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 VO 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 VIO 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 08-0145-04Design of Current-Mode PWM ControllerSHI Ya , TANG Wei(Xi ′ an Microelectronic Technology Institute, Xi ′ an 710054, ChinaAbstract :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 :2006-11-23145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 VFB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 (2U B E2≈ V T ・ ln (I C2/I S2 (3 式中 , IC 1和 IC 2分别为 Q1和 Q2的集电极电流 , I S1和 IS2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 IC2/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 IC 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 VT=k ・ T/q , 设计时令 A 2>A 1, 则 U R2具有正温度系数。

U B E1具有负温度系数 , 只要使 U R2的正温度系数与 UB E1的负温度系数相互抵消 , 即可得到零温度系数的带隙基准 [2]。

然而 UB E1的温度系数与温度有关 , 而 A1, A 2设定后 U R2的正温度系数为一固定值 ,则 Uref仅在某一温度为零温度系数 , 而在其他温度为正值或负值。

利用带隙电压的这一特性 , 将带隙电压极值调整到工作温度范围的中心附近 , 可以使整个工作温度范围内的温度系数最小。

例如工作温度范围在 -55℃ ~125℃时 , 可以取 27℃为中心温度。

电路实际需要 5.0V 的电压基准 , 可以通过电阻分压 , 在带隙电压的基础上得到 5.0V 的电压基准。

电路设计如图 2所示 , 电阻 R3, R4和 R5完全按照实际带隙电压值 2.5V 和 5.0V 的电压比例进行设计。

假设在设计的电路工作点 , R2上流过的电流为100μA , 电阻 R3+R4+R5的和为 5k " , 则 R3, R4和 R5上流过的电流应该为 5V/5k " =1mA , 因此需要将图 2中的电流 I1和 I2的比值设计为 I2/I 1=1mA/ 100μA=10。

3.1.2带隙基准的调整本电路通过调整图 2中电阻 R2的大小 , 改变 U R2的正温度系数的大小 , 从而改变 U ref 的温度曲线 , 目的是将曲线的极值点调整到工作温度范围的中心附近 , 得到整个工作温度范围内的最小温度系数。

从而提高基准电压的精度 , 同时可以减小对工艺控制精度的依赖。

为了便于实现量化调整 , 采用二进制权重结构的电阻调整网络。

调整网络按连接关系分为串联连接和并联连接 , 按调整方式分为金属丝调整和二极管调整。

本电路将几种方式结合起来 , 采用如图 3所示的电阻调整网络 , 未调整时的初始电阻值为 (R+8R L SB , P1~P7是为电阻调整而设计的压点 , F1￣ F3是可被加电熔断的细铝条 ,熔断不同位置的铝 1462007年第 24卷第 8期微电子学与计算机条 , 对应增加不同大小的电阻 , 例如熔断 F1, 则电阻增加 RL SB; D1￣D3是可被加电击穿的二极管 , 且二极管击穿后对应支路导通 , 导致并联支路增多 , 总电阻减小。

以初始电阻值为对照 , 不同调整组合对应的电阻调整效果如表 1所示。

由表 1可知 , 本电路采用的调整方法可以得到范围为 -7RL SB￣+7R L SB , 精度为 R L SB 的调整效果。

初始电阻值设置于调整范围的中部 , 有利于调整的灵活性。

本电路在实际调整时 , 按照如图 4所示的程序流程图进行调整即可。

3.2其他模块(1 振荡器模块振荡器模块需外接电阻和电容 , 利用电容的充放电原理得到固定频率的锯齿波 , 经过电路整形之后 , 为脉宽调制提供时钟同步信号。

(2 误差放大器模块和电流检测比较器模块误差放大器模块和电流检测比较器模块分别形成电压控制和电流控制反馈环 , 共同完成 PWM 控制器的双环反馈控制功能。

(3 PWM 锁存器PWM 锁存器采用 RS 触发器 , 将电流检测比较器的输出作为其清零端 , 振荡器模块输出的时钟信号作为其置位端 , 输出的脉宽调制信号与时钟信号同步 , 直接控制输出级开关管的导通与关断。

(4 欠压锁定电路采用欠压锁定电路是为了保证电路启动后能进入正常工作状态并稳定工作 , 同时保证电路工作时电源电压的波动不会对整个电路和系统造成损害 [3]。

如图 5所示 , 电路启动阈值电压 VO N高于电路关断阈值电压 VO FF。

在欠压锁定状态 , 电路的启动电流小于 0.5mA 。

(5 输出级模块输出级电路采用图腾柱推挽式输出结构。

大功率开关管的设计保证输出级的电流可高达 1A , 开关频率可高达 500kHz 。

(6 过压保护电路为防止电源波动超过极限电压引起器件的损伤 , 本电路采用二极管反偏串联 , 将 5个二极管反偏串联得到约 34V 的击穿电压 , 将整个电路的工作电压限制在34V 以内。

4电路仿真分析采用 Cadence 软件的 Hspice 仿真工具和某工艺线双极工艺模型对芯片的整体电路及各个模块都进行了模拟仿真 , 证明设计达到了所要求的性能指标。

图 6是带隙基准源的低温漂性能仿真曲线。

表 1调整组合对应的电阻调整效果调整组合调整效果调整组合调整效果F1+R L SB D1+F1+F2-R L SBF2+2R L SB D1+F2-2R L SBF1+F2+3R L SB D1+F1-3R L SBF3+4R L SB D1-4R L SBF1+F3+5R L SB D1+D2+F1-5R L SBF2+F3+6R L SB D1+D2-6R L SBF1+F2+F3+7R L SB D1+D2+D3-7R L SB 147微电子学与计算机 2007年第 24卷第 8期在常温通过对电阻网络的调整 , 得到不同的带隙基准输出电压 , 对其分别进行-55℃ ~125℃的线性温度扫描 , 得到不同的温度曲线 , 如图 6中的曲线 1￣曲线3。