【正文】 成化，制成了各種開關(guān)電源專用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 開關(guān)電源的功率調(diào)整器件處于開關(guān)工作狀態(tài)。作為開關(guān)而言，導通時，壓降很小，幾乎不消耗能量，關(guān)斷時漏電流很小，也幾乎不消耗能量，所以開關(guān)電源的公路轉(zhuǎn)換效率可達 80%以上。開關(guān)電源的濾波電感的體積和重量也因為工作頻率提高而減小，所需的濾波電容也減小。 代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 3 PWM 電路的分類 PWM 控制型的開關(guān)電源可分為兩類型，一種是電壓控制型，它只對輸出電壓采樣，作為反饋信號進行閉環(huán)控制。采樣脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)，調(diào)節(jié)輸出電壓。從控制的角度看，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。另一種是電流控制型，在 PWM電壓控制的基礎(chǔ)上，增加一個電流反饋環(huán)節(jié)，使其成為雙環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高了電源性能。 圖 12 為電壓控制型開關(guān)電源的原理圖。電源輸出電壓 V0 的采樣值與參考電壓進行比較放大，得到誤差信號 Ve ，它與鋸齒波信號比較后，由脈寬比較 器輸出占空比隨輸出電壓變化的 PWM 波，從而控制輸出電壓保持穩(wěn)定。這就是控制的原理，它是一個單環(huán)控制系統(tǒng) [14]。 功率轉(zhuǎn)換電路 高頻變換器 圖 11 開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖 輸出整流濾波 DC 取樣器 比較器 脈寬調(diào)制 振蕩器 基準電壓 AC 輸入整流濾波 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 4 V C C123誤差放大123脈寬比較器鋸齒波電路整流濾波采樣電路V0參考VS 圖 12 電壓控制型開關(guān)電源原理圖 圖 13 為電流型開關(guān)電源的原理圖。它是一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，有一個內(nèi)環(huán)，一個外環(huán) — 電壓環(huán)。其工作原理是：恒頻時鐘脈沖、置位鎖存器，輸出高電平信號。驅(qū)動開關(guān)管導通。隨著開關(guān)管中的電流脈沖逐步增大，當電流在采樣電阻RS 上的電壓幅值 VS 達到 Ve 電平時。脈沖比較器翻轉(zhuǎn)，鎖存器復位，驅(qū)動信號變低，開關(guān)管關(guān)斷。電路就是這樣逐個的檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖。 V C C123誤差放大123脈寬比較器整流濾波采樣電路V0參考VSRS 鎖存器時鐘Ve 圖 13 電流型脈寬調(diào)制器原理框圖 本文的主要工作 20 多年來，集成開關(guān)電源沿著集成化方向發(fā)展，首先是對開關(guān)電源的核心代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 5 單元 — 控制電路實現(xiàn)集成化。 1977 年國外首先研制成脈寬調(diào)制（ PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相繼推出一批 PWM芯片，典型產(chǎn)品有 MC3520,SG3524,芯片。 90 年代以來，國外又研制出開關(guān)頻率達 1MHZ 的高速 PWM、 PFM90（脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品有 UC182UC1864。 本文的主要工作是設計開關(guān)電源的芯片電路，該集成電路采用 PWM 工作方式， 需要較少的外部元件即能構(gòu)成完整的開關(guān)電源，工作頻率 1MHz，并具有過流保護功能。 第一章介紹開關(guān)電源的背景、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，同時介紹了開關(guān)電源的原理，并對本文的章節(jié)進行安排。 第二章介紹開關(guān)電源控制電路的原理和基本結(jié)構(gòu)。 第三章介紹控制芯片各個模塊電路原理，所設計的具體電路。 第四章介紹控制芯片幾種典型的開關(guān)電源中的應用。 第五章總結(jié)該電路的設計工作。 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 6 第 2 章 PWM 控制芯片電路的原理 PWM 控制芯片原理 電流控制的 PWM 技術(shù)是一種新穎的控制技術(shù)， 1967 年由美國 BOSE 公司提出。該 技術(shù)由不同路線方案來實現(xiàn)，其共同特點是：利用電感電流的反饋直接去控制功率開關(guān)的占空比，以實現(xiàn)峰值電流對電壓反饋的跟蹤。 