【導讀】芯片設計是國家的重點項目，同時芯片設計也是我國擺脫進口依賴與自主獨立的關鍵。本文對于芯片設計的講解承接于《DC-DC 開關電源管理芯片設計(上)》一文，如果你未曾閱讀上篇芯片設計相關內(nèi)容，不妨從前文開始閱讀哦。
芯片設計是國家的重點項目，同時芯片設計也是我國擺脫進口依賴與自主獨立的關鍵。本文對于芯片設計的講解承接于《DC-DC 開關電源管理芯片設計(上)》一文，如果你未曾閱讀上篇芯片設計相關內(nèi)容，不妨從前文開始閱讀哦。
一、芯片內(nèi)部模塊的設計
本目的是設計一個基于 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)基本框架的基礎上，結(jié)合電力電子技術與微電子技術，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。
系統(tǒng)方面的設計以及系統(tǒng)框圖和各個功能模塊的設計思想
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。當輸出電壓樣本與內(nèi)部電壓基準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 就是基準電壓產(chǎn)生的固定基準。
② PWM 比較器 當來自電流取樣信號，當然是電感電流和振蕩器產(chǎn)生的補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)，復位驅(qū)動鎖存器斷開電源開關，以此來控制開關管的開通與關斷。
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?/div>
④ 驅(qū)動器鎖存器 鎖存器包括 RS 觸發(fā)器與相關邏輯，它通過接通和斷開驅(qū)動電路來控制電源開關的狀態(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 PWM 比較器輸出變?yōu)楦唠娖綍r鎖存器復位。
⑤ 軟啟動電路模塊 當整個系統(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、設計中必須要考慮的幾點細節(jié)問題
① 關于斜波補償
這是在上文提到過的電流控制型開關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)設定的電流值分別接到 PWM 比較器的兩端進行比較，用來控制開關管。下面分析斜波補償?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 斜坡補償原理分析
其中 Ve 是電壓放大器輸出的電流設定值，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大，從而造成工作不穩(wěn)定，這時需給刪比較器加坡度補償以穩(wěn)定電路，加了坡度補償，即使占空比小于 50%，電路性能也能得到改善。因此斜坡補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，斜坡補償還能抑制次諧波振蕩和振鈴電感電流。這里就不再詳細地說明，斜波補償方面必須要確定補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，導出傳遞函數(shù)，計算出補償斜率的值。這是很關鍵的一步。
② 關于軟啟動問題
DC/ DC 開關電源在啟動過程中 ，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，在設計中必須采用軟啟動電路，該方法的不足之處是 ，當輸出電壓的閾值未達到時 ，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
