DC-DC開關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，其質量的好壞直接影響電子設備的可靠性。而開關電源更為如此，越來越受到人們的重視。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、模塊化使電源產品體積小、可靠性高，給應用帶來極大方便。
從另一方面說在開關電源DC-DC變換器中，由于輸入電壓或輸出端負載可能出現波動，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，于是各種 PWM控制結構的研究就成為研究的熱點。在這樣的前提下，設計開發(fā)開關電源DC-DC控制芯片，無論是從經濟，還是科學研究上都是是很有價值的。
1. 開關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，通過調節(jié)電路開關器件的導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行開關切換，并通過調整導通區(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行比較，產生控制用的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)，只有對控制電路進行精心的設計和計算后，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行比較．從而對輸出脈沖的占空比進行控制，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電壓控制的基礎上，增加電流負反饋環(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立的變量，從而使開關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)電流在每一開關周期內上升，直至達到電壓外環(huán)設定的誤差電壓閡值。電流內環(huán)是瞬時快速進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：線性調整率（電壓調整率）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)補償網絡得以簡化，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；簡化了反饋控制補償網絡、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，這對提高開關電源的功率密度，實現小型化，模塊化具有重要的意義。當然了也有缺點，例如占空比大于50％時系統(tǒng)可能出現不穩(wěn)定性，可能會產生次諧波振蕩；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。對于這樣的缺點現在已經有了解決的方案，斜波補償是很必要的一種方法。
2． 芯片內部模塊的設計
本目的是設計一個基于PWM控制的boost升壓式DC-DC電源轉換芯片，該芯片實現基于雙環(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， 在該集成模塊內將包括控制、驅動、保護、檢測電路等。最后在電路系統(tǒng)基本框架的基礎上，結合電力電子技術與微電子技術，采用采用BiCMOS工藝，具體針對DC-DC變換電路的實現進行研究。
系統(tǒng)方面的設計以及系統(tǒng)框圖和各個功能模塊的設計思想
下面分別的介紹系統(tǒng)各個功能模塊：
① 誤差放大電路 誤差是用于調整變換器的高增益差分放大器。放大器產生誤差信號，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產生誤差信號。誤差放大器的2號腳Vref就是基準電壓產生的固定基準。
② PWM比較器 當來自電流取樣信號，當然是電感電流和振蕩器產生的補償諧波想加后的電流信號，超過誤差信號時，PWM比較器翻轉，復位驅動鎖存器斷開電源開關，以此來控制開關管的開通與關斷。
③ 振蕩器模塊 振蕩器電路提供一定頻率的時鐘信號，以設置變換器工作頻率，以及用于斜率補償的定時斜升波。時鐘波形為脈沖，而定時斜升波就是用于斜波補償的，在電感取樣端相加。
④ 驅動器鎖存器 鎖存器包括RS觸發(fā)器與相關邏輯，它通過接通和斷開驅動電路來控制電源開關的狀態(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PWM比較器輸出變?yōu)楦唠娖綍r鎖存器復位。
⑤ 軟啟動電路模塊 當整個系統(tǒng)剛啟動時，電感產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。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(wěn)定的目的。
⑥ 電流采樣電路 提供斜率補償電流靈敏電壓給PWM比較器。
⑦ 保護電路模塊 監(jiān)視電源開關的電流，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．設計中必須要考慮的幾點細節(jié)問題
① 關于斜波補償
這是在上文提到過的電流控制型開關變換器中存在的根本性問題。電流控制型就是將實際的電感電流和電壓外環(huán)設定的電流值分別接到ＰＷＭ比較器的兩端進行比較，用來控制開關管。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，經過一個周期會將擾動信號擴大，從而造成工作不穩(wěn)定，這時需給刪比較器加坡度補償以穩(wěn)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(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(tǒng)模型，導出傳遞函數，計算出補償斜率的值。這是很關鍵的一步。
② 關于軟啟動問題
DC/ DC開關電源在啟動過程中 ，容易產生浪涌電流 ，可能對電子系統(tǒng)產生損傷。為避免啟動時輸入電流過大，輸出電壓過沖，在設計中必須采用軟啟動電路，該方法的不足之處是 ，當輸出電壓的閾值未達到時 ，發(fā)生浪涌電流現象可能對電子系統(tǒng)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流使得電源多次重新啟動。因此應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
本文對開關電源工作原理進行了詳細的分析，對芯片內部模塊進行了設計，最后采用BiCMOS工藝對芯片進行實現。，對芯片系統(tǒng)方面的設計又整體的把握，詳細的論述了芯片設計的思想，這種方法對其他領域的芯片系統(tǒng)設計又很大幫助，因此有很大意義。
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