高效率绿色模式开关电源控制器设计方案.docx

PAGE 1 PAGE 1 高效率绿色模式开关电源控制器设计方案 摘要： 提出了一种高效率绿色模式降压型开关电源掌握器芯片的设计方案，特点是采纳PWM/ Burst 多模式掌握策略提高全负载条件下的电源转换效率。 由于降低了低负载和待机条件下的电源功耗，可减小由电池供电的现代便携式设备的静态功耗，延长设备的待机时间和电池的寿命。 芯片还实现了模式转换过程中的平滑过渡以及过冲电压的抑制。 此外，还引入一种高精度、高效率的片上电流检测技术，进一步降低了功耗。 该芯片在115μm BCD （bip ola r2CMOS2DMOS） 工艺下设计和制造，测试结果表明芯片已达到预期的性能要求。 1 引言  降压型集成开关电源掌握器广泛应用于各类便携式设备中。 近年来，随着电池供电的便携式设备，如手机、MP3 播放器、PDA 等性能的提高和功能的日趋丰富，对于开关电源的效率提出了越来越高的要求。  为提高效率和削减片外元器件， 目前应用的Buck变换器通常集成了功率开关和同步整流开关。 同时， 为减小片外电感元件的尺寸以适应便携式设备的应用，开关频率往往设置为几兆甚至更高的数量级。 由此带来的问题是，当变换器工作在轻载条件下， 开关损耗就变成了主要的功率损耗。 而便携式设备恰恰常工作于待机状态即轻载工作状态下，轻载效率对于延长电池的使用寿命至关重要。 因此，提高轻载效率的问题受到了高度关注。  解决上述问题的一种常见方法是在轻载状况下降低开关频率，从而使得变换器的效率保持在与重载近似的水平上。 这种技术有PFM/ PWM 多模式调制、共栅驱动等，但是它们有一个共同的缺点：开关频率随负载调制，这使片外滤波器的设计变得相当简单。  本文提出的绿色模式降压型功率集成开关电源掌握器芯片采纳了Burst/ PWM 多模式调制技术，掌握变换器在重载下以恒定频率工作在PWM 模式，而当负载降低到肯定程度时，自动切换到Burst 模式并以降低的恒定频率工作。 其主要优点是削减了开关损耗， 又不增加片外滤波器的设计简单度。 此外，Burst 模式还可以依据应用的需要，由用户掌握使能或禁止。 并且在模式转换过程中，采纳双基准法实现模式转换的平滑过渡和负载迟滞。 同时，芯片引入片上电流检测技术以取代传统的电阻电流检测， 在肯定程度上削减了功耗。 功率开关和同步整流开关的集成也简化了片外应用电路的设计。  2 系统设计  本文提出的绿色模式降压型开关电源掌握器是一个恒定频率工作、峰值电流掌握模式的Buck 变换器，输出电压经由片外分压电阻反馈调整，功率开关和同步整流开关均由片上集成。 系统原理如图1 所示。   图1 系统原理图  2. 1 峰值电流PWM掌握模式  DC2DC 变换器的掌握策略主要有电压型掌握和电流型掌握两种。 与电压型掌握相比，电流型掌握策略因具有较好的线性调整率和较为简洁的补偿电路等优点而被广泛采纳。  提出的绿色模式Buck 变换器在重载条件下工作时，采纳峰值电流PWM 掌握策略。 通常，依据电感电流检测方法的不同，电流型掌握又可分为平均电流掌握、峰值电流掌握、模拟电流掌握等不同模式，其中峰值电流掌握模式因对输入电压和输出负载变化的瞬态响应快、具有瞬时峰值电流限流功能等优点，应用为广泛。  峰值电流掌握环路主要由电流环和电压环构成。 掌握环路的工作过程由图2 所示。 图中：  V sense = Vin - KIsense (1)  式中 V in是输入电源电压；V sense 是电流检测模块检测到的电压信号； Isense是检测模块检测到的与电感电流成比例的信号。 另外，图2 中的V peak 信号即为受电压环掌握的预期要达到的与电感电流峰值相对应的电压信号。   图2 　峰值电流掌握过程  在每个周期开头时，由时钟上升沿置位主RS 触发器，功率开关打开，变换器进入充电阶段，电感电流上升， Isense 上升而V sense 下降。 当电感电流达到峰值， 即V sense达到V peak时，电流比较器（ Icomp ） 的输出复位RS 触发器掌握功率开关关断。 这就是电流环的工作过程。 而电感电流的峰值主要由电压环掌握。 详细地说，当反馈电压下降到基准以下时，误差放大器（ EA） 输出上升，限制电流上升峰值的V peak 电压随之下降，于是功率开关的开启占空比增大，输出电压上升，反之亦然。 其中反馈电压是由输出电压经过电阻分压得到的。  在功率开关关断的时间间隔内， 传统的降压型Buck 变换器采纳肖特基二极管作为续流二极管。 因此，当肖特基二极管导通时，它的导通压降（典型值0