SG3525工作原理与应用技巧

1.1PWM控制芯片SG3525功能简介随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（SiliconGeneral）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。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。1.1.1SG3525引脚功能及特点简介其内部结构和原理框图如下：图11.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5的软启动电容。9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。11.OutputA（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。12.Ground(引脚12)：信号地。13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。14.OutputB（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准其中，脚16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。特点如下：（1）工作电压范围宽：8—35V。（2）5.1（11.0%）V微调基准电源。（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz¬—400KHz.（4）具有振荡器外部同步功能。（5）死区时间可调。（6）内置软启动电路。（7）具有输入欠电压锁定功能。（8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。（10）双路输出（灌电流/拉电流）：mA(峰值)。各部分功能：a基准电压源:基准电压源是一个三端稳压电路，其输入电压VCC可在（8～35）V内变化，通常采用+15V，其输出电压VST＝5.1V，精度±1%，采用温度补偿，作为芯片内部电路的电源，也可为芯片外围电路提供标准电源，向外输出电流可达400mA，没有过流保护电路。b振荡电路：由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压VH=3.9V，低门限电压VL=0.9,内部横流源向CT充电，其端压VC线性上升，构成锯齿波的上升沿，当VC=VH时比较器动作，充电过程结束，上升时间t1为：t1=0.67RTCT比较器动作时使放电电路接通，CT放电，VC下降并形成锯齿波的下降沿，当VC=VL时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间t2为：t2=1.3RDCT注意：此时间即为死区时间锯齿波的基本周期T为:T=t1+t2=(0.67RT+1.3RD)CT因为RD《RT=t2《t1由上可见锯齿波的上升沿远长于下降沿，因此上升沿作为工作沿，下降沿作为回扫沿。c误差放大器：由两级差分放大器构成，其直流开环放大倍数为80dB左右，电压反馈信号uf从端子1接至放大器反相输入端，放大器同相输入端接基准电压。该误差放大器共模输入电压范围是1.5V-5.2V。dPWM信号产生及分相电路：比较器的反相端接误差放大器的输出信号ue，而振荡器的输出信号uc则加到比较器的同相输入端，比较器的输出信号为PWM信号，该信号经锁存器锁存，分相电路由二进制计数器和两个或非门构成，其输入信号为振荡器的时钟信号，并用时钟信号的前沿触发，输出为频率减半的互补方波，这些方波和PWM信号输入到或非门逻辑电路。其结果是，所有的输入为负时，输出为正。这样P1、P2的输出每半周期交替为正，其宽度和PWM信号的负脉冲相等。脉冲很窄的时钟信号输入到逻辑或非门电路，可使两个门的输出同时有一段低电平，以产生死区时间。e脉冲输出级电路:输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快.11脚和14脚相位相差180°，拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为100ns。可以在13脚处接一个约0.1uf的电容滤去电压尖峰。图23525各点工作波形1.1.2SG3525的工作原理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，无须外接分压电组。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5的软启动电容。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至其上的电压使引脚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琐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，实现了稳态。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Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，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，Shutdown引脚不能悬空，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。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。1.1.3SG3524与SG3524主要区别作为SG3524的增强版本，SG3525在以下方面进行了改进。1增加欠电压锁定电路。当SG3525输入电压低于8V时，控制器内部电路锁定，除基准电源和一些必要电路之外的所有电路停止工作，此时控制器消耗的电流极小。2增加了软启动电路。引脚8为软启动控制端，该端可外接软启动电容。软启动电容由SG3525内部50的恒流源进行充电。3提高了基准电源的精度。SG3525中基准电源的精度提高了1%，而SG3524中基准电源的精度只有8%。4去除了限流比较器。SG3525去除了SG3524中的限流比较器，改由外部关断信号输入端（引脚10）来实现限流功能，同时还具有逐个脉冲关断和直流输出电流限幅功能。实际使用中，一般在引脚10上接电流检测信号，如果过电流检测信号维持时间较长，软启动电容将被放电。5PWM比较器的反向输入端增加至两个。在SG3524中，误差放大器输出端、限流比较器输出端和外部关断信号输入电路共用PWM比较器的反向输入端。在SG3525中对此进行了改进，使误差放大器输出端和外部关断信号输入电路分别送至PWM比较器的一个反向输入端。这样做的好处在于，避免了误差放大器和外部关断信号输入电路之间相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度提高。6增加了PWM琐存器。为了使关断电路更可靠的工作，SG3525在其内部增加了PWM琐存器。PWM比较器输出信号首先送至PWM琐存器，琐存器由关断电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。当关断电路工作时，即使过电流信号立即消失，琐存器也可以维持一个周期的关断控制，直到下一周期时钟信号使琐存器复位为止。同时，由于PWM琐存器对PWM比较器的置位信号进行琐存，误差放大器上的噪声信号、振铃及其他信号在此过程中都被消除了。只有在下一个时钟周期才能重新复位，可靠性大大提高。7振荡器增加了同步端和放电端。SG3524中的振荡器只有CT和RT两个引脚，其充电和放电回路是相同的。在SG3525中的振荡器除了CT和RT两个引脚外，又增加了一个同步端（引脚3）和一个放电端（引脚7）。RT的阻值决定了内部恒流源对CT充电电流的大小，而CT的放电则由引脚5和引脚7之间的外接电阻决定。将充电回路和放电回路分开，有利于通过引脚5和引脚7之间的外接电阻来调节死区时间。这样SG3525的震荡频率由下式进行计算：FOSC=1/[(0.7*RT+RD)*CT]同步端（引脚3）主要用于多只SG3525之间的外部同步，同步脉冲的频率应比震荡频率FOSC略低一些。8改进了输出级的结构。SG3525对SG3524输出级进行了改进，以适应功率MOS-FET的需要，其末级采用了推挽式电路，关断速度更快。SG3525的输出级采用图腾柱式结构，其灌电流/拉电流能力超过200mA。在单端变换器应用中，SG3525的两个输出端应接地，如图4.14当输出晶体管开通时，R1上会有电流流过，R1上的压降将使VT1导通。因此VT1是在SG3525内部的输出晶体管导通时间内导通的，因此其开关频率等于SG3525内部振荡器的频率。当采用推挽式输出时，应采用如下结构，如图4.15VT1和VT2分别由SG3525的输出端A和输出端B输出的正向驱动电流驱动。电阻R2和R3是限流电阻，是为了防止注入VT1和VT2的正向基极电流超出控制器所允许的输出电流。C1和C2是加速电容，起到加速VT1和VT2导通的作用。由于SG3525的输出驱动电路是低阻抗的，而功率MOSFET的输入阻抗很高，因此输出端A和输出端B与VT1和VT2栅极之间无须串接限流电阻和加速电容，就可以直接推动功率MOSFET，如图4.16。另外，SG3525还能够直接驱动半桥变换器中的小功率变压器。如果变压器一次绕组的两端分别直接接到SG3525的两个输出端上，则在死区时间内可以实现变压器的自动复位，如图4.17SG3525在双管正激开关电源中的应用根据SG3525各脚功能和双管正激电路开关管控制规律，接有如图3所示的SG3525外围电路。脚5、脚6、脚7的电容、电阻值决定了振荡器的振荡频率。脚1和脚2为SG3525