DC-DC開關電源管理芯片設計(下)
發布時間:2020-02-10 責任編輯:lina
【導讀】芯片設計是國家的重點項目,同時芯片設計也是我國擺脫進口依賴與自主獨立的關鍵。本文對於芯片設計的講解承接於《DC-DC 開關電源管理芯片設計(上)》一文,如果你未曾閱讀上篇芯片設計相關內容,不妨從前文開始閱讀哦。
芯片設計是國家的重點項目,同時芯片設計也是我國擺脫進口依賴與自主獨立的關鍵。本文對於芯片設計的講解承接於《DC-DC 開關電源管理芯片設計(上)》一文,如果你未曾閱讀上篇芯片設計相關內容,不妨從前文開始閱讀哦。
一、芯片內部模塊的設計
本目的是設計一個基於 PWM 控製的 boost 升壓式 DC-DC 電源轉換芯片,該芯片實現基於雙環(電壓環和電流環)一階控製係統的電流模式 PWM 控製電路, 在該集成模塊內將包括控製、驅動、保護、檢測電路等。最後在電路係統基本框架的基礎上,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。
係統方麵的設計以及係統框圖和各個功能模塊的設計思想

圖 1 係統模塊原理框圖
下麵分別的介紹係統各個功能模塊:
① 誤差放大電路 誤差是用於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並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後的電流信號,超過誤差信號時,PWM 比較器翻轉,複位驅動鎖存器斷開電源開關,以此來控製開關管的開通與關斷。
③ 振蕩器模塊 振zhen蕩dang器qi電dian路lu提ti供gong一yi定ding頻pin率lv的de時shi鍾zhong信xin號hao,以yi設she置zhi變bian換huan器qi工gong作zuo頻pin率lv,以yi及ji用yong於yu斜xie率lv補bu償chang的de定ding時shi斜xie升sheng波bo。時shi鍾zhong波bo形xing為wei脈mai衝chong,而er定ding時shi斜xie升sheng波bo就jiu是shi用yong於yu斜xie波bo補bu償chang的de,在zai電dian感gan取qu樣yang端duan相xiang加jia。
④ 驅動器鎖存器 鎖存器包括 RS 觸(chu)發(fa)器(qi)與(yu)相(xiang)關(guan)邏(luo)輯(ji),它(ta)通(tong)過(guo)接(jie)通(tong)和(he)斷(duan)開(kai)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)來(lai)控(kong)製(zhi)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)的(de)狀(zhuang)態(tai)。來(lai)自(zi)鎖(suo)存(cun)器(qi)的(de)低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)平(ping)把(ba)它(ta)斷(duan)開(kai)。正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)下(xia),在(zai)時(shi)鍾(zhong)脈(mai)衝(chong)期(qi)間(jian)觸(chu)發(fa)器(qi)被(bei)置(zhi)為(wei)高(gao)電(dian)平(ping),當(dang) PWM 比較器輸出變為高電平時鎖存器複位。
⑤ 軟啟動電路模塊 當(dang)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)剛(gang)啟(qi)動(dong)時(shi),電(dian)感(gan)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)很(hen)大(da)的(de)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu),軟(ruan)啟(qi)動(dong)讓(rang)係(xi)統(tong)開(kai)始(shi)時(shi)不(bu)能(neng)在(zai)全(quan)占(zhan)空(kong)比(bi)下(xia)啟(qi)動(dong),使(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)以(yi)受(shou)控(kong)的(de)上(shang)升(sheng)速(su)率(lv)增(zeng)加(jia)至(zhi)額(e)定(ding)穩(wen)壓(ya)點(dian)。設(she)計(ji)思(si)想(xiang)是(shi)利(li)用(yong)外(wai)接(jie)電(dian)容(rong)的(de)充(chong)放(fang)電(dian)使(shi)得(de)占(zhan)空(kong)比(bi)慢(man)慢(man)提(ti)高(gao),達(da)到(dao)輸(shu)出(chu)穩(wen)定(ding)的(de)目(mu)的(de)。
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。
二、設計中必須要考慮的幾點細節問題
① 關於斜波補償
這是在上文提到過的電流控製型開關變換器中存在的根本性問題。電流控製型就是將實際的電感電流和電壓外環設定的電流值分別接到 PWM 比較器的兩端進行比較,用來控製開關管。下麵分析斜波補償的原因。如下圖分別是占空比大於 50%和小於 50%的尖峰電流控製的電感電流波形圖。

圖 2 斜坡補償原理分析
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,當占空比小於 50%時擾動電流引起的電流誤差ΔI l 變小了,而占空比大於 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製在占空比大於 50%shi,jingguoyigezhouqihuijiangraodongxinhaokuoda,congerzaochenggongzuobuwending,zheshixugeishanbijiaoqijiapodubuchangyiwendingdianlu,jialepodubuchang,jishizhankongbixiaoyu 50%,dianluxingnengyenengdedaogaishan。yincixiepobuchangnenghenhaodezengjiadianluwendingxing,shidiangandianliupingjunzhibusuizhankongbibianhua,bingjianxiaofengzhihepingjunzhidewucha,xiepobuchanghainengyizhicixiebozhendanghezhenlingdiangandianliu。zhelijiubuzaixiangxidishuoming,xiebobuchangfangmianbixuyaoquedingbuchangboxingdexielvdejingquedaxiao,caiyongdefangfajiushijianlixitongmoxing,daochuchuandihanshu,jisuanchubuchangxielvdezhi。zheshihenguanjiandeyibu。
② 關於軟啟動問題
DC/ DC 開關電源在啟動過程中 ,容易產生浪湧電流 ,可能對電子係統產生損傷。為避免啟動時輸入電流過大,輸出電壓過衝,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 ,發生浪湧電流現象可能對電子係統造成損傷 ,而且在輸出電壓達到閾值之後 ,yekenengyinweiourandeguoliushidedianyuanduocizhongxinqidong。yinciyingcaiyongjiyuzhouqidaozhouqidedianliuxianzhimenxianlaixianzhishangdianshidelangyongdianliu,bingfangzhidianyuanduocizhongxinqidong。rutu 3 所示:

圖 3 軟啟動電路
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