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 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，計算機設(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。在此前提下，開關(guān)電源DC-DC控制芯片的設(shè)計和開發(fā)在經(jīng)濟和科學(xué)研究方面都非常有價值。

  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一等級直流輸出電壓。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。

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。圖為電壓型控制的原理圖。

  3 芯片內(nèi)部模塊的設(shè)計

  設(shè)計一個基于PWM控制的BOOST升壓式DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片，該芯片實現(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、保護、檢測電路等。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DC-DC變換電路的實現(xiàn)進行研究。

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

  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，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)比較并放大差值時產(chǎn)生誤差信號。誤差放大器的2號腳Vref就是基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生的固定基準(zhǔn)。②PWM比較器：當(dāng)來自電流取樣信號，當(dāng)然是電感電流和振蕩器產(chǎn)生的補償諧波相加后的電流信號，超過誤差信號時，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，復(fù)位驅(qū)動鎖存器斷開電源開關(guān)，以此來控制開關(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鐘信號，以設(shè)置變換器工作頻率，以及用于斜率補償?shù)亩〞r斜升波。時鐘波形為脈沖，而定時斜升波就是用于斜波補償?shù)?，在電感取樣端相加。④?qū)動器鎖存器：鎖存器包括RS觸發(fā)器與相關(guān)邏輯，它通過接通和斷開驅(qū)動電路來控制電源開關(guān)的狀態(tài)。來自鎖存器的低輸出電平把它斷開。正常工作方式下，在時鐘脈沖期間觸發(fā)器被置為高電平，當(dāng)PWM比較器輸出變?yōu)楦唠娖綍r鎖存器復(fù)位。⑤軟啟動電路模塊：當(dāng)整個系統(tǒng)剛啟動時，電感產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，軟啟動讓系統(tǒng)開始時不能在全占空比下啟動，使輸出電壓以受控的上升速率增加至額定穩(wěn)壓點。設(shè)計思想是利用外接電容的充放電使得占空比慢慢提高，達到輸出穩(wěn)定的目的。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(jiān)視電源開關(guān)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。

  本篇對開關(guān)電源工作原理進行了詳細(xì)的分析，對芯片內(nèi)部模塊進行了設(shè)計，最后采用BiCMOS工藝對芯片進行實現(xiàn)。對芯片系統(tǒng)方面的設(shè)計有整體的把握，詳細(xì)的論述了芯片設(shè)計的思想，這種方法對其他領(lǐng)域的芯片系統(tǒng)設(shè)計又很大幫助，因此有很大意義。