【導(dǎo)讀】芯片設(shè)計至關(guān)重要，同時芯片設(shè)計也是國家重點發(fā)展項目。因此對于芯片設(shè)計，我們應(yīng)該具備一定了解。往期文章中，小編曾對芯片設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容予以介紹。本文中，為增進(jìn)大家對芯片設(shè)計的理解，特帶來一篇芯片設(shè)計實例應(yīng)用。請注意，本文僅為 DC-DC 開關(guān)電源管理芯片設(shè)計上篇，下篇將在后續(xù)文章中為大家呈現(xiàn)。
芯片設(shè)計至關(guān)重要，同時芯片設(shè)計也是國家重點發(fā)展項目。因此對于芯片設(shè)計，我們應(yīng)該具備一定了解。往期文章中，小編曾對芯片設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容予以介紹。本文中，為增進(jìn)大家對芯片設(shè)計的理解，特帶來一篇芯片設(shè)計實例應(yīng)用。請注意，本文僅為 DC-DC 開關(guān)電源管理芯片設(shè)計上篇，下篇將在后續(xù)文章中為大家呈現(xiàn)。
一、引言
電源是一切電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響電子設(shè)備的可靠性。而開關(guān)電源更為如此，越來越受到人們的重視。目前的計算機(jī)設(shè)備和各種高效便攜式電子產(chǎn)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(guān)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(chǎn)品體積小、可靠性高，給應(yīng)用帶來極大方便。
從另一方面說在開關(guān)電源 DC-DC 變換器中，由于輸入電壓或輸出端負(fù)載可能出現(xiàn)波動，應(yīng)保持平均直流輸出電壓應(yīng)能夠控制在所要求的幅值偏差范圍內(nèi)，需要復(fù)雜的控制技術(shù)，于是各種 PWM 控制結(jié)構(gòu)的研究就成為研究的熱點。在這樣的前提下，設(shè)計開發(fā)開關(guān)電源 DC-DC 控制芯片，無論是從經(jīng)濟(jì)，還是科學(xué)研究上都是是很有價值的。
二、開關(guān)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(guān)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(diào)節(jié)電路開關(guān)器件的導(dǎo)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(jìn)行開關(guān)切換，并通過調(diào)整導(dǎo)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(diào)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(jìn)行比較，產(chǎn)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(jìn)行精心的設(shè)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。
圖 1 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(jìn)行比較 . 從而對輸出脈沖的占空比進(jìn)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(chǔ)上，增加電流負(fù)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(guān)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(nèi)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(nèi)環(huán)，即內(nèi)環(huán)電流在每一開關(guān)周期內(nèi)上升，直至達(dá)到電壓外環(huán)設(shè)定的誤差電壓閡值。電流內(nèi)環(huán)是瞬時快速進(jìn)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(fù)責(zé)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。
圖 2 電流型控制原理框圖
電流型控制模式有不少優(yōu)點：線性調(diào)整率(電壓調(diào)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載限流、磁通平衡等電路的設(shè)計，減少了元器件的數(shù)量和成本，這對提高開關(guān)電源的功率密度，實現(xiàn)小型化，模塊化具有重要的意義。
當(dāng)然了也有缺點，例如占空比大于 50%時系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定性，可能會產(chǎn)生次諧波振蕩;另外，在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(xiàn)在已經(jīng)有了解決的方案，斜波補(bǔ)償是很必要的一種方法。
