PWM控制器SG3525的两种宏模型

北京邮电大学学报

JournalofBeijingUniversityofPostsandTelecommunications

Sept.1996Vol.19No.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PSPICE510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511V,温度系数为1%的参考电压源Uref;

　收稿日期:1995

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②频率范围100Hz～400kHz,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2mV、输入失调电流1μA、输入偏置电流1μA、直流开环增益75dB、增益带宽积2MHz、共模抑制比75dB;

④PWM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50μA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500mA.

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,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.

　　第3期肖　曙等:PWM控制器SG3525的两种宏模型67　

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112mS,并接电阻R1为5MΩ,得到开环增益

AO=G1×R1=6000(75dB)

电容C1决定误差放大器的带宽,C1为106pF时有

πR1C1)=300HzBW=1/(2　　另外CI、RI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316V时,脉宽最宽,再叠加一个矩形波,得到

图3　叠加后的两路比较脉冲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.

(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511V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,

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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=

TonEc-EoT-To()=

TEp-EoT

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VO、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VM、VP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.

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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VIN的关系.当VIN分别为215V和315V时,PSPICE瞬态分析的输出波形如图5所示.其中

VIN为215V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LC滤波器和反馈补偿网络.

(a)VIN=215V　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)VIN=315V

图5　不同VIN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

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LOL=10H,COL=10F.　　电压源VOL注入1V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50dB.将C6短路并去除R5和C4,考虑到误差放大器的增益很小,其带宽远大于LC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15A执行瞬态分析,结果如图8所示.开始输出电压下降约150mV,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9.输出端变化不超过40mV.实际测试与之相符.

图7　交流环路响应的波特图

311V至368V的阶跃输入,对应交流输入220V跳变至260V.满载下4ms的瞬态响应见

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

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图9　输入线变化的瞬态响应

小信号模型相结合,宏模型Ⅱ发挥了重要作用.

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,19922　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　BelloV.Computer2modelingthepulsewidthmodulatde(PWM)inverter.Powercon7,1980.24～274　MiddlebrookRD,CukS.Ageneralunifiedapproachtomodelingswitchingconverterpowerstages.IEEE

PESC,1976.18～34

5　BelloV.ComputeraidedanalysisofswitchingregulatorsusingSPICE2.IEEEPESC,1980.3～11

TwoMarcoModelsofPWMControllerSG3525

XiaoShu　XieYuanqing

(DepartmentofRadioEngineerng,

BeijingUniversityofPostsandCommunications,Beijing100088)

Abstract　TheCAA/CADofhighfrequencyswitchingpowersupplyhascreatedaneedformod2elingPWMcontroller.TwodifferentmarcomodelsofSG3525areintroduced.ModelⅠproposesafullfunctionequivalentcircuit,whichadaptstoadevice2stagerealtimeanalysisofswitchingconverter.SimplifiedmodelⅡismoreconvenientforanalogyofsmallsignalACcharactersandlargesignaltransientresponses.TheresultsofPSPICEsimulationshowthattwomarcomodelshavehighaccuracy,andcanbeappliedtodifferentanalysisobjectsandconditionsrespectively.Keywords　switchingpowersupply;PWM;marcomodel