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PWM控制器SG3525的两种宏模型.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.07M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    　1996 年 9 月 　第 19 卷第 3 期 北 京 邮 电 大 学 学 报 Sept . 1996 Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications Vol. 19 No. 3 PWM 控制器 SG3525 的两种宏模型 肖 　曙 　　谢沅清 ( 北京邮电大学无线电工程系 , 北京 100088) 摘 　要 　高频开关电源的计算机辅助分析与设计 (CAA/ CAD) 要求建立脉冲宽度调制 ( PWM) 控制 器的有效模型. 介绍了 SG3525 的两种不同的宏模型. 模型 Ⅰ提供了全功能等效电路 , 可应用于 开关变换器的设备级实时分析. 简化后的模型 Ⅱ则适于模拟小信号交流环路和大信号瞬态响应的 特性. PSPICE 仿真的结果表明 , 适用于不同分析目的和分析场合 , 两种宏模型都具有较高的精 确度. 关键词 　开关电源 ; PWM ; 宏模型 分类号 　TN86 　　由于高频开关电源在小型化 、轻量化 、高效率等方面具有的显著性能优势 , 在计算机和 通信领域中应用的比例越来越大. 高频开关电源代替线性电源已成为必然趋势. 作为性能优 良的 PWM 控制器 , SG3525 在工作于电压模式 PWM 控制的 DC2DC 变换器中得到了广泛应 用. 在高频大功率 DC2DC 变换器的设计中 , 计算机辅助分析与设计逐渐成为重要的环节. 然 而 , 在使用电路分析软件包 PSPICE 510 进行开关调节器的仿真时 , 遇到的一个首要困难就 是 PWM 控制器的建模. 文献 1 给出的开关电源的仿真实例不包括 PWM 控制器 , 所以只能进行瞬态分析 , 并且 因为使用独立电压源作为驱动脉冲源 , 占空比不可变 , 所以整个电路实质上工作于开环状 态 , 更谈不上小信号交流环路特性和大信号瞬态响应的仿真. 而后面二者恰恰决定了 DC2DC 变换器稳定工作的条件和所能达到的技术指标. 在讨论了 SG3525 的功能组成和技术特性之 后 , 这里给出两种不同的 PSPICE 宏模型 , 基本上解决了对开关电源进行闭环仿真分析时的 障碍. 1 　SG3525 的研究 SG3525 脉宽调制型控制器作为 SG3524 的改进型 , 更适合于运用 MOS 管作为开关器件 的双端 DC2DC 变换器. 它是采用双极型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路. SG3525 的 内部功能框图如图 1 所示 , 它主要包含以下几个组成部分 : ①输出 511 V , 温度系数为 1 %的参考电压源 U ref ; 　收稿日期 :1995 10 10 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
    66 〗北 京 邮 电 大 学 学 报 1996 　 ②频率范围 100 Hz～400 kHz , 死区可调的锯齿波振荡器 (OSC) ; ③误差放大器 ( EA) , 典型参数为输入失调电压 2 mV 、输入失调电流 1 μA 、输入偏置电 流 1 μA 、直流开环增益 75 dB 、增益带宽积 2 M Hz、共模抑制比 75 dB ; ④ PWM 比较器 C , 比较锯齿波和误差放大器的输出 ; ⑤软启动电路 , 由 8 端内部 50 μA 电流源和外接电容构成软启动 ; ⑥关断保护电路 , 由 10 端内部元件与外部电路相结合 , 实现对输出脉冲的快速关断 ; ⑦双路逻辑和脉冲输出电路 , 由 RS 寄存器 、触发器 ( FF) 及两个或非门构成双路控制逻 辑 , 两路输出采用图腾柱式连接 , 输出峰值电流 500 mA. 图 1 　SG3525 的内部功能框图 以上这些功能特点 , 使得它在高频开关电源的设计中得到广泛而灵活的应用. 与外部电 路相结合 , 它不仅能够实现 PWM 控制 , 还可以完成输入软启动 、过载限流 、过压保护等多种 实用的功能. SG3525 本身电路结构复杂 、集成度高 , 同时受计算机内存量及分析时间的限制 , 在 PSPICE 中对它作直接的电路描述和模拟是不实际的. 我们需要的是外特性基本一致 , 而电 路描述比实际电路简单得多的等效宏模型 , 使系统分析的规模和耗时大大改善 2 . 2 　宏模型 Ⅰ 在设计宏模型时首先必须考虑它的适用范围 , 即宏模型作用于什么样的电路中 , 要达到 什么样的分析目的. 在开关电源的设计中 , 进行整个系统的瞬时分析是必要的 , 这就要求对 实际系统进行设备级实时仿真 , 并由此决定电路拓扑结构的变化和元器件参数的选择 , 这一 过程对于大功率电源变换系统的设计尤其重要. 基于这一思想 , 及外部端特性一致的条件 , 将 SG3525 原电路中的功能构成简化 , 并剔 除一些无关部分 , 得到如图 2 所示的宏模型. © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
