直流脉宽调速实验原理汇总

第3章 直流脉宽调速实验原理一 适用于直流脉宽调速控制电路的IC 芯片一．SG3525A 脉宽调制器控制电路简介SG3525A 系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。

在芯片上的5.1V 基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。

它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。

一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。

在C T 和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。

在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。

一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。

只要用脉冲关断，通过PWM （脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。

当V CC 低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。

输出级是推挽式的可以提供超过200mA 的源和漏电流。

SG3525A 系列的NOR （或非）逻辑在断开状态时输出为低。

·工作范围为8.0V 到35V ·5.1V ±1.0％调定的基准电压 ·100Hz 到400KHz 振荡器频率 ·分立的振荡器同步脚二．SG3525A 内部结构和工作特性（1）基准电压调整器基准电压调整器是输出为5.1V ，50mA ，有短路电流保护的电压调整器。

它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。

若输入电压低于6V 时，可把15、16脚短接，这时5V 电压调整器不起作用。

（2）振荡器3525A 的振荡器，除C T 、R T 端外，增加了放电7、同步端3。

R T 阻值决定了内部恒流值对C T 充电，C T 的放电则由5、7端之间外接的电阻值R D 决定。

把充电和放电回路分开，有利于通过R D 来调节死区的时间，因此是重大改进。

这时3525A 的振荡频率可表为：)R 3R 7.0(C 1f D T T S +=（3.1）在3525A 中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A 的联用提供了方便。

同步脉冲的频率应比振荡频率f S 要低一些。

误差放大器是差动输入的放大器。

它的增益标称值为80dB ，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。

该放大器共模输入电压范围在1.8~3.4V ，需要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。

3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A 改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。

这样避免了彼此相互影响。

有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。

(4)闭锁控制端10利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。

(5)有软起动电路比较器的反相端即软起动控制端8，端8可外接软起动电容。

该电容由内部V ref 的50μA 恒流源充电。

达到2.5V 所经的时间为8C A50V5.2t ⋅μ=。

点空比由小到大（50％）变化。

(6)增加PWM 锁存器使关闭作用更可靠比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM 锁存器。

锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。

这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。

另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。

只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提高。

(7)增设欠压锁定电路电路主要作用是当IC块输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约2mA）。

(8)输出级由两个中功率NPN管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出100mA。

组间是相互隔离的。

电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。

为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。

11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100mA。

在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。

在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。

使用时V C接一个0.1μf电容可以滤去尖峰。

另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高（约1V）。

三．IC芯片的工作直流电源V S从15号脚引入分两路：一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的＋5.1V基准电压，＋5.1V再送到内部（或外部）电路的其它元件作为电源。

振荡器5号脚需外接电容C r,6号脚需外接电阻R r。

选用不同的C r、R r，即可调节振荡器的频率。

振荡器的输出分为两路：一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及二个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端。

比较器的反相端连向误差放大器。

误差放大器实际上是个差分放大器，它有两个输入端：1号脚为反相输入端；2号脚为同相输入端，这两个输入端可根据应用需要连接。

例如，一端可连到开关电源输出电压V0的取样电路上（取样信号电压约2.5V），另一端连到16号脚的分压电路上（应取得2.5V的电压），误差放大器输出9号脚与地之间可接上电阻与电容，以进行频率补偿。

误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，从而在比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压的高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。

或非门另二输入端分别为触发器、振荡锯齿波。

最后，在晶体管A和B上分别出现脉冲宽度随V0变化而变化的脉冲波，但两者相位相差180°。

四．1525A的参数极限参数二．直流脉宽调速主电路一．可逆PWM变换器动作，其驱动电压U b2=U b3= －U b1。

它们的波形示于图3－3。

在一个开关周期内，当0≤t ＜t on 时，U b1和U b4为正，功率场效应管VT 1和VT 4导通；而U b2和U b3为负，VT 2和VT 3截止。

这时，＋U s 加在电枢AB 两端，U AB ＝U s ，电枢电流i d 沿回路1流通。

t on ≤t ＜T 时，U b1和U b4变负，VT 1和VT 4截止；U b2、U b3变正，但VT 2、VT 3并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，i d 沿回路2经VD 2、VD 3续流，在VD 2、VD 3上的压降使VT 2和VT 3c~e 极承受着反压，这时，U AB ＝－U b 。

