電路設計

根據控制器SG1525的工作原理，頻率調節的同時改變PWM控制器內部誤差放大器Ve(Ve=V1)的輸出，可以推導出定寬原理模型，如圖6所示。BC的大小代表定時電容C1在一個振蕩鋸齒波內的充電時間T1，CD的大小代表定時電容C1在一個振蕩鋸齒波內的放電時間T2，FE的大小代表驅動脈寬d，AC=VH-VL=2.36(V)，AE=VH-V1=3.34-V1。根據三角形性質FE/BC=AE/AC可知：

(5)

結合芯片SG1525的特性，可知定時電容的放電時間T2=1.21C1*RD是不變的，脈沖周期TP=T1+T2，則可以推導出V1、V2和d之間的關系式：

(6)

根據式(6)，當設計控制器的輔助電路V1、V2電壓和脈寬d滿足式(5)的關系時就可以實現芯片輸出的驅動信號脈沖寬度d不變，而脈沖頻率隨采樣反饋量變化，即設計出了一種定寬調頻的控制器。

根據PWM控制器SG1525的調寬工作原理，設計的脈寬調制電路如圖7所示。由圖可知，采樣電壓通過N2運放實現放大器跟隨、反相運算放大、加法運算和倒相作用形成電壓V1。電壓V1連接芯片SG1525的誤差放大器同相端，經過誤差放大器跟隨作用，產生信號Ve(Ve=V1)與Ct振蕩信號進行比較，形成脈沖控制信號。調節電路中電位器R4和電位器R10可以改變運放輸出電壓V1的大小，從而改變驅動信號占空比的大小。

3.3　檢測保護電路設計

控制器SG1525的檢測保護電路設計方法是：輸出電壓采樣經過N1運放比較電路，連接N2雙穩態觸發器，當超出上下閾值后，鎖定PWM控制器SG1525芯片的輸出。雙穩態觸發器的復位端則實現對故障的復位。該電路實現了控制器驅動電路的過壓保護功能，具體設計電路見圖8。同時，該電路根據不同反饋量也可以實現過流保護、過熱保護等功能性設計，保證了驅動電路的可靠性和安全性。

3.4　電路時序分析

根據脈沖調頻電路設計可知調節6腳(RT)上的電流IRT就可以實現改變輸出控制信號的頻率。根據PWM控制器SG1525的調寬工作原理可知調節芯片SG1525的9腳的電壓Ve可以改變輸出脈寬。結合定寬原理的模型，設計控制器的輔助電路產生V1、V2和脈寬d。當V1、V2和脈寬d滿足式(6)時，控制器Out A、Out B可以交替輸出脈寬d不變、頻率隨輸出電壓采樣不同而調節的脈沖信號，即實現了定寬調頻的功能。圖9所示是PWM控制器SG1525定寬調頻工作時序圖。由圖9可知，控制器SG1525的時鐘周期隨Ve反饋電壓而改變，控制器SG1525的驅動脈寬是不變的。

改變PWM控制器SG1525調寬輔助電路中的可調電阻R4、R10參數和調頻輔助電路中的R6元器件參數，可以得到不同定寬和頻率范圍的定寬調頻控制器。改變輔助電路中的其他元器件參數，或設計不同類型反饋量采樣都可以形成定寬調頻控制器。控制器根據不同反饋量采樣形成調寬、調頻和定寬調頻的功能可以提高變頻電源的動態性能。

4　結束語

本文針對PFM控制需求，利用PWM控制器SG1525設計出一種定寬調頻控制電路。該方法簡單、可靠，對PFC電源的設計具有一定的指導意義。