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(lái)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(lái)極大方便。

從另一方面說(shuō)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(dòng)，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(wú)論是從經(jīng)濟(jì)，還是科學(xué)研究上都是是很有價(jià)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(gè)或多個(gè)開關(guān)器件的切換，把某一等級(jí)直流輸入電壓變換成另—等級(jí)直流輸出電壓。在給定直流輸入電壓下，通過(guò)調(diào)節(jié)電路開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)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(guò)調(diào)整導(dǎo)通區(qū)間長(zhǎng)度來(lái)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(guò)誤差放大器輸出信號(hào)與一固定的鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制用的PWM信號(hào)。從控制理論的角度來(lái)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(gè)二階系統(tǒng)，它有兩個(gè)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(gè)有條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對(duì)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。

圖1 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(hào)與采樣到的電感峰值電流進(jìn)行比較.從而對(duì)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(gè)一階系統(tǒng)，而一階系統(tǒng)是無(wú)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(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，讓電感電流不在是一個(gè)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(gè)一階系統(tǒng)。信號(hào)。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(shí)快速進(jìn)行逐個(gè)脈沖比較工作的，并且監(jiān)測(cè)輸出電感電流的動(dòng)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。

圖2 電流型控制原理框圖

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(gè)反饋電路變成了一階電路，由于反饋信號(hào)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(jiǎn)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(shí)峰值電流限流功能;簡(jiǎn)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(duì)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(shí)系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定性，可能會(huì)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(chǔ)能電感不在輸出端，存在峰值電流與平均電流的誤差。對(duì)噪聲敏感，抗噪聲性差等等。對(duì)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。[!--empirenews.page--]

2. 芯片內(nèi)部模塊的設(shè)計(jì)

本目的是設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)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(duì)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(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思想

圖3 系統(tǒng)模塊原理框圖

下面分別的介紹系統(tǒng)各個(gè)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(hào)，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(shí)產(chǎn)生誤差信號(hào)。誤差放大器的2號(hào)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(lái)自電流取樣信號(hào)，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(hào)，超過(guò)誤差信號(hào)時(shí)，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，復(fù)位驅(qū)動(dòng)鎖存器斷開電源開關(guān)，以此來(lái)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(shí)鐘信號(hào)，以設(shè)置變換器工作頻率，以及用于斜率補(bǔ)償?shù)亩〞r(shí)斜升波。時(shí)鐘波形為脈沖，而定時(shí)斜升波就是用于斜波補(bǔ)償?shù)?，在電感取樣端相加?/p>

④ 驅(qū)動(dòng)器鎖存器 鎖存器包括RS觸發(fā)器與相關(guān)邏輯，它通過(guò)接通和斷開驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制電源開關(guān)的狀態(tài)。來(lái)自鎖存器的低輸出電平把它斷開。正常工作方式下，在時(shí)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(shí)鎖存器復(fù)位。

⑤ 軟啟動(dòng)電路模塊 當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，電感產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流，軟啟動(dòng)讓系統(tǒng)開始時(shí)不能在全占空比下啟動(dòng)，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(guò)額定峰值，則該電路作用，重新開始軟啟動(dòng)周期。

3.設(shè)計(jì)中必須要考慮的幾點(diǎn)細(xì)節(jié)問(wèn)題

① 關(guān)于斜波補(bǔ)償

這是在上文提到過(guò)的電流控制型開關(guān)變換器中存在的根本性問(wèn)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(lái)控制開關(guān)管。下面分析斜波補(bǔ)償?shù)脑?。如下圖分別是占空比大于50%和小于50%的尖峰電流控制的電感電流波形圖。

圖4 斜坡補(bǔ)償原理分析

其中Ve是電壓放大器輸出的電流設(shè)定值，ΔI0是擾動(dòng)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(shí)擾動(dòng)電流引起的電流誤差ΔI l變小了，而占空比大于50%時(shí)擾動(dòng)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(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期會(huì)將擾動(dòng)信號(hào)擴(kuò)大，從而造成工作不穩(wěn)定，這時(shí)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(shuō)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。[!--empirenews.page--]

② 關(guān)于軟啟動(dòng)問(wèn)題

DC/ DC開關(guān)電源在啟動(dòng)過(guò)程中 ，容易產(chǎn)生浪涌電流 ，可能對(duì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。為避免啟動(dòng)時(shí)輸入電流過(guò)大，輸出電壓過(guò)沖，在設(shè)計(jì)中必須采用軟啟動(dòng)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(shí) ，發(fā)生浪涌電流現(xiàn)象可能對(duì)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^(guò)流使得電源多次重新啟動(dòng)。因此應(yīng)采用基于周期到周期的電流限制門限來(lái)限制上電時(shí)的浪涌電流，并防止電源多次重新啟動(dòng)。如圖5

圖5 軟啟動(dòng)電路

4.總結(jié)

本文對(duì)開關(guān)電源工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對(duì)芯片內(nèi)部模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后采用BiCMOS工藝對(duì)芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。，對(duì)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(duì)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。