U AB 在一个周期内正负相间，这是双极式PWM 变换器的特征，其电压、电流波形示于图3－3。

由于电压U AB 的正、负变化，使电流波形存在两种情况，如图3－3中的i d1和i d2。

i d1相当于电动机负载较重的情况，这时平均负载电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在第一个象限的电动状态。

i d2相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是VT 2和VT3两端失去反压，在负的电源电压（－U s ）和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。

与此相仿，在0≤t ＜t on 期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。

这样看来，双极式可逆PWM 变换器的电流波形和不可逆但有制动电流通路的PWM 变换器也差不多，怎样才能反映出“可逆”的作用呢？这要视正、负脉冲电压的宽窄而定。

当正脉冲较宽时，t on ＞T ／2，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。

当正脉冲较窄时，t on ＜T ／2，平均电压为负，电动机反转。

如果正、负脉冲宽度相等，t on ＝T ／2，平均电压为零，则电动机停止。

图3－3所示的电压、电流波形都是在电动机正转时的情况。

双极式可逆PWM 变换器电枢平均端电压用公式表示为： s on s on s on d U )1Tt 2(U T t T U T t U -=--=（3－2） 仍以ρ＝U d ／U s 来定义PWM 电压的占空比，则ρ与t on 的关系与前面不同了，现在 1Tt 2on-=ρ （3－3） 调速时，ρ的变化范围变成－1≤ρ≤1。

当ρ为正值时，电动机正转；ρ为负值时，电动机反转；ρ＝0时，电动机停止。

在ρ＝0时，虽然电机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流却都不是零，而是交变的。

这个交变电流平无值为零，不产生增均转矩，徒然增大电机的损耗。

但它的好处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向时的静摩擦死区。

双极式PWM 变换器的优点如下：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个功率场效应管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证功率场效应管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。

式变换器相比有所不同。

当负载较重因而电流方向连续不变时各管的开关情况和电枢电压的状况列于表3－1中，同时列出双极式变换器的情况以资比较。

负载较轻时，电流在一个周期内也会来回变向，这时各管导通和截止的变化还要多些，可以自行分析。

表3－1中单极式变换器的U AB一栏表明，在电动机朝一个方向旋转时，PWM变换器只在一个阶段中输出某一极性的脉冲电压，在另一阶段中U AB＝0，这是它所以称作“单极性”变换器的原因。

正因为如此，它的输出电压波形和占空比的公式又和不可逆变换器一样了。

d样。

但是，当负载较轻时，由于有两个功率场效应管一直处于截止状态，不可能导通，因而不会出现电流变向的情况，在续流期间电流衰减到零后，波形便中断了，这时电枢两端电压跳变到U AB ＝E ，如图3－3所示。

这种轻载电流断续的现象将使变换器的外特性变软，和V －M 系统中的情况十分相似。

它使PWM 调速系统的静、动态性能变差，换来的好处则是可靠性的提高。

电流断续时，电枢电压的提高把平均电压也提高了，成为E Tt T U U ds d -+ρ=令E ≈U d ，则s s dd U U )t T(U ρ'=ρ≈由此求出新的负载电流系数： ρ=ρ'dt T（3－3）由于T ≥t d ，因而ρ'≥ρ，但ρ'之值仍在－1~＋1之间变化。

三 脉宽调速系统的开环机械特性在稳态情况下，脉宽调速系统中电动机所承受的电压仍为脉冲电压，因此尽管有高频电感的平波作用，电枢电流和转速还是脉动的。

所谓稳态，只是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，电枢电流实际上是周期性变化的，只能算作是“准稳态”。

脉宽调速系统在准稳态下的机械特性是其平均转速与平均转矩（电流）的关系。

不论是带制动电流通路的不可逆PWM 电路，还是双极式和单极式的可逆PWM 电路，其准稳态的电压、电流波形都是相似的。