一种电流型PWM控制芯片的设计

2007年第 24卷第 8期微电子学与计算机

1引言

目前 , 国内 DC-DC 电源需求量日益增大。 DC-DC 转换器分为线性电源和开关型电源。开关型电源的调整管工作在开关状态 , 功耗小 , 效率高 , 因此在计算机、通信、雷达、电子仪器以及家用电器等电子领域有着广泛的应用前景。文中设计并实现了一种高性能的 PWM 控制芯片 , 主要用于开关型 DC-DC 电源的功率控制。该芯片采用可调整的带隙基准源 , 具有基准电压精度高、温漂低的优点。电流型反馈模式的采用使其与传统电压模式的 PWM 控制器相比 , 具有系统动态响应快的明显优点。芯片结构设计合理 , 控制功能齐全 , 为 DC-DC 电源系统提供了高性能的关键芯片。 2电路工作原理及其电流型反馈模式

如图 1所示 , 虚线框内为本电路的设计内容 , 框外是其典型应用的简化电路。本电路的主要模块包括电压基准、振荡器、误差放大器、电流检测比较器、PWM 锁存器、欠压锁定电路、输出级电路和过压保护电路等。

电路工作原理如下 :系统的输出电压 V

O U T

经过分压处理作为误差放大器的输入 , 与内部电压基准模块提供的 2.5V 基准电压比较后产生误差电压 , 而变压器初级线圈 (电感的电流在采样电阻上产生

的电压降 V

IO U T

作为电流检测比较器的输入 , 与误差放大器产生的误差电压进行比较 , 经过PWM 锁存器和输出级的功率放大 , 输出 PWM 控制信号 Out-

一种电流型 PWM 控制芯片的设计

师娅 , 唐威

(西安微电子技术研究所 , 陕西西安 710054

摘要 :设计并实现了一种高性能的功能齐全的电流型 PWM 控制芯片。电路采用可调整的带隙基准源和电流型反馈模式 , 具有基准精度高、温漂低、系统动态响应快等优点。电路的输出级驱动电流可达 1A , 开关频率可达 500kHz , 具有过压、过流保护和欠压锁定的功能。

关键词 :PWM 控制器 ; 带隙基准 ; 电流型

中图分类号 :TN4文献标识码 :A 文章编号 :1000-7180(2007 08-0145-04

Design of Current-Mode PWM Controller

SHI Ya , TANG Wei

(Xi ′ an Microelectronic Technology Institute, Xi ′ an 710054, China

Abstract :A high performance current mode PWM controller chip is implemented in this paper. High precision, low temperature coefficent and fast dynamic response is achieved by using adjustable bandgap reference and current mode of control in this chip. In addition, The PWM controller can reach up to output current of 1A and switching frequency of 500kHz, and has function such as UVLO, over-voltage and over-current protecting.

Key words :PWM controller ; bandgap reference ; current mode

收稿日期 :2006-11-23

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微电子学与计算机 2007年第 24卷第 8期

put 。由于 PWM 锁存器是由振荡器产生的时钟信号同步的 , 故振荡器的死区时间决定了输出 PWM 控制信号的最大占空比。

电路采用了电流型的反馈模式 , 在传统的电压反馈控制环内部增加了电流反馈控制环节 , 既为电压型 PWM 控制器的功能 , 又能检测开关电流或电感电流的变化 , 实现了电压电流双环控制。

系统的反馈控制过程如下 :如果系统输入电压 V C C 下降 , 经电感延迟使输出电压 V out 下降 , 导致反馈至误差放大器的反馈电压 V

FB

下降 , 与 2.5V 基准比较后 , 产生的误差电压上升 , 使输出 PWM 占空比加大 ; 同时在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降 , 电感电流的斜率 di/dt 下降 , 导致斜坡电压推迟到达误差电压 , 也使得输出 PWM 占空比加大 , 从而维持输出电压不变。反之 , 如果输入电压上升 , 则会导致输出 PWM 占空比减小 , 以维持输出电压不变。双环控制使得误差信号对峰值电感电流起着实际控制作用。由于既对电压又对电流起控制作用 , 所以能得到较快的系统响应。

3电路模块设计

3.1电压基准模块

在 PWM 控制器的电路中 , 基准源的很重要 , 其特性参数直接影响着 PWM 控制器的性能。带隙基准利用与绝对温度成正比的电路来抵消双极型晶体管基极 -发射极结的负温度特性 , 使输出电压随温度变化较小 [1]。

3.1.1带隙基准的分析与设计

本电路采用的带隙基准电路的等效电路如图 2所示。

U ref =U B E1+U R2(1 引用公式可得

U B E1≈ V T ・ ln (I C 1/I S1 (2

U B E2≈ V T ・ ln (I C2/I S2 (3 式中 , I

C 1

和 I

C 2

分别为 Q1和 Q2的集电极电流 , I S1和 I

S2

分别为 Q1和 Q2的反向饱和电流 , 假设 A 1 , A 2分别为 Q1, Q2的发射区面积 , 则 I

C2

/I S2=A 1/A 2。由式 (2 、式 (3 可得

U B E1-U B E2=V T ・ ln (I C 1/I C 2・ I S2/I S1 =

V T ・ ln (I C 1/I C 2・ A 2/A 1 。

电路的恒流源设计保证 I

C 1

≈ I C 2,

U B E1-U B E2=V T ・ ln (A 2/A 1 (4 U R2=2・ R2/R1・ ln (A 2/A 1 ・ V T (5 式中 , 热电势 V

T