SG3525工作原理與應(yīng)用技巧

1、1.1 PWM控制芯片SG3525功能簡介 隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET在開關(guān)變換器中開始廣泛使用，為此美國硅通用半導(dǎo)體公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。其產(chǎn)品一推出就受到廣泛好評。SG3525系列PWM控制器分軍品、工業(yè)品、民品三個(gè)等級。下面我們對SG3525特點(diǎn)、引腳功能、電氣參數(shù)、工作原理以及典型應(yīng)用進(jìn)行介紹。 SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值

2、電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。 1.1.1 SG3525引腳功能及特點(diǎn)簡介 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理框圖如下： 圖11.Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。 2.Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)

3、節(jié)器。 3.Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。 4.OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。 5.CT(引腳5)：振蕩器定時(shí)電容接入端。 6.RT（引腳6）：振蕩器定時(shí)電阻接入端。 7.Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。 8.Soft-Start(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動電容。 9.Compensation(引腳9)：PWM比較器補(bǔ)償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。 10.Shutdo

4、wn(引腳10)：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時(shí)控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。 11.Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補(bǔ)輸出端。 12.Ground(引腳12)：信號地。 13.Vc(引腳13)：輸出級偏置電壓接入端。 14.Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補(bǔ)輸出端。 15.Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。 16.Vref(引腳16)：基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)其中，腳16 為SG3525 的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.11）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路

5、。腳5，腳6，腳7 內(nèi)有一個(gè)雙門限比較器，內(nèi)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB 左右。特點(diǎn)如下： （1）工作電壓范圍寬：835V。 （2）5.1（1 1.0%）V微調(diào)基準(zhǔn)電源。 （3）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz400KHz. （4）具有振蕩器外部同步功能。 （5）死區(qū)時(shí)間可調(diào)。 （6）內(nèi)置軟啟動電路。 （7）具有輸入欠電壓鎖定功能。 （8）具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖。 （9）逐個(gè)脈沖關(guān)斷。 （10）雙路

6、輸出（灌電流/拉電流）： mA(峰值)。 各部分功能：a 基準(zhǔn)電壓源: 基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)三端穩(wěn)壓電路，其輸入電壓VCC 可在（835）V 內(nèi)變化，通常采用+15V，其輸出電壓VST5.1V，精度1%，采用溫度補(bǔ)償，作為芯片內(nèi)部電路的電源，也可為芯片外圍電路提供標(biāo)準(zhǔn)電源，向外輸出電流可達(dá)400mA，沒有過流保護(hù)電路。b 振蕩電路： 由一個(gè)雙門限電壓均從基準(zhǔn)電源取得，其高門限電壓VH=3.9 V，低門限電壓VL=0.9,內(nèi)部橫流源向CT 充電，其端壓VC 線性上升，構(gòu)成鋸齒波的上升沿，當(dāng)VC=VH時(shí)比較器動作，充電過程結(jié)束，上升時(shí)間t1 為：t1= 0.67RTCT 比較器動作時(shí)使放電電路接通，C

7、T 放電，VC 下降并形成鋸齒波的下降沿，當(dāng)VC=VL時(shí)比較器動作，放電過程結(jié)束，完成一個(gè)工作循環(huán)，下降時(shí)間間t2 為：t2=1.3RDCT注意：此時(shí)間即為死區(qū)時(shí)間 鋸齒波的基本周期T 為:T=t1+t2=(0.67RT+1.3RD)CT因?yàn)镽DRT = t2 t1 由上可見鋸齒波的上升沿遠(yuǎn)長于下降沿，因此上升沿作為工作沿，下降沿作為回掃沿。c 誤差放大器：由兩級差分放大器構(gòu)成，其直流開環(huán)放大倍數(shù)為80dB 左右，電壓反饋信號uf 從端子1 接至放大器反相輸入端，放大器同相輸入端接基準(zhǔn)電壓。該誤差放大器共模輸入電壓范圍是1.5V-5.2V。d PWM 信號產(chǎn)生及分相電路： 比較器的反相端接誤差

8、放大器的輸出信號ue，而振蕩器的輸出信號uc 則加到比較器的同相輸入端，比較器的輸出信號為PWM 信號，該信號經(jīng)鎖存器鎖存，分相電路由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和兩個(gè)或非門構(gòu)成，其輸入信號為振蕩器的時(shí)鐘信號，并用時(shí)鐘信號的前沿觸發(fā)，輸出為頻率減半的互補(bǔ)方波，這些方波和PWM 信號輸入到或非門邏輯電路。其結(jié)果是，所有的輸入為負(fù)時(shí)，輸出為正。這樣P1、P2的輸出每半周期交替為正，其寬度和PWM 信號的負(fù)脈沖相等。脈沖很窄的時(shí)鐘信號輸入到邏輯或非門電路，可使兩個(gè)門的輸出同時(shí)有一段低電平，以產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間。e 脈沖輸出級電路:輸出末級采用推挽輸出電路，驅(qū)動場效應(yīng)功率管時(shí)關(guān)斷速度更快.11 腳和14 腳相位相差180，

