鉅大LARGE | 點擊量：1005次 | 2019年12月27日
高效率綠色模式開關電源控制器設計方案
1引言
降壓型集成開關電源控制器廣泛應用于各類便攜式設備中。近年來，隨著電池供電的便攜式設備，如手機、MP3播放器、PDA等性能的提高和功能的日趨豐富，對于開關電源的效率提出了越來越高的要求。
為提高效率和減少片外元器件，目前應用的Buck變換器通常集成了功率開關和同步整流開關。同時，為減小片外電感元件的尺寸以適應便攜式設備的應用，開關頻率往往設置為幾兆甚至更高的數(shù)量級。由此帶來的問題是，當變換器工作在輕載條件下，開關損耗就變成了主要的功率損耗。而便攜式設備恰恰常工作于待機狀態(tài)即輕載工作狀態(tài)下，輕載效率對于延長電池的使用壽命至關重要。因此，提高輕載效率的問題受到了高度關注。
解決上述問題的一種常見方法是在輕載情況下降低開關頻率，從而使得變換器的效率保持在與重載近似的水平上。這種技術有PFM/PWM多模式調(diào)制、共柵驅(qū)動等，但是它們有一個共同的缺點：開關頻率隨負載調(diào)制，這使片外濾波器的設計變得相當復雜。
本文提出的綠色模式降壓型功率集成開關電源控制器芯片采用了Burst/PWM多模式調(diào)制技術，控制變換器在重載下以恒定頻率工作在PWM模式，而當負載降低到一定程度時，自動切換到Burst模式并以降低的恒定頻率工作。其主要優(yōu)點是減少了開關損耗，又不增加片外濾波器的設計復雜度。此外，Burst模式還可以根據(jù)應用的需要，由用戶控制使能或禁止。并且在模式轉(zhuǎn)換過程中，采用雙基準法實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的平滑過渡和負載遲滯。同時，芯片引入片上電流檢測技術以取代傳統(tǒng)的電阻電流檢測，在一定程度上減少了功耗。功率開關和同步整流開關的集成也簡化了片外應用電路的設計。
2系統(tǒng)設計
本文提出的綠色模式降壓型開關電源控制器是一個恒定頻率工作、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)，功率開關和同步整流開關均由片上集成。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)整率和較為簡單的補償電路等優(yōu)點而被廣泛采用。
作者提出的綠色模式Buck變換器在重載條件下工作時，采用峰值電流PWM控制策略。通常，根據(jù)電感電流檢測方法的不同，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)斎腚妷汉洼敵鲐撦d變化的瞬態(tài)響應快、具有瞬時峰值電流限流功能等優(yōu)點，應用最為廣泛。
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是電流檢測模塊檢測到的電壓信號；Isense是檢測模塊檢測到的與電感電流成比例的信號。另外，圖2中的Vpeak信號即為受電壓環(huán)控制的預期要達到的與電感電流峰值相對應的電壓信號。
在每個周期開始時，由時鐘上升沿置位主RS觸發(fā)器，功率開關打開，變換器進入充電階段，電感電流上升，Isense上升而Vsense下降。當電感電流達到峰值，即Vsense達到Vpeak時，電流比較器（Icomp）的輸出復位RS觸發(fā)器控制功率開關關斷。這就是電流環(huán)的工作過程。而電感電流的峰值主要由電壓環(huán)控制。具體地說，當反饋電壓下降到基準以下時，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，于是功率開關的開啟占空比增大，輸出電壓上升，反之亦然。其中反饋電壓是由輸出電壓經(jīng)過電阻分壓得到的。
在功率開關關斷的時間間隔內(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，當肖特基二極管導通時，它的導通壓降（典型值013V）引起的功率損耗將是不可避免的。為了減少導通損耗，引入了同步整流技術。同步整流即采用一個同步功率開關代替整流二極管。當同步整流開關導通時，導通電阻一般在100mΩ以下，以1A負載為例，此時的導通損耗近似為011W;而對于導通電壓為013V的肖特基二極管，損耗近似為013W.可見在中小功率的應用當中，同步整流可以有效地提高開關電源變換器的效率。
