应用SG1525实现PFM控制器的设计方法

2018-07-10屈晓斌

雷达与对抗 2018年2期

屈晓斌，张　帅，周　鑫

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0　引　言

开关电源具有体积小、效率高和质量轻等优势，目前在计算机、电子通信、雷达、空间技术等领域中已得到了广泛的应用。[1-3]开关电源的控制方式可分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)。从开关方式又可以把开关电源分为硬开关和软开关两种，其中PWM控制方式比较普遍，多数为硬开关方式。相应的驱动芯片也比较普及，SG1525为其中比较常见的一种控制芯片，是一种成熟可靠价廉物美的控制芯片。PFM控制主要为软开关方式，具有效率高、开关应力小等优点，而PFM专用控制芯片不多。本文针对PFM控制需求，利用PWM控制器SG1525设计出一种定宽调频控制电路。

1　SG1525控制器的工作原理

SG1525芯片是一种应用广泛、技术成熟的PWM控制器，具有可调整的死区时间控制功能和脉冲控制封锁保护等功能。芯片内部主要由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、触发器、欠压锁定电路、输出电路等构成，其内部结构图见图1所示。

SG1525芯片内部的振荡器通过外接定时电容和定时电阻产生锯齿波振荡和时钟脉冲信号。锯齿波作为载波信号Us，而误差放大器输出电压Ve作为调制信号。两个信号在PWM比较器中进行比较。当Ve>Us时比较器输出的PWM波形由逻辑低电平变为高电平，当Ve

2　应用SG1525控制器实现定宽调频的基本思路

根据上节介绍，SG1525芯片内部的振荡器通过外接定时电容和定时电阻产生锯齿波振荡和时钟脉冲信号，设想将定时电阻设计成随反馈量变化的电流调节电路替代，便可实现脉冲频率随着反馈量变化，即实现频率调节。上节同时介绍，载波电压Us与Ve的比较决定了脉冲宽度。为此，设想控制PWM控制器内部误差放大器Ve的输出，实现脉冲定宽控制。为提高定宽调频电路的安全性和可靠性，同时考虑设计了检测保护电路。基于该思路的原理图如图3所示。反馈量通过外围辅助调宽控制电路作用于SG1525芯片的EA(+)脚，即SG1525芯片的误差放大器同相端。由SG1525芯片工作原理可知，将芯片内误差放大器工作在跟随器状态，9脚输出信号与 CT 振荡信号进行比较得到频率为振荡器输出频率一半的占空比控制信号。9脚信号越大，则11脚和14脚输出两路相位互差180°的方波脉冲驱动信号的占空比越大，即实现了调宽控制。反馈量通过外围辅助调频控制电路作用于SG1525芯片的RT脚，即SG1525芯片的定时电阻端，实现SG1525振荡频率的调节，即实现了调频控制。反馈量通过外围检测保护电路作用于SG1525芯片的SHUT脚，即SG1525芯片的关断端，即实现SG1525的保护。

3　SG1525实现PFM控制器的实现方法

3.1　脉冲调频电路设计

SG1525芯片内部的振荡器产生锯齿波的频率为

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

(1)

其中，C1为SG1525芯片的5脚外接定时电容；R1为6脚外接定时电阻；RD为7脚外接放电电阻，RD≪R1。锯齿波的频率表面上是由C1、R1及RD决定的，实际芯片的脉冲周期TP为

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

(2)

其中，VH是电容C1在TP内完成充电时的最大电压；VL是电容C1在TP内放电时的最小电压；ICT是流过电容C1的电流；电流越大，控制器输出的脉冲频率越高。为了确保芯片正常工作，ICT设计的值一定要控制在0.025～1.8 mA内。图4所示是脉冲频率调节的工作原理图。由图4可知流出芯片6脚电流ICT为

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

(3)

脉冲频率本质上是由C1和IRT决定的。在R1、R2和C1选定后，电流IRT(IRT=ICT)随V2调节而变化，脉冲频率由V2的变化而变化，即脉冲频率f为

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

(4)

反馈量的变化通过运放电路可以改变V2的大小，从而改变控制器的脉冲频率，实现频率调制，即V2决定控制器的脉冲频率。根据脉冲频率调节的工作原理，设计的电路图如图5所示。采样电压经同相运算放大电路可以改变V2的大小，即实现SG1525频率的调节，其中电路中的电位器R6用于调节运放的放大系数。

3.2　脉冲定宽电路设计

根据控制器SG1525的工作原理，频率调节的同时改变PWM控制器内部误差放大器Ve(Ve=V1)的输出，可以推导出定宽原理模型，如图6所示。BC的大小代表定时电容C1在一个振荡锯齿波内的充电时间T1，CD的大小代表定时电容C1在一个振荡锯齿波内的放电时间T2，FE的大小代表驱动脉宽d，AC=VH-VL=2.36(V)，AE=VH-V1=3.34-V1。根据三角形性质FE/BC=AE/AC可知：

(5)

结合芯片SG1525的特性，可知定时电容的放电时间T2=1.21C1*RD是不变的，脉冲周期TP=T1+T2，则可以推导出V1、V2和d之间的关系式：

(6)

根据式(6)，当设计控制器的辅助电路V1、V2电压和脉宽d满足式(5)的关系时就可以实现芯片输出的驱动信号脉冲宽度d不变，而脉冲频率随采样反馈量变化，即设计出了一种定宽调频的控制器。

根据PWM控制器SG1525的调宽工作原理，设计的脉宽调制电路如图7所示。由图可知，采样电压通过N2运放实现放大器跟随、反相运算放大、加法运算和倒相作用形成电压V1。电压V1连接芯片SG1525的误差放大器同相端，经过误差放大器跟随作用，产生信号Ve(Ve=V1)与Ct振荡信号进行比较，形成脉冲控制信号。调节电路中电位器R4和电位器R10可以改变运放输出电压V1的大小，从而改变驱动信号占空比的大小。

3.3　检测保护电路设计

控制器SG1525的检测保护电路设计方法是：输出电压采样经过N1运放比较电路，连接N2双稳态触发器，当超出上下阈值后，锁定PWM控制器SG1525芯片的输出。双稳态触发器的复位端则实现对故障的复位。该电路实现了控制器驱动电路的过压保护功能，具体设计电路见图8。同时，该电路根据不同反馈量也可以实现过流保护、过热保护等功能性设计，保证了驱动电路的可靠性和安全性。

3.4　电路时序分析

根据脉冲调频电路设计可知调节6脚(RT)上的电流IRT就可以实现改变输出控制信号的频率。根据PWM控制器SG1525的调宽工作原理可知调节芯片SG1525的9脚的电压Ve可以改变输出脉宽。结合定宽原理的模型，设计控制器的辅助电路产生V1、V2和脉宽d。当V1、V2和脉宽d满足式(6)时，控制器Out A、Out B可以交替输出脉宽d不变、频率随输出电压采样不同而调节的脉冲信号，即实现了定宽调频的功能。图9所示是PWM控制器SG1525定宽调频工作时序图。由图9可知，控制器SG1525的时钟周期随Ve反馈电压而改变，控制器SG1525的驱动脉宽是不变的。

改变PWM控制器SG1525调宽辅助电路中的可调电阻R4、R10参数和调频辅助电路中的R6元器件参数，可以得到不同定宽和频率范围的定宽调频控制器。改变辅助电路中的其他元器件参数，或设计不同类型反馈量采样都可以形成定宽调频控制器。控制器根据不同反馈量采样形成调宽、调频和定宽调频的功能可以提高变频电源的动态性能。