【正文】 2 PWM 控制型開關(guān)電源電路原理 近年來(lái)，脈寬調(diào)制（ PWM）控制技術(shù)得到較快速發(fā)展，用 PWM 控制開關(guān)變換器，即 PWM 開關(guān)電源。相對(duì)傳統(tǒng)的線性電源而言，開關(guān)電源具有體積小，成本低，效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。 開關(guān)電源的基本工作原理 開 關(guān)電源以半導(dǎo)體開關(guān)器件的啟閉為基本原理，即通過(guò)控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的世界比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。 開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖 11 所示。虛線框內(nèi)是控制電路部分，是本文所要設(shè)計(jì)的芯片。反饋控制電路為脈沖寬度調(diào)制器（ PWM），它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成?？刂齐娐酚脕?lái)調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。作為開關(guān)而言，導(dǎo)通時(shí)，壓降很小，幾乎不消耗能量，關(guān)斷時(shí)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(dá) 80%以上。 代信敏： PWM 芯片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)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(duì)輸出電壓采樣，作為反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制。從控制的角度看，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。 圖 12 為電壓控制型開關(guān)電源的原理圖。這就是控制的原理，它是一個(gè)單環(huán)控制系統(tǒng) [14]。它是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，有一個(gè)內(nèi)環(huán)，一個(gè)外環(huán) — 電壓環(huán)。驅(qū)動(dòng)開關(guān)管導(dǎo)通。脈沖比較器翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)信號(hào)變低，開關(guān)管關(guān)斷。 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(shí)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(lái)，集成開關(guān)電源沿著集成化方向發(fā)展，首先是對(duì)開關(guān)電源的核心代信敏： PWM 芯片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 5 單元 — 控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。 90 年代以來(lái)，國(guó)外又研制出開關(guān)頻率達(dá) 1MHZ 的高速 PWM、 PFM90（脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品有 UC182UC1864。 第一章介紹開關(guān)電源的背景、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)介紹了開關(guān)電源的原理，并對(duì)本文的章節(jié)進(jìn)行安排。 第三章介紹控制芯片各個(gè)模塊電路原理，所設(shè)計(jì)的具體電路。 第五章總結(jié)該電路的設(shè)計(jì)工作。該 技術(shù)由不同路線方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，其共同特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)峰值電流對(duì)電壓反饋的跟蹤。 （ 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。每 1 個(gè)開關(guān)周期開始，由時(shí)鐘信號(hào) CLK 經(jīng)過(guò)觸發(fā)器，驅(qū)動(dòng)開關(guān) VF 導(dǎo)通，當(dāng)電流 iVF 的檢測(cè)信號(hào)峰值達(dá)到電流給定值 Ve 時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，開關(guān) VF 關(guān)斷。 峰值電流型 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，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(wèn)題；具有良好的線性調(diào)整率和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；固有的逐個(gè)開關(guān)周期的峰值電流限制，簡(jiǎn)化了過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)；多個(gè)電源模塊并聯(lián)式易于實(shí)現(xiàn)均流。 DRVi驅(qū)動(dòng) 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(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)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(hào)Ve 式 電壓調(diào)節(jié)器的輸出，圖中未畫出電壓環(huán)。