h1_key

 電源是所有電子設(shè)備的核心部分，其質(zhì)量直接關(guān)系到電子設(shè)備的可靠性。目前，計(jì)算機(jī)設(shè)備和各種高效便攜式電子設(shè)備的發(fā)展趨于微型化，功耗相對(duì)較大。要求配套的電池供電系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高，必須使用高效的DC-DC開關(guān)電源管理芯片。

在開關(guān)電源DC-DC變換器中，由于輸入電壓或輸出端負(fù)荷可能起伏，因此需要復(fù)雜的控制技術(shù)來(lái)控制平均直流輸出電壓，因此各種PWM控制結(jié)構(gòu)的研究已成為研究的熱點(diǎn)。在此前提下，開關(guān)電源DC-DC控制芯片的設(shè)計(jì)和開發(fā)在經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究方面都非常有價(jià)值。

  2 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一等級(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?？刂品椒ㄖ痪褪遣捎媚骋还潭l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。

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。圖為電壓型控制的原理圖。

  3 芯片內(nèi)部模塊的設(shè)計(jì)

  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。

  下面介紹該電源轉(zhuǎn)換芯片各模塊設(shè)計(jì)思想及原理框圖：

  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)，它被供給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)。②PWM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)償諧波相加后的電流信號(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。④?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。

  本篇對(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)有整體的把握，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。