電流型控制分為峰值電流控制、平均電流控制和滯環(huán)電流控制。 （ 1）峰值電流控制 峰值電流控制是最常用的電流型控制方式。以 Buck 變換器為例，峰值電流型控制系統(tǒng)原理如圖 21。每 1 個開關(guān)周期開始，由時鐘信號 CLK 經(jīng)過觸發(fā)器，驅(qū)動開關(guān) VF 導通，當電流 iVF 的檢測信號峰值達到電流給定值 Ve 時，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，開關(guān) VF 關(guān)斷。因此只要系統(tǒng)中電流稍有變化，占空比可以較快產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使輸出電壓 V0 接近給定 Vr。 峰值電流型 PWM 控制的優(yōu)點是：消除了輸出濾波電感在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中產(chǎn)生的極點，使系統(tǒng)傳遞函數(shù)由二階降為一階，解決了系統(tǒng)有條件的環(huán)路穩(wěn)定問題；具有良好的線性調(diào)整率和快速的動態(tài)響應；固有的逐個開關(guān)周期的峰值電流限制，簡化了過載保護和短路保護；多個電源模塊并聯(lián)式易于實現(xiàn)均流。缺點是：不能準確控制電感的平均電流，回路增益對電網(wǎng)電壓變化敏感，開關(guān)噪聲容易造成開關(guān)管誤動作等。 DRVi驅(qū)動 RSC L KVei v fV0VDDVF 圖 21 峰值電流控制系統(tǒng)原理框圖 代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 7 （ 2）平均電流型控制 圖 22 以 Buck 變換器為例，給出平均電流控制的電路框圖，電流給定信號Ve 式 電壓調(diào)節(jié)器的輸出，圖中未畫出電壓環(huán)。 平均電流型控制方案需要檢測電感電流 iL,電流檢測信號與電流給定 Ve 比較后，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器生成控制信號 VC， VC 再與鋸齒波調(diào)制信號比較，產(chǎn)生 PWM脈沖。電流調(diào)節(jié)器一般采用 PI 型補償網(wǎng)絡，可以濾除采樣信號中的高頻分量，與峰值電流控制相比，它直接控制電感電流的平均值，抗擾性好。但是檢測電感電流有時比較復雜，或檢測元件損耗較大。 123A123ViVF V0iLDVCVe 圖 22 平均電流控制的電路框圖 （ 3）滯環(huán)電流型控制 圖 23 以 Buck 開關(guān)變換器為例，給出滯環(huán)電流型控制的電路框圖，圖中未畫出電壓環(huán)。滯環(huán)電流 型控制也是檢測電感電流，與電流給定值 Ve 比較后，輸入給滯環(huán)比較器或滯環(huán)邏輯元件。 為實現(xiàn)滯環(huán)電流型控制，滯環(huán)比較器中設定上限值 Vemax 和下限值 Vemin。當電感電流 iL 的檢測信號下降到下限 Vemin 時，比較器輸出高電平，使功率開關(guān)關(guān)斷，電感電流下降。被檢測的電感電流決定了開關(guān)關(guān)斷、開通時間。滯環(huán)控制方式下，變換器是變頻工作的，其開關(guān)頻率一般隨輸入電壓、輸出電壓和負載的變化而變化，因此輸入、輸出濾波器的設計比較復雜。 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 8 123AViVF V0iLDVCVDVe 圖 23 滯環(huán)電流型控制的電路框圖 PWM 控制芯片電路的結(jié)構(gòu)設計 芯片的主要 特點是： 1. 1MHz 開關(guān)頻率 2. 50uA 備用電流， 100uA 最大電流 3. 在 52kHz 開關(guān)頻率時所需電流低至 4. 逐周限流時間快至 35ns 5. 誤差放大器的基準電壓為 6. 振蕩器放電電流精確 7. 新型的欠壓鎖定模塊 所設計的 PWM 控制器，它主要包括欠壓鎖定電路，振蕩器，電流比較器，電壓調(diào)節(jié)器，誤差放大器，過流保護和用做基準的參考電壓部分。內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖如下圖 24。 代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 9 圖 24 芯片結(jié)構(gòu)框圖 1. 振蕩器 振蕩器的工作頻率和放電電流都是調(diào)整好的，并且嚴格設定了工 作頻率和死區(qū)的最小變化率。振蕩頻率由外接電阻 RT 決定。 CT 的放電電流由通過 RT 的電流和控制芯片內(nèi)部的放電電流之差決定。設計控制芯片內(nèi)部的放電電流為。 RT 的阻值較大時，放電時間由控制芯片內(nèi)部的放電電流和 CT 的容量決定。 RT 的阻值較小時，對放電時間也有較大的影響。在一個振蕩周期內(nèi)，電容CT 充電時，輸出脈沖最大占空比受振蕩器的可控死區(qū)限制。 2. 電壓誤差放大器 設計電壓誤差放大器的直流增益為 90dB，增益帶寬為 。