電流調(diào)節(jié)器一般采用 PI 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可以濾除采樣信號(hào)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。 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)。 為實(shí)現(xiàn)滯環(huán)電流型控制，滯環(huán)比較器中設(shè)定上限值 Vemax 和下限值 Vemin。被檢測(cè)的電感電流決定了開關(guān)關(guān)斷、開通時(shí)間。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）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(shè)計(jì) 芯片的主要 特點(diǎn)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(shí)所需電流低至 4. 逐周限流時(shí)間快至 35ns 5. 誤差放大器的基準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(guò)流保護(hù)和用做基準(zhǔn)的參考電壓部分。 代信敏： PWM 芯片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)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(yán)格設(shè)定了工 作頻率和死區(qū)的最小變化率。 CT 的放電電流由通過(guò) RT 的電流和控制芯片內(nèi)部的放電電流之差決定。 RT 的阻值較大時(shí)，放電時(shí)間由控制芯片內(nèi)部的放電電流和 CT 的容量決定。在一個(gè)振蕩周期內(nèi)，電容CT 充電時(shí)，輸出脈沖最大占空比受振蕩器的可控死區(qū)限制。內(nèi)部的 5V基準(zhǔn)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。設(shè)計(jì)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。當(dāng)外接開關(guān)管的電流達(dá)到正比于放大器輸出電壓的最大門限值時(shí)，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(zhǔn) 參考 調(diào)節(jié) 振蕩器 電流比較器 VCC Vout 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 10 出端關(guān)斷，直到下一個(gè)振蕩周期開始。 4. 欠壓鎖定 在電源達(dá)到啟動(dòng)電壓之前，欠壓鎖定電路阻止芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電源電路和輸出極開始工作。 5. 基準(zhǔn)電 壓 設(shè)計(jì)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為 5V，誤差在177?；鶞?zhǔn)電壓源為內(nèi)部邏輯電路和振蕩電路供電。電壓誤差放大器的正向端 電壓也由基準(zhǔn)電壓分壓所得。 代信敏： PWM 芯片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 11 第 3 章 PWM 芯片電路設(shè)計(jì)及工作過(guò)程 欠壓鎖定 欠壓鎖定電路實(shí)現(xiàn)的功能是：當(dāng)電源電壓大于 時(shí)，芯片正常工作；當(dāng)電源電壓小于 時(shí)，芯片不工作。 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(zhǔn)電壓源提供。 啟動(dòng)時(shí)的時(shí)序：比較器輸出電壓的有無(wú)，由 VDD 電壓的高低控制，只有VDD 大于 + 時(shí)比較器輸出高電位，基準(zhǔn)電壓 +5VR 才有輸出，芯片才能正常工作。 關(guān)閉時(shí)的順序：隨著 VDD 電壓的下降，當(dāng) VDD 的電壓小于 時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)欠壓保護(hù)，這時(shí)比較器輸出低電位，沒(méi)有 +5VR 電壓輸出，這樣導(dǎo)致后面沒(méi)有脈沖輸 出，電源就不能正常工作。內(nèi)部穩(wěn)壓源電路提供穩(wěn)定的偏置電壓或作為基準(zhǔn)電壓。由于基準(zhǔn)源的精度與溫度有關(guān)，提高精度必須降低溫度系數(shù)。圖 32 給出了帶隙基準(zhǔn)的原理。同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)熱電壓 tV ，其與絕對(duì)溫度成正比，室溫下的溫度系數(shù)為+℃。由于 Dn 依賴于溫度，溫度系數(shù) r 稍微偏離 3。 BEV 提供負(fù)溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。 )J/Jl n ()q/kT(VVV 2C1C2BE1BEBE ???? (38) )J/Jl n ()T/V(D/Vd 2C1CttBE ?? (39) 為了在 T0 時(shí)達(dá)到零溫度系數(shù)， BEV 和 BEV? 的變量加起來(lái)必須為 0 V beKVt 發(fā)生器Vt123相加器V r e f = V b e + K V tTT 圖 32 帶隙基準(zhǔn)電路圖 普通可調(diào)直流基準(zhǔn)源 TL431 的介紹 TL43l 是 — 36V 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。