芯片设计至关重要,同时芯片设计也是国家重点发展项目。因此对于芯片设计,我们应该具备一定了解。往期文章中,小编曾对芯片设计的基础内容予以介绍。本文中,为增进大家对芯片设计的理解,特带来一篇芯片设计实例应用。请注意,本文仅为 dc-dc 开关电源管理芯片设计上篇,下篇将在后续文章中为大家呈现。
一、引言
电源是一切电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性。而开关电源更为如此,越来越受到人们的重视。目前的计算机设备和各种高效便携式电子产品发展趋于小型化,其功耗都比较大,要求与之配套的电池供电系统体积更小、重量更轻、效率更高,必须采用高效率的 dc/ dc 开关稳压电源。
目前电力电子与电路的发展主要方向是模块化、集成化。具有各种控制功能的专用芯片,近几年发展很迅速集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高,给应用带来极大方便。
从另一方面说在开关电源 dc-dc 变换器中,由于输入电压或输出端负载可能出现波动,应保持平均直流输出电压应能够控制在所要求的幅值偏差范围内,需要复杂的控制技术,于是各种 pwm 控制结构的研究就成为研究的热点。在这样的前提下,设计开发开关电源 dc-dc 控制芯片,无论是从经济,还是科学研究上都是是很有价值的。
二、开关电源控制电路原理分析
dc-dc 变换器就是利用一个或多个开关器件的切换,把某一等级直流输入电压变换成另—等级直流输出电压。在给定直流输入电压下,通过调节电路开关器件的导通时间来控制平均输出电压 控制方法之一就是采用某一固定频率进行开关切换,并通过调整导通区间长度来控制平均输出电压,这种方法也称为脉宽调制[pwm]法。
pwm 从控制方式上可以分为两类,即电压型控制(voltage mode control)和电流型控制(current mode control) 。电压型控制方式的基本原理就是通过误差放大器输出信号与一固定的锯齿波进行比较,产生控制用的 pwm 信号。从控制理论的角度来讲,电压型控制方式是一种单环控制系统。电压控制型变换器是一个二阶系统,它有两个状态变量:输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条件稳定系统,只有对控制电路进行精心的设计和计算后,在满足一定的条件下,闭环系统方能稳定的工作。图 1 即为电压型控制的原理框图。
图 1 电压型控制的原理框图
电流型控制是指将误差放大器输出信号与采样到的电感峰值电流进行比较 ． 从而对输出脉冲的占空比进行控制,使输出的电感峰值电流随误差电压变化而变化。电流控制型是一个一阶系统,而一阶系统是无条件的稳定系统。是在传统的 pwm 电压控制的基础上,增加电流负反馈环节,使其成为一个双环控制系统,让电感电流不在是一个独立的变量,从而使开关变换器的二阶模型变成了一个一阶系统。信号。从图 2 中可以看出,与单一闭环的电压控制模式相比,电流模式控制是双闭环控制系统,外环由输出电压反馈电路形成,内环由互感器采样输出电感电流形成。在该双环控制中,由电压外环控制电流内环,即内环电流在每一开关周期内上升,直至达到电压外环设定的误差电压阂值。电流内环是瞬时快速进行逐个脉冲比较工作的,并且监测输出电感电流的动态变化,电压外环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压型控制模式大得多的带宽。
图 2 电流型控制原理框图
电流型控制模式有不少优点:线性调整率(电压调整率)非常好;整个反馈电路变成了一阶电路,由于反馈信号电路与电压型相比,减少了一阶,因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化,稳定度得以提高并且改善了频响,具有更大的增益带宽乘积;具有瞬时峰值电流限流功能;简化了反馈控制补偿网络、负载限流、磁通平衡等电路的设计,减少了元器件的数量和成本,这对提高开关电源的功率密度,实现小型化,模块化具有重要的意义。
当然了也有缺点,例如占空比大于 50%时系统可能出现不稳定性,可能会产生次谐波振荡;另外,在电路拓扑结构选择上也有局限,在升压型和降压—升压型电路中,由于储能电感不在输出端,存在峰值电流与平均电流的误差。对噪声敏感,抗噪声性差等等。对于这样的缺点现在已经有了解决的方案,斜波补偿是很必要的一种方法。

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