    　　第 3 期 肖 　曙等 : PWM 控制器 SG3525 的两种宏模型 76 　 图 2 　SG3525 的等效宏模型 Ⅰ 宏模型的设计思想为 : (1) 误差放大器 : 采用压控电流源模拟. 设定其跨导 G1 为 112 mS , 并接电阻 R 1 为 5 MΩ , 得到开环增益 A O = G1 ×R 1 = 6 000 (75 dB) 电容 C1 决定误差放大器的带宽 , C1 为 106 p F 时有 BW = 1/ (2πR 1 C1) = 300 Hz 　　另外 CI 、R I 为模拟输入阻抗. (2) 双路输出逻辑 : SG3525 输出相位差为为 180°的两路驱动脉冲 , 本设计中采用误差放大器 输出与相位差为 180°的两组脉冲电压源分别比较 的方法 , 得到两路输出. (3) 脉宽调制 : SG3525 中的脉宽调制由误差 放大器输出与锯齿波比较实现. 宏模型用脉冲源 模拟 锯 齿 波 , 又 考 虑 到 误 差 放 大 器 输 出 高 于 316 V 时 , 脉宽最宽 , 再叠加一个矩形波 , 得到 两路比较脉冲示于图 3. 注意到锯齿波宽度小于 半周期 , 二者差值决定了死区大小. 对应不同的工作频率 , 可相应调整脉冲源的参数. 图 3 　叠加后的两路比较脉冲 (4) 波形输出 : 叠加后的波形与 9 端比较之后 , 经过放大限幅形成已调宽的矩形波. 为 防止外部阻抗及其它电特性对宏模型内部的影响 , 再插入一级压控电压源 , 使输出与宏模型 内部相隔离. 这样可以改善输出波形 , 同时又避免了 PSPICE 仿真时的不收敛现象. (5) 软启动电路 : 宏模型通过一个二极管接至电流源与电容组成的回路 , 实现 9 端电压 的缓升. 8 端连到 511 V 的参考电压源限幅. (6) 关断电路 : 这是宏模型中唯一与实际电路一致的部分. 10 端外接高电平时 , Q 开通 , © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
    86 〗北 京 邮 电 大 学 学 报 1996 　 导致 8 端和 9 端电平下降 , 关闭输出脉冲. 经过整形的输出脉冲波形较好 , 但有上下沿过陡的问题. 这种过陡的上下沿不仅会增大 系统模拟时变压器的尖峰 , 还可能引起不收敛现象. 因此 , 在输出前再加一级电路 , 减缓其 上下沿的坡度. 这种宏模型保留了 SG3525 的主要功能 , 可以直接插入整个开关电源系统的电路描述中 , 进行设备级实时仿真. 3 　宏模型 Ⅱ 作为一个非线性的闭环调节系统 , 开关电源的稳定性判定和设计十分重要 , 否则系统将 会产生振荡而不能正常工作. 运用状态空间平均化技术 , 可得到 DC2DC 变换器的交流小信号 模型 4 . 基于这一理论 , 相应修改宏模型 Ⅰ, 得到宏模型 Ⅱ. 它适于对开关电源作交流环路 分析 , 以及大信号瞬态响应的模拟. 宏模型 Ⅱ如图 4 所示 , 它保留了宏模型 Ⅰ的误差放大器部分 , 去除不必要的软启动和关 断保护电路 , 并将输出改为单路. 虽然输出部分二者比较相似 , 但此时宏模型 Ⅱ的输出已不 是占空比可变的驱动脉冲 , 而是代表占空比 D 的电平值. 这一输出直接连到交流小信号模型 中代表 DC2DC 变压器宏模型的控制端上 3 ,5 . 图 4 　SG3525 对于 SG3525 脉宽调制器 , 占空比 D 由下式决定 D = Ton T = Ec - Eo Ep - Eo ( T - To T ) 其中 Ton 和 T 分别为开通时间和开关周期 , To 为死区时间 , Ec 为控制电压 , Ep 和 Eo 则为锯 齿波的峰值和谷值. 压控电流源 GD 、电压源 V O 、压控电压源 ED 实现上式的运算 , 在节点处 11 输出占空比 电平. 电压源 V M 、V P 限制最大和最小占空比分别为 0190 和 0101 . 宏模型 Ⅱ并非 SG3525 的全功能等效电路 , 它只能用于交流小信号模型的仿真分析中. © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
    　　第 3 期 肖 　曙等 : PWM 控制器 SG3525 的两种宏模型 96 　 4 　仿真结果 两种宏模型适用于不同的分析场合. 宏模型 Ⅰ的核心在于输出占空比随输入电压变化 的驱动脉冲 , 测试时给误差放大器加入单位反馈 , 观察 11 和 14 端的输出脉冲与输入电压 V IN 的关系. 当 V IN 分别为 215 V 和 315 V 时 , PSPICE 瞬态分析的输出波形如图 5 所示. 其中 V IN 为 215 V 时给出了两路输出. 可以看出宏模型 Ⅰ具有良好的调宽效果 , 而且两路脉冲的 相位关系也与 SG3525 原电路一致. 对宏模型 Ⅱ的验证应用了 48V30A 的高频开关电源实际电路. 经简化得到的 PSPICE 等 效仿真电路见图 6. 图中包含了两个子电路 PWMXFM[3 ,5 ] 和 SG3525 , 以及 L C 滤波器和反馈 补偿网络. (a) V IN = 215 V 　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) V IN = 315 V 图 5 　不同 V IN时的输出波形 　　对图 6 电路执行以下 PSPICE 仿真 : ①交流环路分析 : 执行在闭环直流工作点附近的交流环路分析 , 必须将环路打开 , 设定 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
