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DC-DC开关电源管理芯片设计(下)

芯片设计是国家的重点项目,同时芯片设计也是我国摆脱进口依赖与自主独立的关键。本文对于芯片设计的讲解承接于《DC-DC 开关电源管理芯片设计(上)》一文,如果你未曾阅读上篇芯片设计相关内容,不妨从前文开始阅读哦。

一、芯片内部模块的设计

本目的是设计一个基于 PWM 控制的 boost 升压式 DC-DC 电源转换芯片,该芯片实现基于双环(电压环和电流环)一阶控制系统的电流模式 PWM 控制电路, 在该集成模块内将包括控制、驱动、保护、检测电路等。最后在电路系统基本框架的基础上,结合电力电子技术与微电子技术,采用采用 BiCMOS 工艺,具体针对 DC-DC 变换电路的实现进行研究。

系统方面的设计以及系统框图和各个功能模块的设计思想:

下面分别的介绍系统各个功能模块:

① 误差放大电路 误差是用于调整变换器的高增益差分放大器。放大器产生误差信号,他被供给 PWM 比较器。当输出电压样本与内部电压基准比较并放大差值时产生误差信号。误差放大器的 2 号脚 Vref 就是基准电压产生的固定基准。

② PWM 比较器 当来自电流取样信号,当然是电感电流和振荡器产生的补偿谐波想加后的电流信号,超过误差信号时,PWM 比较器翻转,复位驱动锁存器断开电源开关,以此来控制开关管的开通与关断。

③ 振荡器模块 振荡器电路提供一定频率的时钟信号,以设置变换器工作频率,以及用于斜率补偿的定时斜升波。时钟波形为脉冲,而定时斜升波就是用于斜波补偿的,在电感取样端相加。

④ 驱动器锁存器 锁存器包括 RS 触发器与相关逻辑,它通过接通和断开驱动电路来控制电源开关的状态。来自锁存器的低输出电平把它断开。正常工作方式下,在时钟脉冲期间触发器被置为高电平,当 PWM 比较器输出变为高电平时锁存器复位。

⑤ 软启动电路模块 当整个系统刚启动时,电感产生一个很大的冲击电流,软启动让系统开始时不能在全占空比下启动,使输出电压以受控的上升速率增加至额定稳压点。设计思想是利用外接电容的充放电使得占空比慢慢提高,达到输出稳定的目的。

⑥ 电流采样电路 提供斜率补偿电流灵敏电压给 PWM 比较器。

⑦ 保护电路模块 监视电源开关的电流,若该值超过额定峰值,则该电路作用,重新开始软启动周期。

二、设计中必须要考虑的几点细节问题

① 关于斜波补偿

这是在上文提到过的电流控制型开关变换器中存在的根本性问题。电流控制型就是将实际的电感电流和电压外环设定的电流值分别接到 PWM 比较器的两端进行比较,用来控制开关管。下面分析斜波补偿的原因。

其中 Ve 是电压放大器输出的电流设定值,ΔI0 是扰动电流,m1,m2 分别是电感电流的上升沿及下降沿斜率。由图可知,当占空比小于 50%时扰动电流引起的电流误差ΔI l 变小了,而占空比大于 50%时扰动电流引起的电流误差ΔI l 变大了。所以尖峰电流模式控制在占空比大于 50%时,经过一个周期会将扰动信号扩大,从而造成工作不稳定,这时需给删比较器加坡度补偿以稳定电路,加了坡度补偿,即使占空比小于 50%,电路性能也能得到改善。因此斜坡补偿能很好的增加电路稳定性,使电感电流平均值不随占空比变化,并减小峰值和平均值的误差,斜坡补偿还能抑制次谐波振荡和振铃电感电流。这里就不再详细地说明,斜波补偿方面必须要确定补偿波形的斜率的精确大小,采用的方法就是建立系统模型,导出传递函数,计算出补偿斜率的值。这是很关键的一步。

② 关于软启动问题

DC/ DC 开关电源在启动过程中 ,容易产生浪涌电流 ,可能对电子系统产生损伤。为避免启动时输入电流过大,输出电压过冲,在设计中必须采用软启动电路,该方法的不足之处是 ,当输出电压的阈值未达到时 ,发生浪涌电流现象可能对电子系统造成损伤 ,而且在输出电压达到阈值之后 ,也可能因为偶然的过流使得电源多次重新启动。因此应采用基于周期到周期的电流限制门限来限制上电时的浪涌电流,并防止电源多次重新启动。


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