DC-DC開(kāi)關(guān)電源管理芯片的設計
引言
電源是一切電子設備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響電子設備的可靠性。而開(kāi)關(guān)電源更為如此，越來(lái)越受到人們的重視。目前的計算機設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體積更小、重量更輕、效率更高，必須采用高效率的DC/ DC開(kāi)關(guān)穩壓電源。
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(zhuān)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，給應用帶來(lái)極大方便。
從另一方面說(shuō)在開(kāi)關(guān)電源DC-DC變換器中，由于輸入電壓或輸出端負載可能出現波動(dòng)，應保持平均直流輸出電壓應能夠控制在所要求的幅值偏差范圍內，需要復雜的控制技術(shù)，于是各種 PWM控制結構的研究就成為研究的熱點(diǎn)。在這樣的前提下，設計開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)電源DC-DC控制芯片，無(wú)論是從經(jīng)濟，還是科學(xué)研究上都是是很有價(jià)值的。
1. 開(kāi)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(kāi)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(guò)調節電路開(kāi)關(guān)器件的導通時(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(kāi)關(guān)切換，并通過(guò)調整導通區間長(cháng)度來(lái)控制平均輸出電壓，這種方法也稱(chēng)為脈寬調制［PWM］法。
PWM從控制方式上可以分為兩類(lèi)，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(lái)講，電壓型控制方式是一種單環(huán)控制系統。電壓控制型變換器是一個(gè)二階系統，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。二階系統是一個(gè)有條件穩定系統，只有對控制電路進(jìn)行精心的設計和計算后，在滿(mǎn)足一定的條件下，閉環(huán)系統方能穩定的工作。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(gè)一階系統，而一階系統是無(wú)條件的穩定系統。是在傳統的PWM電壓控制的基礎上，增加電流負反饋環(huán)節，使其成為一個(gè)雙環(huán)控制系統，讓電感電流不在是一個(gè)獨立的變量，從而使開(kāi)關(guān)變換器的二階模型變成了一個(gè)一階系統。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，外環(huán)由輸出電壓反饋電路形成，內環(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)控制電流內環(huán)，即內環(huán)電流在每一開(kāi)關(guān)周期內上升，直至達到電壓外環(huán)設定的誤差電壓閡值。電流內環(huán)是瞬時(shí)快速進(jìn)行逐個(gè)脈沖比較工作的，并且監測輸出電感電流的動(dòng)態(tài)變化，電壓外環(huán)只負責控制輸出電壓。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(xiàn)性調整率（電壓調整率）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)補償網(wǎng)絡(luò )得以簡(jiǎn)化，穩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)化了反饋控制補償網(wǎng)絡(luò )、負載限流、磁通平衡等電路的設計，減少了元器件的數量和成本，這對提高開(kāi)關(guān)電源的功率密度，實(shí)現小型化，模塊化具有重要的意義。當然了也有缺點(diǎn)，例如占空比大于50％時(shí)系統可能出現不穩定性，可能會(huì )產(chǎn)生次諧波振蕩；另外，在電路拓撲結構選擇上也有局限，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)現在已經(jīng)有了解決的方案，斜波補償是很必要的一種方法。
2． 芯片內部模塊的設計
本目的是設計一個(gè)基于PWM控制的boost升壓式DC-DC電源轉換芯片，該芯片實(shí)現基于雙環(huán)（電壓環(huán)和電流環(huán)）一階控制系統的電流模式PWM控制電路， 在該集成模塊內將包括控制、驅動(dòng)、保護、檢測電路等。最后在電路系統基本框架的基礎上，結合電力電子技術(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)現進(jìn)行研究。
系統方面的設計以及系統框圖和各個(gè)功能模塊的設計思想
下面分別的介紹系統各個(gè)功能模塊：
�、� 誤差放大電路 誤差是用于調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。當輸出電壓樣本與內部電壓基準比較并放大差值時(shí)產(chǎn)生誤差信號。誤差放大器的2號腳Vref就是基準電壓產(chǎn)生的固定基準。
�、� PWM比較器 當來(lái)自電流取樣信號，當然是電感電流和振蕩器產(chǎn)生的補償諧波想加后的電流信號，超過(guò)誤差信號時(shí)，PWM比較器翻轉，復位驅動(dòng)鎖存器斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，以此來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷。
�、� 振蕩器模塊 振蕩器電路提供一定頻率的時(shí)鐘信號，以設置變換器工作頻率，以及用于斜率補償的定時(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償的，在電感取樣端相加。
�、� 驅動(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(kāi)驅動(dòng)電路來(lái)控制電源開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。來(lái)自鎖存器的低輸出電平把它斷開(kāi)。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PWM比較器輸出變?yōu)楦唠娖綍r(shí)鎖存器復位。
�、� 軟啟動(dòng)電路模塊 當整個(gè)系統剛啟動(dòng)時(shí)，電感產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流，軟啟動(dòng)讓系統開(kāi)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壓點(diǎn)。設計思想是利用外接電容的充放電使得占空比慢慢提高，達到輸出穩定的目的。
�、� 電流采樣電路 提供斜率補償電流靈敏電壓給PWM比較器。
�、� 保護電路模塊 監視電源開(kāi)關(guān)的電流，若該值超過(guò)額定峰值，則該電路作用，重新開(kāi)始軟啟動(dòng)周期。
3．設計中必須要考慮的幾點(diǎn)細節問(wèn)題
�、� 關(guān)于斜波補償
這是在上文提到過(guò)的電流控制型開(kāi)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(kāi)關(guān)管。下面分析斜波補償的原因。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。
其中Ve是電壓放大器輸出的電流設定值，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)信號擴大，從而造成工作不穩定，這時(shí)需給刪比較器加坡度補償以穩定電路，加了坡度補償，即使占空比小于50%，電路性能也能得到改善。因此斜坡補償能很好的增加電路穩定性，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，斜坡補償還能抑制次諧波振蕩和振鈴電感電流。這里就不再詳細地說(shuō)明，斜波補償方面必須要確定補償波形的斜率的精確大小，采用的方法就是建立系統模型，導出傳遞函數，計算出補償斜率的值。這是很關(guān)鍵的一步。
�、� 關(guān)于軟啟動(dòng)問(wèn)題
DC/ DC開(kāi)關(guān)電源在啟動(dòng)過(guò)程中 ，容易產(chǎn)生浪涌電流 ，可能對電子系統產(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，在設計中必須采用軟啟動(dòng)電路，該方法的不足之處是 ，當輸出電壓的閾值未達到時(shí) ，發(fā)生浪涌電流現象可能對電子系統造成損傷 ，而且在輸出電壓達到閾值之后 ，也可能因為偶然的過(guò)流使得電源多次重新啟動(dòng)。因此應采用基于周期到周期的電流限制門(mén)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)。
4.總結
本文對開(kāi)關(guān)電源工作原理進(jìn)行了詳細的分析，對芯片內部模塊進(jìn)行了設計，最后采用BiCMOS工藝對芯片進(jìn)行實(shí)現。，對芯片系統方面的設計又整體的把握，詳細的論述了芯片設計的思想，這種方法對其他領(lǐng)域的芯片系統設計又很大幫助，因此有很大意義。
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