內(nèi)部的 5V基準電壓經(jīng)分壓后產(chǎn)生 電壓，該電壓直接加在電壓誤差放大器的同向端。開 關(guān)電源的輸出電壓經(jīng)過電阻分壓后反饋到放大器的反響輸入端。設計放大器輸出端輸出的電流限制在 1mA，放大器輸出端吸入電流為 10mA。 3. 電流比較器 為 了 能夠?qū)崿F(xiàn)逐周控制，如此設計電流比較器：在每個振蕩周期開始時，輸出端開通。當外接開關(guān)管的電流達到正比于放大器輸出電壓的最大門限值時，輸2 89 1 3 4 5 10 7 6 誤差放大器 9 Vcc 欠壓鎖定 VREF 欠壓鎖定 PWM 鎖定 +5V基準 參考 調(diào)節(jié) 振蕩器 電流比較器 VCC Vout 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 10 出端關(guān)斷，直到下一個振蕩周期開始。此時開關(guān)電源的峰值開關(guān)電流正比于誤差電壓。 4. 欠壓鎖定 在電源達到啟動電壓之前，欠壓鎖定電路阻止芯片內(nèi)部的基準電源電路和輸出極開始工作。電源電壓低于啟動電壓時，設計芯片的靜態(tài)電流小于 250uA。 5. 基準電 壓 設計內(nèi)部基準電壓為 5V，誤差在177。 1%以內(nèi)?；鶞孰妷涸礊閮?nèi)部邏輯電路和振蕩電路供電。振蕩器外接電容器的充電電流也由基準電壓源供給。電壓誤差放大器的正向端 電壓也由基準電壓分壓所得。基準電壓源能提供 20mA 電流。 代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 11 第 3 章 PWM 芯片電路設計及工作過程 欠壓鎖定 欠壓鎖定電路實現(xiàn)的功能是：當電源電壓大于 時，芯片正常工作；當電源電壓小于 時，芯片不工作。 本文用滯后比較器來實現(xiàn)電路得欠壓鎖定，在 VDD 欠壓鎖定處和 Vref 欠壓鎖定處用滯后比較器實現(xiàn)。 欠壓鎖 定中的滯后比較器如圖 31 所示，非倒向端連接供電電源 VCC，倒向端的 的電壓是由基準電壓源提供。輸出端 VOUT 與電壓調(diào)節(jié)器連接。 啟動時的時序：比較器輸出電壓的有無，由 VDD 電壓的高低控制，只有VDD 大于 + 時比較器輸出高電位，基準電壓 +5VR 才有輸出，芯片才能正常工作。一旦正常工作后， VDD 小于 時也能正常工作，我們稱 為啟動電壓。 關(guān)閉時的順序：隨著 VDD 電壓的下降，當 VDD 的電壓小于 時，又會出現(xiàn)欠壓保護，這時比較器輸出低電位，沒有 +5VR 電壓輸出，這樣導致后面沒有脈沖輸 出，電源就不能正常工作。 123 V o u t V i n 1V i n 2 圖 31 欠壓鎖定置換比較器 基準電壓源 帶隙基準電壓源 基準源電路廣泛的應用于各種模擬集成電路，其精度和穩(wěn)定性直接決定整個系統(tǒng)的精度。內(nèi)部穩(wěn)壓源電路提供穩(wěn)定的偏置電壓或作為基準電壓。一般要求這些電壓源的直流輸出電平較穩(wěn)定，而且這個直流電平應該對電源電壓和溫度不敏四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 12 感。由于基準源的精度與溫度有關(guān)，提高精度必須降低溫度系數(shù)。 帶隙基準可以再 0— 70℃的溫度范圍內(nèi)有 10ppm/℃的溫度。圖 32 給出了帶隙基準的原理。由室溫下溫度系數(shù)為 ℃的 pn節(jié)二極管 產(chǎn)生電壓 BEV 。同時也產(chǎn)生一個熱電壓 tV ，其與絕對溫度成正比，室溫下的溫度系數(shù)為+℃。如果電壓 tV 乘以常數(shù) K 加上電壓 BEV ，則輸出電壓為： tBEBEF KVVV ?? （ 31） 雙極性晶體管中的集電極電流密度的關(guān)系： )V/Ve x p ()WB/nqD(J tBEponC ? （ 32） 其中： CJ =集電極電流密度 pon =基區(qū)電子平衡濃度 nD =電子的平均擴散常數(shù) 平衡濃度 ： A21po N/nn ? （ 33） 其中： )V/Ve x p (DTn tGO321 ?? （ 34） D 是與溫度無關(guān)的常數(shù)， GOV 時帶隙電（ ） 得到下面集電 極電流密度的方程式： )V/)VVe x p ((DT)WN/qD(J tGOBE3BAnC ?? )/)VVe x p ( (AT tGOBEr ?? （ 35） 在上式中，與溫度不相關(guān)的常數(shù)合并成單一的常數(shù) A。由于 Dn 依賴于溫度，溫度系數(shù) r 稍微偏離 3。 因此 BEV 的關(guān)系式為： 代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 13 )J/Jl n ()q/kT()T/Tl n ()q/r k T()T/T(VT/VV COC00B E O0BE ???? (36) BEV 與溫度的關(guān)系為： )q/k)((T/)VV(TT|dT/dV 0GOBE0BE ??????? (37) 300K 時， BEV 關(guān)于溫度的變化約為 ℃ 。 BEV 提供負溫度系數(shù)的基準電壓。 BEV? 提供溫度系數(shù)的基準電壓。 )J/Jl n ()q/