    07 〗北 京 邮 电 大 学 学 报 1996 　 L OL = 109 H , COL = 109 F. 　　电压源 V OL 注入 1 V 的交流信号至 PWM 转换器 PWMXFM , 在节点 14 处观察开环传递函 数 , 得到波特图见图 7 (a) . 从图中可以看 出相位裕量为 50°左右 , 增益裕量大于 50 dB. 将 C6 短路并去除 R 5 和 C4 , 考虑到 误差放大器的增益很小 , 其带宽远大于 L C 滤波器的极点频率. 在节点 6 得到等 效的不加补偿的开环传递函数的波特图 , 如图 7 (b) . 其相位裕量仅为 20°, 非常容 易振荡. 这一结果与实际吻合. ②半载到满载瞬态响应 : 设定 RL 为 312Ω, 电流源 IL 从 0 跳变到 15 A 执行瞬 态分析 , 结果如图 8 所示. 开始输出电压 下降约 150 mV , 然后逐渐回升. 图 8 (b) 为占空比的变化 , 经过 3 个振荡周期后恢 复. 在第一个振荡峰值处占空比被钳位为 最大值. ③输入线变化瞬态响应 : 设定 Es 为 图 7 　交流环路响应的波特图 311 V 至 368 V 的阶跃输入 , 对应交流输入 220 V 跳变至 260 V . 满载下 4 ms 的瞬态响应见 图 9. 输出端变化不超过 40 mV. 实际测试与之相符. 图 8 　半载至满载的瞬态响应 5 　结 　论 两种宏模型都具有较好的精确度. 当需要寻求整个开关电源系统各个部分设备正常工作 的条件时 , 直接代入宏模型 Ⅰ大大简化了分析的规模 , 节省了分析时间. 而进行环路稳定性 判定和大信号瞬态响应的仿真时 , 与状态空间平均线性化技术得到的 DC2DC 变换器的交流 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
    　　第 3 期 肖 　曙等 : PWM 控制器 SG3525 的两种宏模型 17 　 小信号模型相结合 , 宏模型 Ⅱ发挥了重要作用. 图 9 　输入线变化的瞬态响应 参 考 文 献 1 　李本俊 , 刘选忠 , 宋俊德 , 辛德禄. 电子电路计算机辅助分析与设计. 北京 : 电子工业出版社 , 1992 2 　贾新章 , 郝跃. 电子线路 CAD 技术与应用软件. 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 1993 3 　Bello V. Computer2modeling the pulse width modulatde( PWM) inverter. Powercon 7 , 1980. 24～27 4 　Middlebrook R D , Cuk S. A general unified approach to modeling switching converter power stages. IEEE PESC , 1976. 18～34 5 　Bello V. Computer aided analysis of switching regulators using SPICE2. IEEE PESC , 1980. 3～11 Two Marco Models of PWM Controller SG3525 Xiao Shu 　Xie Yuanqing (Department of Radio Engineerng , Beijing University of Posts and Communications , Beijing 100088) Abstract 　The CAA/ CAD of high frequency switching power supply has created a need for mod2 eling PWM controller. Two different marco models of SG3525 are introduced. Model Ⅰproposes a full function equivalent circuit , which adapts to a device2stage real time analysis of switching converter. Simplified model Ⅱis more convenient for analogy of small signal AC characters and large signal transient responses. The results of PSPICE simulation show that two marco models have high accuracy , and can be applied to different analysis objects and conditions respectively. Key words 　switching power supply ; PWM ; marco model © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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