PWM信号发生电路

1．PWM信号概述脉冲宽度调制（PWM）信号广泛使用在电力变流技术中，以其作为控制信号可完成DC-DC变换（开关电源）、DC-AC变换（逆变电源）、AC-AC变换（斩控调压）和AC-DC变换（功率因数校正）。产生PWM信号的方法有多种，现分别论述如下：1）普通电子元件构成PWM发生器电路基本原理是由三角波或锯齿波发生器产生高频调制波，经比较器产生PWM信号。三角波或锯齿波与可调直流电压比较，产生可调占空比PWM信号；与正弦基波比较，产生占空比按正弦规律变化的SPWM信号。此方法优点是成本低、各环节波形和电压值可观测、易于扩展应用电路等。缺点是电路集成度低，不利于产品化。2）单片机自动生成PWM信号基本原理是由单片机内部集成PWM发生器模块在程序控制下产生PWM信号。优点是电路简单、便于程序控制。缺点是不利于学生观测PWM产生过程，闭环控制复杂和使用时受单片机性能制约。3）可编程逻辑器件编程产生PWM信号基本原理是以复杂可编程逻辑器件（CPLD）或现场可编程门阵列器件（FPGA）为硬件基础，设计专用程序产生PWM信号。优点是电路简单、PWM频率和占空比定量准确。缺点是闭环控制复杂，产生SPWM信号难度大。4）专用芯片产生PWM信号是生产厂家设计、生产的特定功能芯片。优点是使用方便、安全，便于应用到产品设计中。缺点是不利于学生观测PWM产生过程和灵活调节各项参数。2．电子元件构成PWM发生器电路D15.1KR1100KR210KR31000pFCVCCVCCVC(12V)VEEVE(-12V)VEE85326741AD811U44.5mHL1KRL10KRp_1VCC(5V)VCC(5V)VEE(-5V)Vo_385326741LM741CNU185326741LM741CNU285326741LM741CNU3Vo_1GNDVo_210uFCVo_sin_A图1电子元件构成PWM发生器电路3．集成芯片SG3525构成PWM发生器电路一、PWM信号发生电路说明实验电路中，驱动开关管的PWM信号由专用PWM控制集成芯片SG3525产生（美国SiliconGeneral公司生产），PWM信号发生器电路如图2所示。OUTB14OSCOUT4IN+2RT6CT5DISC7CMPEN9IN-1SYNC3GND12SS8VCC15VC13OUTA11VREF16SD10SG3525AN+15V15KR110R222KR312KR410KR510KR610KRw414841480.01uFC1100uFC2+15DzDz10KR762R830KR9V_EV_G光电隔离Ur12PWM图2PWM信号发生器电路图SG3525采用恒频脉宽调制控制方案，内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在OUTA、OUTB两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相差一个周期、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。占空比控制端Ur与输出端OUTA、OUTB两端波形图如图3所示。图3Ur与OUTA、OUTB波形图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所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芯片内部功能框图如图4所示。图4SG3525芯片内部功能框图各引脚功能如下所述：1．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。该端可输出一个温度稳定性极好的基准电压。SG3525芯片特点如下所述：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）：200mA(峰值)。二、SG3525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。SG3525的震荡频率由下式进行计算：)37.0(1RRCfDTT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。在单端变换器应用中，SG3525的两个输出端应接地，如图5所示。图6单端变换器中的应用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6所示。VT1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。图6采用推挽式输出时电路结构图由于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7所示。图7直接推动功率MOSFET电路图另外，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8所示。图8直接驱动半桥变换器中的小功率变压器电路图