一种新型开关电源的PWM控制

电子

为了实现电力电子电源系统的小型化，轻量化，要求开关电源高频化，这就要使用全控型电力电子器件。而他们的开通和关断，是采用PWM控制技术来控制其导通和关断，从而使主电路输出电压稳定的一种电源。
1、开关电源控制电路原理

开关电源控制电路一般应具有以下功能：频率可在较宽范围内预调的固定频率振荡器，占空比可调节的脉宽调制功能，死区时间校准器，一路或两路具有一定驱动功率的输出图腾柱式电路，禁止、软启动和电流、电压保护功能等。脉宽控制电路是开关电源的核心部分，目前有多种集成的脉宽控制电路器件，图1所示是脉宽控制器的基本原理图。

图1 脉宽调制电路原理图

2、控制电路设计

控制电路主要由电子控制电路和驱动电路构成，而控制电路中的脉宽调制电路是整个电源控制系统的核心，它与控制系统中的其他电路都有直接联系，其主要作用是将电压给定信号和电压反馈信号进行比较放大，根据给定值与反馈值的差值，输出相应宽度的脉冲信号，以调整电源输出电压的大小。通常采用定频率调脉宽的PWM方式来达到控制器所需的特性控制。脉宽调制电路还有欠压、过压、过流等保护功能，封锁输出脉冲，使电源停止输出。另外，脉宽调制电路还具有软启动、死区设定等功能。
2.1、脉宽调制电路

本设计采用SG3525作为电源的PWM控制芯片。该芯片使用简单，只需要外接少量电阻电容，即可构成所需的脉宽调制电路。如图2所示，芯片内部主要由误差放大器N1、比较器N2、振荡器、分相器和触发器等组成。

图2 脉宽调制电路图

开关频率由外接定时电阻Rt和定时电容Ct决定，振荡频率，如公式1所示。

fs=1/（Ct（0.7Rt+3R5））（1）

为了防止桥臂直通，设有死区时间，其值由R5和Ct决定。信号的占空比随Ug变化，Ug越高，N1的输出越大，N2输出脉冲的占空比也就越大，从而实现了脉宽调制。
2.2、驱动电路

驱动电路的作用是把脉宽调制器输出两路信号进行功率放大，分别驱动IGBT管，并且实现主电路和控制电路的隔离。
3、PWM控制芯片SG3525的工作原理

SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。
SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电阻。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电，才使其引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。
由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM锁存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了系统无静差。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shut?down（引脚10）上的信号为高电平时，PWM锁存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，引脚10不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。
反馈回路中，对输出电压信号的取样，采用在输出端并联电阻。再将高压经电阻串联衰减的方法实现。R3，R4，Rw为电压取样反馈电阻，电压经隔离反馈后，从SG3525芯片的1脚输入，控制占空比，进而调节输出电压，达到稳压的目的。其稳压原理是：若输出电压偏高，采样反馈的信号也偏高，与SG3525中误差放大器的基准电压比较后的电压偏低，导致占空比的宽度变窄，引起输出电压下降；反之亦然。Rw是可调电阻，通过调节Rw来调节输出电压。
4、性能测试

系统的输出电压通过取样电阻Rw来调节，改变可变电阻的值可以改变输出电压，所得实验波形，如图3所示。图3是取样电阻Rw为20kΩ时的输出电压波形图。由图3（a）实际读数可知，输出电压从OV上升到5kV的响应时间为0.5s左右。电源系统具有较快的响应速度，同时，由图3（b）中的电压波形局部放大图可见，输出电压为5000V时，电压波动在士150V内，由V×100%=3%可知，其最大电压波动小于5%。

图3 可变电阻为20kΩ时的电压输出波形图

5、结论

采用SG352控制芯片所设计的开关电源，具有传统开关电源不可比拟的稳定性好、响应速度快等优点，能满足目前精密电子系统中广泛要求高电压、低电流的小功率电源，同时满足电源系统具有重量轻、响应速度快、稳定性好、可靠性高等特点的要求。