【導(dǎo)讀】芯片設(shè)計(jì)至關(guān)重要，同時(shí)芯片設(shè)計(jì)也是國家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。因此對(duì)于芯片設(shè)計(jì)，我們應(yīng)該具備一定了解。往期文章中，小編曾對(duì)芯片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容予以介紹。本文中，為增進(jìn)大家對(duì)芯片設(shè)計(jì)的理解，特帶來一篇芯片設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用。請(qǐng)注意，本文僅為 DC-DC 開關(guān)電源管理芯片設(shè)計(jì)上篇，下篇將在后續(xù)文章中為大家呈現(xiàn)。
芯片設(shè)計(jì)至關(guān)重要，同時(shí)芯片設(shè)計(jì)也是國家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。因此對(duì)于芯片設(shè)計(jì)，我們應(yīng)該具備一定了解。往期文章中，小編曾對(duì)芯片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容予以介紹。本文中，為增進(jìn)大家對(duì)芯片設(shè)計(jì)的理解，特帶來一篇芯片設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用。請(qǐng)注意，本文僅為 DC-DC 開關(guān)電源管理芯片設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)，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(diǎn)。在這樣的前提下，設(shè)計(jì)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(jià)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(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—等級(jí)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(shí)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(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 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(hào)與采樣到的電感峰值電流進(jìn)行比較 . 從而對(duì)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(gè)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(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，讓電感電流不在是一個(gè)獨(dú)立的變量，從而使開關(guān)變換器的二階模型變成了一個(gè)一階系統(tǒng)。信號(hào)。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(shí)快速進(jìn)行逐個(gè)脈沖比較工作的，并且監(jiān)測(cè)輸出電感電流的動(dòng)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(diǎn)：線性調(diào)整率(電壓調(diào)整率)非常好;整個(gè)反饋電路變成了一階電路，由于反饋信號(hào)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(jiǎn)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(shí)峰值電流限流功能;簡(jiǎn)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(jì)，減少了元器件的數(shù)量和成本，這對(duì)提高開關(guān)電源的功率密度，實(shí)現(xiàn)小型化，模塊化具有重要的意義。
當(dāng)然了也有缺點(diǎn)，例如占空比大于 50%時(shí)系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定性，可能會(huì)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(chǔ)能電感不在輸出端，存在峰值電流與平均電流的誤差。對(duì)噪聲敏感，抗噪聲性差等等。對(duì)于這樣的缺點(diǎn)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。
