DC—DC開關(guān)電源管理芯片的設(shè)計(jì)

保歡

文章編號(hào)：2095-6835（2016）07-0083-01

摘 要：為了使開關(guān)電源進(jìn)一步滿足電子產(chǎn)品小型化、輕量化和高功率發(fā)展的要求，以DC-DC開關(guān)電源管理芯片為主要研究對(duì)象，簡單介紹了開關(guān)電源的控制形式，并對(duì)DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片的設(shè)計(jì)方案和斜坡補(bǔ)償?shù)淖⒁馐马?xiàng)進(jìn)行了深入研究。

關(guān)鍵詞：DC-DC開關(guān)電源；轉(zhuǎn)換芯片；PWM比較器；斜坡補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.083

電源作為電子設(shè)備的重要組成部分之一，其質(zhì)量對(duì)電子設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性和可靠性有重要影響。計(jì)算機(jī)設(shè)備、高效便攜式電子產(chǎn)品的小型化、高功耗發(fā)展對(duì)其電池供電系統(tǒng)的體積、質(zhì)量、效率等提出了更高的要求。在此背景下，加強(qiáng)對(duì)DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和研究，確保開關(guān)電源符合電子產(chǎn)品市場(chǎng)的整體要求，已成為當(dāng)前電源研發(fā)領(lǐng)域需要著重開展的關(guān)鍵工作。

1 開關(guān)電源的控制形式

分析DC-DC變換器后可知，該設(shè)備通過一個(gè)或多個(gè)開關(guān)器件的切換，可將某個(gè)等級(jí)的直流輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪坏燃?jí)的直流電壓并輸出，并在給定的直流電壓下設(shè)定電路開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平均輸出電壓的有效控制。其中，以某一固定頻率為依托進(jìn)行開關(guān)切換是有效控制電壓的重要方法，通過調(diào)整導(dǎo)通區(qū)間的長度，可達(dá)到準(zhǔn)確控制平均輸出電壓的目的。該方法被稱為PWM脈寬調(diào)制法。從控制方式的角度看，PWM可分為電壓型控制和電流型控制兩種。其中，電壓型控制的原理為：利用誤差放大器輸出信號(hào)，并對(duì)比信號(hào)與固定鋸齒波，進(jìn)而產(chǎn)生PWM信號(hào)。需要說明的是，電壓型控制方式實(shí)質(zhì)上是一種單環(huán)控制系統(tǒng)，而電壓控制變換器則是有輸出濾波電容電壓、電感電流兩種狀態(tài)變量的二階系統(tǒng)。開關(guān)電源的電流型控制是指對(duì)比誤差放大器輸出的信號(hào)與經(jīng)過采樣獲取的電感峰值電流，從而有效控制輸出脈沖占空比，并確保輸出電感峰值電流隨誤差電壓的變化而變化。與電壓型控制不同的是，電流型控制方式為一階系統(tǒng)，即無穩(wěn)定條件系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)PWM電壓控制的基礎(chǔ)上，通過附加電流反饋環(huán)節(jié)成為雙環(huán)控制系統(tǒng)的，其外環(huán)由輸出電壓反饋電路構(gòu)成，內(nèi)環(huán)則由互感器采樣所輸出的電感電流構(gòu)成。

2 模塊設(shè)計(jì)和斜坡補(bǔ)償?shù)淖⒁馐马?xiàng)

2.1 模塊設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

本文所設(shè)計(jì)的是一個(gè)以PWM控制為主的boost升壓式DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片。該芯片是以電壓環(huán)與電流環(huán)雙環(huán)為基礎(chǔ)的異界控制系統(tǒng)的PWM電流模式控制電路，該集成模塊包括控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和檢測(cè)電路等。具體而言，管理芯片系統(tǒng)分為以下6個(gè)模塊：①誤差放大電路。誤差放大器產(chǎn)生誤差信號(hào)后，相關(guān)信號(hào)會(huì)被傳至PWM比較器，即在比較輸出的電壓樣本和內(nèi)部電壓后放大差值時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生誤差信號(hào)。而誤差放大器的Vref引腳為基準(zhǔn)電壓下的固定比對(duì)基準(zhǔn)。②PWM比較器。當(dāng)來自電流的取樣信號(hào)的強(qiáng)度超過誤差信號(hào)時(shí)，PWM比較器會(huì)進(jìn)入翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過復(fù)位驅(qū)動(dòng)鎖存器斷開電源開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管開閉狀態(tài)的控制。③振蕩器模塊。振蕩器電路為芯片系統(tǒng)提供相應(yīng)頻率的時(shí)鐘信號(hào)，從而對(duì)變換器的工作頻率進(jìn)行設(shè)置。④鎖存器。鎖存器主要包括RS觸發(fā)器及相應(yīng)邏輯模塊，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源開關(guān)的控制。流經(jīng)鎖存器的輸出電平會(huì)斷開驅(qū)動(dòng)電路，而在正常工況下，時(shí)鐘脈沖期間內(nèi)的觸發(fā)器會(huì)被設(shè)置為高電平。當(dāng)PWM比較器輸出高電平時(shí)，鎖存器會(huì)進(jìn)行復(fù)位操作。⑤軟啟動(dòng)電路。當(dāng)芯片系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊電流，而軟啟動(dòng)電路設(shè)置的目的在于確保系統(tǒng)無法在全占空比狀態(tài)下啟動(dòng)，使輸出電壓在系統(tǒng)允許的上升速度下逐漸升至穩(wěn)壓點(diǎn)，從而確保電壓輸出的穩(wěn)定性。⑥電流采樣電路和保護(hù)電路模塊。電流采樣電路主要負(fù)責(zé)為PWM比較器提供斜坡補(bǔ)償電流，從而確保比較器的翻轉(zhuǎn)復(fù)位能順利實(shí)現(xiàn)。而保護(hù)電路的設(shè)置則是為了對(duì)DC-DC電源開關(guān)電流進(jìn)行監(jiān)控。如果電流超出額定峰值，則電路便會(huì)重新進(jìn)入軟啟動(dòng)周期，從而確保芯片系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

2.2 斜坡補(bǔ)償?shù)淖⒁馐马?xiàng)

當(dāng)電流控制的電感電流占空比<50%時(shí)，擾動(dòng)電流所引發(fā)的電流誤差會(huì)減?。划?dāng)占空比>50%時(shí)，擾動(dòng)誤差所引發(fā)的電流誤差會(huì)增加。因此，當(dāng)尖峰電流模式占空比>50%時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行一周期后，擾動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)增大，進(jìn)而導(dǎo)致芯片的穩(wěn)定性下降。此時(shí)，需要對(duì)PWM比較器進(jìn)行坡度補(bǔ)償，從而穩(wěn)定電路。在坡度補(bǔ)償后，即使占空比<50%，管理芯片的電路性能仍能得到良好的改善。因此，斜坡補(bǔ)償能有效提高電路的穩(wěn)定性，確保電感電流的平均值不隨占空比的變化而變化，從而在減小峰值和平均值誤差的同時(shí)，起到抑制次諧波振蕩的目的。

3 結(jié)束語

本文簡要介紹了開關(guān)電源的電壓型控制和電流型控制模式，對(duì)以PWM控制為主的boost升壓式DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行了詳細(xì)分析，并闡述了斜坡補(bǔ)償?shù)淖⒁馐马?xiàng)。研究結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的DC-DC開關(guān)電源管理芯片（系統(tǒng)）能較好地保證開關(guān)電源電壓的穩(wěn)定性和控制開關(guān)狀態(tài)，具有一定的推廣使用價(jià)值。

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〔編輯：張思楠〕