【導(dǎo)讀】芯片設(shè)計是國家的重點項目，同時芯片設(shè)計也是我國擺脫進(jìn)口依賴與自主獨(dú)立的關(guān)鍵。本文對于芯片設(shè)計的講解承接于《DC-DC 開關(guān)電源管理芯片設(shè)計(上)》一文，如果你未曾閱讀上篇芯片設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，不妨從前文開始閱讀哦。
芯片設(shè)計是國家的重點項目，同時芯片設(shè)計也是我國擺脫進(jìn)口依賴與自主獨(dú)立的關(guān)鍵。本文對于芯片設(shè)計的講解承接于《DC-DC 開關(guān)電源管理芯片設(shè)計(上)》一文，如果你未曾閱讀上篇芯片設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，不妨從前文開始閱讀哦。
一、芯片內(nèi)部模塊的設(shè)計
本目的是設(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(hù)、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(jìn)行研究。
系統(tǒng)方面的設(shè)計以及系統(tǒng)框圖和各個功能模塊的設(shè)計思想
圖 1 系統(tǒng)模塊原理框圖
下面分別的介紹系統(tǒng)各個功能模塊：
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，他被供給 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)。
② PWM 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(bǔ)償諧波想加后的電流信號，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(bǔ)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(bǔ)償?shù)?，在電感取樣端相加?/div>
④ 驅(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(dá)到輸出穩(wěn)定的目的。
⑥ 電流采樣電路 提供斜率補(bǔ)償電流靈敏電壓給 PWM 比較器。
⑦ 保護(hù)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。
二、設(shè)計中必須要考慮的幾點細(xì)節(jié)問題
① 關(guān)于斜波補(bǔ)償
這是在上文提到過的電流控制型開關(guān)變換器中存在的根本性問題。電流控制型就是將實際的電感電流和電壓外環(huán)設(shè)定的電流值分別接到 PWM 比較器的兩端進(jìn)行比較，用來控制開關(guān)管。下面分析斜波補(bǔ)償?shù)脑?。如下圖分別是占空比大于 50%和小于 50%的尖峰電流控制的電感電流波形圖。
圖 2 斜坡補(bǔ)償原理分析
其中 Ve 是電壓放大器輸出的電流設(shè)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(dāng)占空比小于 50%時擾動電流引起的電流誤差ΔI l 變小了，而占空比大于 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制在占空比大于 50%時，經(jīng)過一個周期會將擾動信號擴(kuò)大，從而造成工作不穩(wěn)定，這時需給刪比較器加坡度補(bǔ)償以穩(wěn)定電路，加了坡度補(bǔ)償，即使占空比小于 50%，電路性能也能得到改善。因此斜坡補(bǔ)償能很好的增加電路穩(wěn)定性，使電感電流平均值不隨占空比變化，并減小峰值和平均值的誤差，斜坡補(bǔ)償還能抑制次諧波振蕩和振鈴電感電流。這里就不再詳細(xì)地說明，斜波補(bǔ)償方面必須要確定補(bǔ)償波形的斜率的精確大小，采用的方法就是建立系統(tǒng)模型，導(dǎo)出傳遞函數(shù)，計算出補(bǔ)償斜率的值。這是很關(guān)鍵的一步。
② 關(guān)于軟啟動問題
DC/ DC 開關(guān)電源在啟動過程中 ，容易產(chǎn)生浪涌電流 ，可能對電子系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。為避免啟動時輸入電流過大，輸出電壓過沖，在設(shè)計中必須采用軟啟動電路，該方法的不足之處是 ，當(dāng)輸出電壓的閾值未達(dá)到時 ，發(fā)生浪涌電流現(xiàn)象可能對電子系統(tǒng)造成損傷 ，而且在輸出電壓達(dá)到閾值之后 ，也可能因為偶然的過流使得電源多次重新啟動。因此應(yīng)采用基于周期到周期的電流限制門限來限制上電時的浪涌電流，并防止電源多次重新啟動。如圖 3 所示：
圖 3 軟啟動電路
