應(yīng)用SG1525實(shí)現(xiàn)PFM控制器的設(shè)計方法

屈曉斌，張　帥，周　鑫

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0　引　言

開關(guān)電源具有體積小、效率高和質(zhì)量輕等優(yōu)勢，目前在計算機(jī)、電子通信、雷達(dá)、空間技術(shù)等領(lǐng)域中已得到了廣泛的應(yīng)用。[1-3]開關(guān)電源的控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PFM)。從開關(guān)方式又可以把開關(guān)電源分為硬開關(guān)和軟開關(guān)兩種，其中PWM控制方式比較普遍，多數(shù)為硬開關(guān)方式。相應(yīng)的驅(qū)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(guān)方式，具有效率高、開關(guān)應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，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(shè)計出一種定寬調(diào)頻控制電路。

1　SG1525控制器的工作原理

SG1525芯片是一種應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的PWM控制器，具有可調(diào)整的死區(qū)時間控制功能和脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。芯片內(nèi)部主要由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、觸發(fā)器、欠壓鎖定電路、輸出電路等構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。

SG1525芯片內(nèi)部的振蕩器通過外接定時電容和定時電阻產(chǎn)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(diào)制信號。兩個信號在PWM比較器中進(jìn)行比較。當(dāng)Ve>Us時比較器輸出的PWM波形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖剑?dāng)Ve

2　應(yīng)用SG1525控制器實(shí)現(xiàn)定寬調(diào)頻的基本思路

根據(jù)上節(jié)介紹，SG1525芯片內(nèi)部的振蕩器通過外接定時電容和定時電阻產(chǎn)生鋸齒波振蕩和時鐘脈沖信號，設(shè)想將定時電阻設(shè)計成隨反饋量變化的電流調(diào)節(jié)電路替代，便可實(shí)現(xiàn)脈沖頻率隨著反饋量變化，即實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。上節(jié)同時介紹，載波電壓Us與Ve的比較決定了脈沖寬度。為此，設(shè)想控制PWM控制器內(nèi)部誤差放大器Ve的輸出，實(shí)現(xiàn)脈沖定寬控制。為提高定寬調(diào)頻電路的安全性和可靠性，同時考慮設(shè)計了檢測保護(hù)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(diào)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(nèi)誤差放大器工作在跟隨器狀態(tài)，9腳輸出信號與 CT 振蕩信號進(jìn)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(qū)動信號的占空比越大，即實(shí)現(xiàn)了調(diào)寬控制。反饋量通過外圍輔助調(diào)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(shí)現(xiàn)SG1525振蕩頻率的調(diào)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻控制。反饋量通過外圍檢測保護(hù)電路作用于SG1525芯片的SHUT腳，即SG1525芯片的關(guān)斷端，即實(shí)現(xiàn)SG1525的保護(hù)。

3　SG1525實(shí)現(xiàn)PFM控制器的實(shí)現(xiàn)方法

3.1　脈沖調(diào)頻電路設(shè)計

SG1525芯片內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)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(shí)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(nèi)完成充電時的最大電壓；VL是電容C1在TP內(nèi)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(shè)計的值一定要控制在0.025～1.8 mA內(nèi)。圖4所示是脈沖頻率調(diào)節(jié)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(zhì)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(diào)節(jié)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(yùn)放電路可以改變V2的大小，從而改變控制器的脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制，即V2決定控制器的脈沖頻率。根據(jù)脈沖頻率調(diào)節(jié)的工作原理，設(shè)計的電路圖如圖5所示。采樣電壓經(jīng)同相運(yùn)算放大電路可以改變V2的大小，即實(shí)現(xiàn)SG1525頻率的調(diào)節(jié)，其中電路中的電位器R6用于調(diào)節(jié)運(yùn)放的放大系數(shù)。

3.2　脈沖定寬電路設(shè)計

根據(jù)控制器SG1525的工作原理，頻率調(diào)節(jié)的同時改變PWM控制器內(nèi)部誤差放大器Ve(Ve=V1)的輸出，可以推導(dǎo)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(nèi)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(nèi)的放電時間T2，F(xiàn)E的大小代表驅(qū)動脈寬d，AC=VH-VL=2.36(V)，AE=VH-V1=3.34-V1。根據(jù)三角形性質(zhì)FE/BC=AE/AC可知：

(5)

結(jié)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(dǎo)出V1、V2和d之間的關(guān)系式：

(6)

根據(jù)式(6)，當(dāng)設(shè)計控制器的輔助電路V1、V2電壓和脈寬d滿足式(5)的關(guān)系時就可以實(shí)現(xiàn)芯片輸出的驅(qū)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(shè)計出了一種定寬調(diào)頻的控制器。

根據(jù)PWM控制器SG1525的調(diào)寬工作原理，設(shè)計的脈寬調(diào)制電路如圖7所示。由圖可知，采樣電壓通過N2運(yùn)放實(shí)現(xiàn)放大器跟隨、反相運(yùn)算放大、加法運(yùn)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(jīng)過誤差放大器跟隨作用，產(chǎn)生信號Ve(Ve=V1)與Ct振蕩信號進(jìn)行比較，形成脈沖控制信號。調(diào)節(jié)電路中電位器R4和電位器R10可以改變運(yùn)放輸出電壓V1的大小，從而改變驅(qū)動信號占空比的大小。

3.3　檢測保護(hù)電路設(shè)計

控制器SG1525的檢測保護(hù)電路設(shè)計方法是：輸出電壓采樣經(jīng)過N1運(yùn)放比較電路，連接N2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，當(dāng)超出上下閾值后，鎖定PWM控制器SG1525芯片的輸出。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的復(fù)位端則實(shí)現(xiàn)對故障的復(fù)位。該電路實(shí)現(xiàn)了控制器驅(qū)動電路的過壓保護(hù)功能，具體設(shè)計電路見圖8。同時，該電路根據(jù)不同反饋量也可以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、過熱保護(hù)等功能性設(shè)計，保證了驅(qū)動電路的可靠性和安全性。

3.4　電路時序分析

根據(jù)脈沖調(diào)頻電路設(shè)計可知調(diào)節(jié)6腳(RT)上的電流IRT就可以實(shí)現(xiàn)改變輸出控制信號的頻率。根據(jù)PWM控制器SG1525的調(diào)寬工作原理可知調(diào)節(jié)芯片SG1525的9腳的電壓Ve可以改變輸出脈寬。結(jié)合定寬原理的模型，設(shè)計控制器的輔助電路產(chǎn)生V1、V2和脈寬d。當(dāng)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(diào)節(jié)的脈沖信號，即實(shí)現(xiàn)了定寬調(diào)頻的功能。圖9所示是PWM控制器SG1525定寬調(diào)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(qū)動脈寬是不變的。

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

4　結(jié)束語

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