鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1001次 | 2019年12月27日
高效率綠色模式開(kāi)關(guān)電源控制器設(shè)計(jì)方案
1引言
降壓型集成開(kāi)關(guān)電源控制器廣泛應(yīng)用于各類便攜式設(shè)備中。近年來(lái)，隨著電池供電的便攜式設(shè)備，如手機(jī)、MP3播放器、PDA等性能的提高和功能的日趨豐富，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的效率提出了越來(lái)越高的要求。
為提高效率和減少片外元器件，目前應(yīng)用的Buck變換器通常集成了功率開(kāi)關(guān)和同步整流開(kāi)關(guān)。同時(shí)，為減小片外電感元件的尺寸以適應(yīng)便攜式設(shè)備的應(yīng)用，開(kāi)關(guān)頻率往往設(shè)置為幾兆甚至更高的數(shù)量級(jí)。由此帶來(lái)的問(wèn)題是，當(dāng)變換器工作在輕載條件下，開(kāi)關(guān)損耗就變成了主要的功率損耗。而便攜式設(shè)備恰恰常工作于待機(jī)狀態(tài)即輕載工作狀態(tài)下，輕載效率對(duì)于延長(zhǎng)電池的使用壽命至關(guān)重要。因此，提高輕載效率的問(wèn)題受到了高度關(guān)注。
解決上述問(wèn)題的一種常見(jiàn)方法是在輕載情況下降低開(kāi)關(guān)頻率，從而使得變換器的效率保持在與重載近似的水平上。這種技術(shù)有PFM/PWM多模式調(diào)制、共柵驅(qū)動(dòng)等，但是它們有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)頻率隨負(fù)載調(diào)制，這使片外濾波器的設(shè)計(jì)變得相當(dāng)復(fù)雜。
本文提出的綠色模式降壓型功率集成開(kāi)關(guān)電源控制器芯片采用了Burst/PWM多模式調(diào)制技術(shù)，控制變換器在重載下以恒定頻率工作在PWM模式，而當(dāng)負(fù)載降低到一定程度時(shí)，自動(dòng)切換到Burst模式并以降低的恒定頻率工作。其主要優(yōu)點(diǎn)是減少了開(kāi)關(guān)損耗，又不增加片外濾波器的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。此外，Burst模式還可以根據(jù)應(yīng)用的需要，由用戶控制使能或禁止。并且在模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，采用雙基準(zhǔn)法實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的平滑過(guò)渡和負(fù)載遲滯。同時(shí)，芯片引入片上電流檢測(cè)技術(shù)以取代傳統(tǒng)的電阻電流檢測(cè)，在一定程度上減少了功耗。功率開(kāi)關(guān)和同步整流開(kāi)關(guān)的集成也簡(jiǎn)化了片外應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文提出的綠色模式降壓型開(kāi)關(guān)電源控制器是一個(gè)恒定頻率工作、峰值電流控制模式的Buck變換器，輸出電壓經(jīng)由片外分壓電阻反饋調(diào)節(jié)，功率開(kāi)關(guān)和同步整流開(kāi)關(guān)均由片上集成。系統(tǒng)原理如圖1所示。
2.1峰值電流PWM控制模式
DC2DC變換器的控制策略主要有電壓型控制和電流型控制兩種。與電壓型控制相比，電流型控制策略因具有較好的線性調(diào)整率和較為簡(jiǎn)單的補(bǔ)償電路等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。
作者提出的綠色模式Buck變換器在重載條件下工作時(shí)，采用峰值電流PWM控制策略。通常，根據(jù)電感電流檢測(cè)方法的不同，電流型控制又可分為平均電流控制、峰值電流控制、模擬電流控制等不同模式，其中峰值電流控制模式因?qū)斎腚妷汉洼敵鲐?fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)快、具有瞬時(shí)峰值電流限流功能等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。
峰值電流控制環(huán)路主要由電流環(huán)和電壓環(huán)構(gòu)成?？刂骗h(huán)路的工作過(guò)程由圖2所示。圖中：
Vsense=Vin-KIsense（1）
式中Vin是輸入電源電壓；Vsense是電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電壓信號(hào)；Isense是檢測(cè)模塊檢測(cè)到的與電感電流成比例的信號(hào)。另外，圖2中的Vpeak信號(hào)即為受電壓環(huán)控制的預(yù)期要達(dá)到的與電感電流峰值相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。
在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，由時(shí)鐘上升沿置位主RS觸發(fā)器，功率開(kāi)關(guān)打開(kāi)，變換器進(jìn)入充電階段，電感電流上升，Isense上升而Vsense下降。當(dāng)電感電流達(dá)到峰值，即Vsense達(dá)到Vpeak時(shí)，電流比較器（Icomp）的輸出復(fù)位RS觸發(fā)器控制功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷。這就是電流環(huán)的工作過(guò)程。而電感電流的峰值主要由電壓環(huán)控制。具體地說(shuō)，當(dāng)反饋電壓下降到基準(zhǔn)以下時(shí)，誤差放大器（EA）輸出上升，限制電流上升峰值的Vpeak電壓隨之下降，于是功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟占空比增大，輸出電壓上升，反之亦然。其中反饋電壓是由輸出電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓得到的。
在功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷的時(shí)間間隔內(nèi)，傳統(tǒng)的降壓型Buck變換器采用肖特基二極管作為續(xù)流二極管。因此，當(dāng)肖特基二極管導(dǎo)通時(shí)，它的導(dǎo)通壓降（典型值013V）引起的功率損耗將是不可避免的。為了減少導(dǎo)通損耗，引入了同步整流技術(shù)。同步整流即采用一個(gè)同步功率開(kāi)關(guān)代替整流二極管。當(dāng)同步整流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通電阻一般在100mΩ以下，以1A負(fù)載為例，此時(shí)的導(dǎo)通損耗近似為011W;而對(duì)于導(dǎo)通電壓為013V的肖特基二極管，損耗近似為013W.可見(jiàn)在中小功率的應(yīng)用當(dāng)中，同步整流可以有效地提高開(kāi)關(guān)電源變換器的效率。
