DC-DC開關(guān)電源管理芯片的設(shè)計(jì)
引言
電源是一切電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響電子設(shè)備的可靠性。而開關(guān)電源更為如此，越來越受到人們的重視。目前的計(jì)算機(jī)設(shè)備和各種高效便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展趨于小型化，其功耗都比較大，要求與之配套的電池供電系統(tǒng)體積更小、重量更輕、效率更高，必須采用高效率的DC/ DC開關(guān)穩(wěn)壓電源。
目前電力電子與電路的發(fā)展主要方向是模塊化、集成化。具有各種控制功能的專用芯片，近幾年發(fā)展很迅速集成化、模塊化使電源產(chǎn)品體積小、可靠性高，給應(yīng)用帶來極大方便。
從另一方面說在開關(guān)電源DC-DC變換器中，由于輸入電壓或輸出端負(fù)載可能出現(xiàn)波動，應(yīng)保持平均直流輸出電壓應(yīng)能夠控制在所要求的幅值偏差范圍內(nèi)，需要復(fù)雜的控制技術(shù)，于是各種 PWM控制結(jié)構(gòu)的研究就成為研究的熱點(diǎn)。在這樣的前提下，設(shè)計(jì)開發(fā)開關(guān)電源DC-DC控制芯片，無論是從經(jīng)濟(jì)，還是科學(xué)研究上都是是很有價值的。
1. 開關(guān)電源控制電路原理分析
DC－DC變換器就是利用一個或多個開關(guān)器件的切換，把某一等級直流輸入電壓變換成另—等級直流輸出電壓。在給定直流輸入電壓下，通過調(diào)節(jié)電路開關(guān)器件的導(dǎo)通時間來控制平均輸出電壓 控制方法之一就是采用某一固定頻率進(jìn)行開關(guān)切換，并通過調(diào)整導(dǎo)通區(qū)間長度來控制平均輸出電壓，這種方法也稱為脈寬調(diào)制［PWM］法。
PWM從控制方式上可以分為兩類，即電壓型控制（voltage mode control）和電流型控制（current mode control） 。電壓型控制方式的基本原理就是通過誤差放大器輸出信號與一固定的鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制用的PWM信號。從控制理論的角度來講，電壓型控制方式是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。電壓控制型變換器是一個二階系統(tǒng)，它有兩個狀態(tài)變量：輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流。二階系統(tǒng)是一個有條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對控制電路進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和計(jì)算后，在滿足一定的條件下，閉環(huán)系統(tǒng)方能穩(wěn)定的工作。圖1即為電壓型控制的原理框圖。
電流型控制是指將誤差放大器輸出信號與采樣到的電感峰值電流進(jìn)行比較．從而對輸出脈沖的占空比進(jìn)行控制，使輸出的電感峰值電流隨誤差電壓變化而變化。電流控制型是一個一階系統(tǒng)，而一階系統(tǒng)是無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)。是在傳統(tǒng)的PWM電壓控制的基礎(chǔ)上，增加電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)，使其成為一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，讓電感電流不在是一個獨(dú)立的變量，從而使開關(guān)變換器的二階模型變成了一個一階系統(tǒng)。信號。從圖2中可以看出，與單一閉環(huán)的電壓控制模式相比，電流模式控制是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由輸出電壓反饋電路形成，內(nèi)環(huán)由互感器采樣輸出電感電流形成。在該雙環(huán)控制中，由電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)，即內(nèi)環(huán)電流在每一開關(guān)周期內(nèi)上升，直至達(dá)到電壓外環(huán)設(shè)定的誤差電壓閡值。電流內(nèi)環(huán)是瞬時快速進(jìn)行逐個脈沖比較工作的，并且監(jiān)測輸出電感電流的動態(tài)變化，電壓外環(huán)只負(fù)責(zé)控制輸出電壓。因此電流型控制模式具有比起電壓型控制模式大得多的帶寬。
電流型控制模式有不少優(yōu)點(diǎn)：線性調(diào)整率（電壓調(diào)整率）非常好；整個反饋電路變成了一階電路，由于反饋信號電路與電壓型相比，減少了一階，因此誤差放大器的控制環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得以簡化，穩(wěn)定度得以提高并且改善了頻響，具有更大的增益帶寬乘積；具有瞬時峰值電流限流功能；簡化了反饋控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載限流、磁通平衡等電路的設(shè)計(jì)，減少了元器件的數(shù)量和成本，這對提高開關(guān)電源的功率密度，實(shí)現(xiàn)小型化，模塊化具有重要的意義。當(dāng)然了也有缺點(diǎn)，例如占空比大于50％時系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定性，可能會產(chǎn)生次諧波振蕩；另外，在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇上也有局限，在升壓型和降壓—升壓型電路中，由于儲能電感不在輸出端，存在峰值電流與平均電流的誤差。對噪聲敏感，抗噪聲性差等等。對于這樣的缺點(diǎn)現(xiàn)在已經(jīng)有了解決的方案，斜波補(bǔ)償是很必要的一種方法。
2． 芯片內(nèi)部模塊的設(shè)計(jì)