9、拉電流和灌電流峰值達(dá)200mA。由于存在開閉滯后，使輸出和吸收間出現(xiàn)重迭導(dǎo)通。在重迭處有一個(gè)電流尖脈沖，起持續(xù)時(shí)間約為100ns?？梢栽?3 腳處接一個(gè)約0.1uf 的電容濾去電壓尖峰。圖2 3525 各點(diǎn)工作波形1.1.2 SG3525的工作原理 SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個(gè)外

10、接定時(shí)電容。 SG3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個(gè)5 的軟啟動電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長，PWM瑣

11、存器輸出高電平的時(shí)間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響SG3525的正常工作。 欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動電容將開始放電。 此外

12、，SG3525還具有以下功能，即無論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘信號到來，PWM瑣存器才被復(fù)位。 1.1.3 SG3524與SG3524主要區(qū)別 作為SG3524的增強(qiáng)版本，SG3525在以下方面進(jìn)行了改進(jìn)。 1增加欠電壓鎖定電路。當(dāng)SG3525輸入電壓低于8V時(shí)，控制器內(nèi)部電路鎖定，除基準(zhǔn)電源和一些必要電路之外的所有電路停止工作，此時(shí)控制器消耗的電流極小。 2增加了軟啟動電路。引腳8為軟啟動控制端，該端可外接軟啟動電容。軟啟動電容由SG3525內(nèi)部50 的恒流源進(jìn)行充電。 3提高了基準(zhǔn)電源的精度。SG3525中基準(zhǔn)電源的精度提高了1%，而SG3524中基準(zhǔn)電

13、源的精度只有8%。 4去除了限流比較器。SG3525去除了SG3524中的限流比較器，改由外部關(guān)斷信號輸入端（引腳10）來實(shí)現(xiàn)限流功能，同時(shí)還具有逐個(gè)脈沖關(guān)斷和直流輸出電流限幅功能。實(shí)際使用中，一般在引腳10上接電流檢測信號，如果過電流檢測信號維持時(shí)間較長，軟啟動電容將被放電。 5 PWM比較器的反向輸入端增加至兩個(gè)。在SG3524中，誤差放大器輸出端、限流比較器輸出端和外部關(guān)斷信號輸入電路共用PWM比較器的反向輸入端。在SG3525中對此進(jìn)行了改進(jìn)，使誤差放大器輸出端和外部關(guān)斷信號輸入電路分別送至PWM比較器的一個(gè)反向輸入端。這樣做的好處在于，避免了誤差放大器和外部關(guān)斷信號輸入電路之間相互影

14、響，有利于誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)工作精度提高。 6增加了PWM瑣存器。為了使關(guān)斷電路更可靠的工作，SG3525在其內(nèi)部增加了PWM瑣存器。PWM比較器輸出信號首先送至PWM瑣存器，瑣存器由關(guān)斷電路置位，由振蕩器輸出時(shí)間脈沖復(fù)位。當(dāng)關(guān)斷電路工作時(shí)，即使過電流信號立即消失，瑣存器也可以維持一個(gè)周期的關(guān)斷控制，直到下一周期時(shí)鐘信號使瑣存器復(fù)位為止。同時(shí)，由于PWM瑣存器對PWM比較器的置位信號進(jìn)行瑣存，誤差放大器上的噪聲信號、振鈴及其他信號在此過程中都被消除了。只有在下一個(gè)時(shí)鐘周期才能重新復(fù)位，可靠性大大提高。 7 振蕩器增加了同步端和放電端。SG3524中的振蕩器只有CT和RT兩個(gè)引腳，其充電和放電

15、回路是相同的。在SG3525中的振蕩器除了CT和RT兩個(gè)引腳外，又增加了一個(gè)同步端（引腳3）和一個(gè)放電端（引腳7）。RT的阻值決定了內(nèi)部恒流源對CT充電電流的大小，而CT的放電則由引腳5和引腳7之間的外接電阻決定。將充電回路和放電回路分開，有利于通過引腳5和引腳7之間的外接電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。這樣SG3525的震蕩頻率由下式進(jìn)行計(jì)算： FOSC=1/(0.7*RT+RD)*CT 同步端（引腳3）主要用于多只SG3525之間的外部同步，同步脈沖的頻率應(yīng)比震蕩頻率FOSC略低一些。 8改進(jìn)了輸出級的結(jié)構(gòu)。SG3525對SG3524輸出級進(jìn)行了改進(jìn)，以適應(yīng)功率MOS-FET的需要，其末級采用了推挽式

