DC-DC開關電源管理芯片的設計

電源是一切電子設備的心臟部分，其質量的好壞直接影響電子設備的可靠性。而開關電源更為如此，越來越受到人們的重視。目前的計算機設備和各種高效便攜式電子產品發展趨于小型化，其功耗都比較大，要求與之配套的電池供電系統體積更小、重量更輕、效率更高，必須采用高效率的DC/ DC開關穩壓電源。

　　目前電力電子與電路的發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，近幾年發展很迅速集成化、模塊化使電源產品體積小、可靠性高，給應用帶來極大方便。

　　從另一方面說在開關電源DC-DC變換器中，由于輸入電壓或輸出端負載可能出現波動，應保持平均直流輸出電壓應能夠控制在所要求的幅值偏差范圍內，需要復雜的控制技術，于是各種 PWM控制結構的研究就成為研究的熱點。在這樣的前提下，設計開發開關電源DC-DC控制芯片，無論是從經濟，還是科學研究上都是是很有價值的。

　　1. 開關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器件的切換，把某一等級直流輸入電壓變換成另—等級直流輸出電壓。在給定直流輸入電壓下，通過調節電路開關器件的導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切換，并通過調整導通區間長度來控制平均輸出電壓，這種方法也稱為脈寬調制［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與一固定的鋸齒波進行比較，產生控制用的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控制系統。電壓控制型變換器是一個二階系統，它有兩個狀態變量：輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流。二階系統是一個有條件穩定系統，只有對控制電路進行精心的設計和計算后，在滿足一定的條件下，閉環系統方能穩定的工作。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與采樣到的電感峰值電流進行比較．從而對輸出脈沖的占空比進行控制，使輸出的電感峰值電流隨誤差電壓變化而變化。電流控制型是一個一階系統，而一階系統是無條件的穩定系統。是在傳統的PWM電壓控制的基礎上，增加電流負反饋環節，使其成為一個雙環控制系統，讓電感電流不在是一個獨立的變量，從而使開關變換器的二階模型變成了一個一階系統。信號。從圖2中可以看出，與單一閉環的電壓控制模式相比，電流模式控制是雙閉環控制系統，外環由輸出電壓反饋電路形成，內環由互感器采樣輸出電感電流形成。在該雙環控制中，由電壓外環控制電流內環，即內環電流在每一開關周期內上升，直至達到電壓外環設定的誤差電壓閡值。電流內環是瞬時快速進行逐個脈沖比較工作的，并且監測輸出電感電流的動態變化，電壓外環只負責控制輸出電壓。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點：線性調整率（電壓調整率）非常好；整個反饋電路變成了一階電路，由于反饋信號電路與電壓型相比，減少了一階，因此誤差放大器的控制環補償網絡得以簡化，穩定度得以提高并且改善了頻響，具有更大的增益帶寬乘積；具有瞬時峰值電流限流功能；簡化了反饋控制補償網絡、負載限流、磁通平衡等電路的設計，減少了元器件的數量和成本，這對提高開關電源的功率密度，實現小型化，模塊化具有重要的意義。當然了也有缺點，例如占空比大于50％時系統可能出現不穩定性，可能會產生次諧波振蕩；另外，在電路拓撲結構選擇上也有局限，在升壓型和降壓—升壓型電路中，由于儲能電感不在輸出端，存在峰值電流與平均電流的誤差。對噪聲敏感，抗噪聲性差等等。對于這樣的缺點現在已經有了解決的方案，斜波補償是很必要的一種方法。