一種新型開關電源的PWM控制

為了實現(xiàn)電力電子電源系統(tǒng)的小型化，輕量化，要求開關電源高頻化，這就要使用全控型電力電子器件。而他們的開通和關斷，是采用PWM控制技術來控制其導通和關斷，從而使主電路輸出電壓穩(wěn)定的一種電源。

開關電源控制電路一般應具有以下功能：頻率可在較寬范圍內預調的固定頻率振蕩器，占空比可調節(jié)的脈寬調制功能，死區(qū)時間校準器，一路或兩路具有一定驅動功率的輸出圖騰柱式電路，禁止、軟啟動和電流、電壓保護功能等。脈寬控制電路是開關電源的核心部分，目前有多種集成的脈寬控制電路器件，圖1所示是脈寬控制器的基本原理圖。

圖1 脈寬調制電路原理圖

控制電路主要由電子控制電路和驅動電路構成，而控制電路中的脈寬調制電路是整個電源控制系統(tǒng)的核心，它與控制系統(tǒng)中的其他電路都有直接聯(lián)系，其主要作用是將電壓給定信號和電壓反饋信號進行比較放大，根據(jù)給定值與反饋值的差值，輸出相應寬度的脈沖信號，以調整電源輸出電壓的大小。通常采用定頻率調脈寬的PWM方式來達到控制器所需的特性控制。脈寬調制電路還有欠壓、過壓、過流等保護功能，封鎖輸出脈沖，使電源停止輸出。另外，脈寬調制電路還具有軟啟動、死區(qū)設定等功能。

本設計采用SG3525作為電源的PWM控制芯片。該芯片使用簡單，只需要外接少量電阻電容，即可構成所需的脈寬調制電路。如圖2所示，芯片內部主要由誤差放大器N1、比較器N2、振蕩器、分相器和觸發(fā)器等組成。

圖2 脈寬調制電路圖

開關頻率由外接定時電阻Rt和定時電容Ct決定，振蕩頻率，如公式1所示。

fs=1/（Ct（0.7Rt+3R5））（1）

為了防止橋臂直通，設有死區(qū)時間，其值由R5和Ct決定。信號的占空比隨Ug變化，Ug越高，N1的輸出越大，N2輸出脈沖的占空比也就越大，從而實現(xiàn)了脈寬調制。

驅動電路的作用是把脈寬調制器輸出兩路信號進行功率放大，分別驅動IGBT管，并且實現(xiàn)主電路和控制電路的隔離。

SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調制器是按照接反饋電流來調節(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行比較，從而調節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。

SG3525內置了5.1V精密基準電源，微調至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內，無須外接分壓電阻。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)時鐘信號同步，為設計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調節(jié)功能。由于SG3525內部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。SG3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個軟啟動電容。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，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導通。只有軟啟動電容充電，才使其引腳8處于高電平時，SG3525才開始工作。

由于實際中，基準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。當輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM鎖存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了系統(tǒng)無靜差。反之亦然。外接關斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當Shut?down（引腳10）上的信號為高電平時，PWM鎖存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，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，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程。注意，引腳10不能懸空，應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。

反饋回路中，對輸出電壓信號的取樣，采用在輸出端并聯(lián)電阻。再將高壓經(jīng)電阻串聯(lián)衰減的方法實現(xiàn)。R3，R4，Rw為電壓取樣反饋電阻，電壓經(jīng)隔離反饋后，從SG3525芯片的1腳輸入，控制占空比，進而調節(jié)輸出電壓，達到穩(wěn)壓的目的。其穩(wěn)壓原理是：若輸出電壓偏高，采樣反饋的信號也偏高，與SG3525中誤差放大器的基準電壓比較后的電壓偏低，導致占空比的寬度變窄，引起輸出電壓下降；反之亦然。Rw是可調電阻，通過調節(jié)Rw來調節(jié)輸出電壓。

系統(tǒng)的輸出電壓通過取樣電阻Rw來調節(jié)，改變可變電阻的值可以改變輸出電壓，所得實驗波形，如圖3所示。圖3是取樣電阻Rw為20kΩ時的輸出電壓波形圖。由圖3（a）實際讀數(shù)可知，輸出電壓從OV上升到5kV的響應時間為0.5s左右。電源系統(tǒng)具有較快的響應速度，同時，由圖3（b）中的電壓波形局部放大圖可見，輸出電壓為5000V時，電壓波動在士150V內，由V&TImes;100%=3%可知，其最大電壓波動小于5%。

圖3 可變電阻為20kΩ時的電壓輸出波形圖

采用SG352控制芯片所設計的開關電源，具有傳統(tǒng)開關電源不可比擬的穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點，能滿足目前精密電子系統(tǒng)中廣泛要求高電壓、低電流的小功率電源，同時滿足電源系統(tǒng)具有重量輕、響應速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點的要求。