16、電路，關(guān)斷速度更快。 SG3525的輸出級采用圖騰柱式結(jié)構(gòu)，其灌電流/拉電流能力超過200mA。 在單端變換器應(yīng)用中，SG3525的兩個(gè)輸出端應(yīng)接地，如圖4.14 當(dāng)輸出晶體管開通時(shí)，R1上會有電流流過，R1上的壓降將使VT1導(dǎo)通。因此VT1是在SG3525內(nèi)部的輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的，因此其開關(guān)頻率等于SG3525內(nèi)部振蕩器的頻率。 當(dāng)采用推挽式輸出時(shí)，應(yīng)采用如下結(jié)構(gòu)，如圖4.15 VT1和VT2分別由SG3525的輸出端A和輸出端B輸出的正向驅(qū)動電流驅(qū)動。電阻R2和R3是限流電阻，是為了防止注入VT1和VT2的正向基極電流超出控制器所允許的輸出電流。C1和C2是加速電容，起到加速VT1

17、和VT2導(dǎo)通的作用。 由于SG3525的輸出驅(qū)動電路是低阻抗的，而功率MOSFET的輸入阻抗很高，因此輸出端A和輸出端B與VT1和VT2柵極之間無須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動功率MOSFET，如圖4.16。 另外，SG3525還能夠直接驅(qū)動半橋變換器中的小功率變壓器。如果變壓器一次繞組的兩端分別直接接到SG3525的兩個(gè)輸出端上，則在死區(qū)時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)變壓器的自動復(fù)位，如圖4.17 SG3525在雙管正激開關(guān)電源中的應(yīng)用 根據(jù)SG3525 各腳功能和雙管正激電路開關(guān)管控制規(guī)律，接有如圖3 所示的SG3525 外圍電路。腳5、腳6、腳7 的電容、電阻值決定了振蕩器的振蕩頻率。腳1 和

18、腳2 為SG3525的誤差放大器的反相和同相輸入端，現(xiàn)均通過一個(gè)電阻接地，讓它處于不工作狀態(tài)，因?yàn)楸究刂齐娐返恼`差放大器采用的是TL431，其原因是由于隔離反饋電路采用的是比較普遍的光隔離器。但是光隔離器的電流傳送比會隨溫度而漂移，也會隨著時(shí)間增加而逐漸變差，而且各個(gè)光耦合隔離器的誤差范圍也相差比較大，為了補(bǔ)償光耦合器的這些差異而不使用電位器，就要把誤差放大器放在光耦合隔離器的輸入側(cè)。誤差放大器可以檢測到光隔離器漂移引起的其輸出端的偏移，然后相應(yīng)地調(diào)整電流。副邊的誤差放大器通常采用的是TL431，它的內(nèi)部有一個(gè)具有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷簠⒖荚春鸵粋€(gè)放大器，反饋電路如圖4 所示。圖3 SG3525 在雙

19、管正激電源中的應(yīng)用圖4 光隔離的電壓反饋電路圖 SG3525的腳8 接不同的對地電容時(shí)軟啟動的時(shí)間不一樣。例如10滋F的電容所對應(yīng)的軟啟動時(shí)間為0.58 s，22 滋F 的電容所對應(yīng)的軟啟動時(shí)間為1.26s等。反饋信號直接送入腳9（即PWM比較器的反相輸入端），和振蕩器輸出的三角波進(jìn)行比較輸出PWM 波。由于雙管正激電路的兩個(gè)主開關(guān)管是同時(shí)導(dǎo)通和同時(shí)關(guān)斷，而SG3525的腳11 和腳14輸出的是兩路占空比相等，但相位互差180毅的驅(qū)動波形。所以只用其一路輸出。通過脈沖變壓器來隔離驅(qū)動兩個(gè)MOS管的開通和關(guān)斷。SG3525的腳11 和脈沖變壓器的輸入端接一電容主要是為了起到隔直的作用，避免驅(qū)動變壓器出現(xiàn)偏磁的現(xiàn)象。3 啟動電路的改進(jìn) 對離線式開關(guān)電源，如果啟動電路始終從電源輸入線獲取電流，會產(chǎn)生很可觀的損耗，特別是在高輸入電壓的場合下，啟動電阻的熱損耗很大，所以本文采用的啟動電路在電路穩(wěn)定工作后就切斷啟動回路，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。工作原理主要是當(dāng)整個(gè)電源進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，SG3