本目的是設(shè)計(jì)一個基于PWM控制的boost升壓式DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片，該芯片實(shí)現(xiàn)基于雙環(huán)（電壓環(huán)和電流環(huán)）一階控制系統(tǒng)的電流模式PWM控制電路， 在該集成模塊內(nèi)將包括控制、驅(qū)動、保護(hù)、檢測電路等。最后在電路系統(tǒng)基本框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)，采用采用BiCMOS工藝，具體針對DC-DC變換電路的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。
系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)框圖和各個功能模塊的設(shè)計(jì)思想
下面分別的介紹系統(tǒng)各個功能模塊：
① 誤差放大電路 誤差是用于調(diào)整變換器的高增益差分放大器。放大器產(chǎn)生誤差信號，他被供給PWM比較器。當(dāng)輸出電壓樣本與內(nèi)部電壓基準(zhǔn)比較并放大差值時產(chǎn)生誤差信號。誤差放大器的2號腳Vref就是基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生的固定基準(zhǔn)。
② PWM比較器 當(dāng)來自電流取樣信號，當(dāng)然是電感電流和振蕩器產(chǎn)生的補(bǔ)償諧波想加后的電流信號，超過誤差信號時，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，復(fù)位驅(qū)動鎖存器斷開電源開關(guān)，以此來控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷。
③ 振蕩器模塊 振蕩器電路提供一定頻率的時鐘信號，以設(shè)置變換器工作頻率，以及用于斜率補(bǔ)償?shù)亩〞r斜升波。時鐘波形為脈沖，而定時斜升波就是用于斜波補(bǔ)償?shù)模陔姼腥佣讼嗉印?/P>
④ 驅(qū)動器鎖存器 鎖存器包括RS觸發(fā)器與相關(guān)邏輯，它通過接通和斷開驅(qū)動電路來控制電源開關(guān)的狀態(tài)。來自鎖存器的低輸出電平把它斷開。正常工作方式下，在時鐘脈沖期間觸發(fā)器被置為高電平，當(dāng)PWM比較器輸出變?yōu)楦唠娖綍r鎖存器復(fù)位。
⑤ 軟啟動電路模塊 當(dāng)整個系統(tǒng)剛啟動時，電感產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，軟啟動讓系統(tǒng)開始時不能在全占空比下啟動，使輸出電壓以受控的上升速率增加至額定穩(wěn)壓點(diǎn)。設(shè)計(jì)思想是利用外接電容的充放電使得占空比慢慢提高，達(dá)到輸出穩(wěn)定的目的。
⑥ 電流采樣電路 提供斜率補(bǔ)償電流靈敏電壓給PWM比較器。
⑦ 保護(hù)電路模塊 監(jiān)視電源開關(guān)的電流，若該值超過額定峰值，則該電路作用，重新開始軟啟動周期。
3．設(shè)計(jì)中必須要考慮的幾點(diǎn)細(xì)節(jié)問題
① 關(guān)于斜波補(bǔ)償
這是在上文提到過的電流控制型開關(guān)變換器中存在的根本性問題。電流控制型就是將實(shí)際的電感電流和電壓外環(huán)設(shè)定的電流值分別接到ＰＷＭ比較器的兩端進(jìn)行比較，用來控制開關(guān)管。下面分析斜波補(bǔ)償?shù)脑颉Ｈ缦聢D分別是占空比大于50%和小于50%的尖峰電流控制的電感電流波形圖。
其中Ve是電壓放大器輸出的電流設(shè)定值，ΔI0是擾動電流，m1，m2分別是電感電流的上升沿及下降沿斜率。由圖可知，當(dāng)占空比小于50%時擾動電流引起的電流誤差ΔI l變小了，而占空比大于50%時擾動電流引起的電流誤差ΔI l變大了。所以尖峰電流模式控制在占空比大于50%時，經(jīng)過一個周期會將擾動信號擴(kuò)大，從而造成工作不穩(wěn)定，這時需給刪比較器加坡度補(bǔ)償以穩(wěn)定電路，加了坡度補(bǔ)償，即使占空比小于50%，電路性能也能得到改善。因此斜坡補(bǔ)償能很好的增加電路穩(wěn)定性，使電感電流平均值不隨占空比變化，并減小峰值和平均值的誤差，斜坡補(bǔ)償還能抑制次諧波振蕩和振鈴電感電流。這里就不再詳細(xì)地說明，斜波補(bǔ)償方面必須要確定補(bǔ)償波形的斜率的精確大小，采用的方法就是建立系統(tǒng)模型，導(dǎo)出傳遞函數(shù)，計(jì)算出補(bǔ)償斜率的值。這是很關(guān)鍵的一步。
② 關(guān)于軟啟動問題
DC/ DC開關(guān)電源在啟動過程中 ，容易產(chǎn)生浪涌電流 ，可能對電子系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。為避免啟動時輸入電流過大，輸出電壓過沖，在設(shè)計(jì)中必須采用軟啟動電路，該方法的不足之處是 ，當(dāng)輸出電壓的閾值未達(dá)到時 ，發(fā)生浪涌電流現(xiàn)象可能對電子系統(tǒng)造成損傷 ，而且在輸出電壓達(dá)到閾值之后 ，也可能因?yàn)榕既坏倪^流使得電源多次重新啟動。因此應(yīng)采用基于周期到周期的電流限制門限來限制上電時的浪涌電流，并防止電源多次重新啟動。
4.總結(jié)
本文對開關(guān)電源工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對芯片內(nèi)部模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后采用BiCMOS工藝對芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。，對芯片系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)又整體的把握，詳細(xì)的論述了芯片設(shè)計(jì)的思想，這種方法對其他領(lǐng)域的芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)又很大幫助，因此有很大意義。
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