其性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，可廣泛用于單片精密開關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中。陰極工作電流 IKA=l～ 100mA TL431 主要包括 4 部分：①誤差放大器 A，其同相輸入端接取樣電壓 VREF，四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 14 反相輸入端則接內(nèi)部 2． 50V 基準(zhǔn)電壓 Vref，并且設(shè)計(jì)的 VREF=VRRef；②內(nèi)部2． 50V(準(zhǔn)確值為 2． 495V)基準(zhǔn)電壓源 Vref；③ NPN 型晶體管 VT，在電路中起調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用；④保護(hù)二極管 VD，能防止因 K— A 間電源極性接反而損壞芯片。 AVT VDAKV R E FV r e f 圖 33 TL431 內(nèi)部原理電路 TL431 的電路圖形符號(hào)和基本接線如圖 34 所示。選取 R3 阻值的原則是，當(dāng)輸入電壓 Vi 為最小值時(shí)必須保證 100mA≥ IKA≥ 1mA，以便使 TL431 能正常工作。反之，代信敏： PWM 芯片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 15 Vo 下降→ VREFVref→比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出變成低電平→ VT 截止→ Vo 上升。趨于穩(wěn)定，達(dá)到了穩(wěn)壓目的，并 VREF=Vref。 在芯片電路中，內(nèi)部應(yīng)用的直流基準(zhǔn)電壓主要有 ,3V 和 。 電壓調(diào)節(jié)器 電壓調(diào)節(jié)器是一種被廣泛使用的器件，其輸入是不穩(wěn)定的直流電壓，輸出可作為其他電路的供電電壓。 圖 35 是電壓調(diào)節(jié)器的原理圖。穩(wěn)定電壓加在高增益放大器的非倒相輸入端，并與由電阻 R1 和 R2 采樣的輸出電壓比較。 圖 35 所示的放大器為高性能放大器。串聯(lián) — 并聯(lián)反饋電路使電壓調(diào)節(jié)器有較高的輸入阻抗，減小了負(fù)載效應(yīng)。 123R2R1V D DVRV r e f 圖 35 電壓調(diào)節(jié)器 振蕩器 振蕩器原理 振蕩器部分需要產(chǎn)生一個(gè)設(shè)定開關(guān)頻率的時(shí)鐘信號(hào)。 RtSRQV r e f2 .5 V0 .7 5 V123123 圖 36 振蕩器時(shí)鐘信號(hào)電路 用一個(gè)電阻 Rt 通過(guò) Vref 給電容充電，用兩個(gè)比較器把電容上的電壓和兩個(gè)參考電壓相比較，參考電壓分別設(shè)為 和 。當(dāng)電容電壓超過(guò) 時(shí)，電容通過(guò)電流源放電。 電流源放電電流很大，放電時(shí)間相對(duì)于一個(gè)時(shí)鐘周期是非常短的。 RS 觸發(fā)器的輸出就是時(shí) 鐘信號(hào)，時(shí)鐘周期約等于充電時(shí)間而電容電壓 RCt/ ??? 計(jì)算可得充電時(shí)間約為? 。該設(shè)計(jì)中最大占空比要達(dá)到 99%，因此放電時(shí)間必須低于一個(gè)時(shí)鐘周期的 1%。 N P N P2 兩個(gè)反相器組成的正反饋電路起到鎖定、穩(wěn)定信號(hào)的作用，帶有毛刺、不太穩(wěn) 定的經(jīng)我們?cè)谳敵龆诉€需添置一個(gè)反相器，從而保證輸入輸出邏輯的正確性。因此采用 PMOS差分對(duì)的輸入級(jí)。輸出用推挽結(jié)構(gòu)。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 18 V ou tV r e fCT 0. 75 VV bi a s 圖 38 比較器 1電路圖 比較器 2 的電路圖如圖 39 所示，其共模輸入電壓是 3V，因此采用 NMOS差分對(duì)作輸入級(jí) V r e fCT3VV bi a sV ou t 2 圖 39 比較器 2電路圖 放電電流源的電路圖如圖 310 所示，使用 PTAR 電流源，經(jīng)過(guò)兩路放大，得到大電流放電。這是一個(gè)經(jīng)典的運(yùn)算放大器。 如圖 311 所示，電壓誤差放大器由運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和輸出極組成。除輸入和輸出節(jié)點(diǎn)外，此放大器的其余所有節(jié)點(diǎn)都是低租節(jié)點(diǎn)。 PMOS 晶體管 M M2 的小信號(hào)電流由下式給出： dFB1Q1dM2dM i2/V*giI ???? (313) M3 與 M1 對(duì)稱， M2 與 M4 對(duì)稱，所以： 1dM2dM3dM4M iiii ????? (314) 運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出電壓為： )r//r(i2V 6o4odout ? (315) M6 和 M8 形成共源共柵結(jié)構(gòu)提高輸出電阻。在電路中，共發(fā)射極晶體管 Q3 在負(fù)半周期將功率傳輸給負(fù)載，而射極跟隨器 Q4 在正半周期傳輸功率。 為了達(dá)到最大值，晶體管 M9 漏極電流必須大于晶體管 Q4 的基極電流。如果 M9 的漏極電流不夠所需的 Q4 基極電流，輸出會(huì)出現(xiàn)削波 失真。隨著 Q3 集電極電流增加， M9 的漏極電壓下降，由于 Q4 是射極跟隨器，輸出電壓將隨其下降。正端是采樣電流信號(hào)。使用電平移位可以達(dá)到芯片輸出零占空比脈沖。 2RO f f s e t+_P W M C o m p a r a t o r+_RSQC u r r e n t S e n s eVOUT321Z c om p2 .5 0 0 VP W M l a t c ht o O S CR1V