PFM控制的DC/DC變換器設(shè)計(jì)

1. PWM/PFM/PSM 三種控制模式的定義

通常來說﹐開關(guān)電源(DC-DC)有三種最常見的調(diào)制方式分別為：

脈沖寬度調(diào)制(PWM)

脈沖頻率調(diào)制(PFM)

脈沖跨周期調(diào)制(PSM)

在功率集成電路(PIC:Power Inregrated Circuit)中廣泛采用了脈沖跨周期調(diào)制模式(PSM,Pulse Skip Modulation),可以克服脈沖調(diào)寬調(diào)制模式(PWM:Pulse Width Modulation)輕負(fù)載情況下變換效率較低、脈沖調(diào)頻調(diào)制模式(PFM:Pulse Frequency Modulation)頻譜分布隨機(jī)的缺點(diǎn)。

各種由電池供電的電子產(chǎn)品，如手提電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA等的電源管理系統(tǒng)都需要DC/DC轉(zhuǎn)換器" target="_blank">轉(zhuǎn)換器，因此，DC/Dc轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用越來越廣泛。它的實(shí)現(xiàn)及控制方式也多種多樣，但輸出精度、轉(zhuǎn)換效率、啟動(dòng)電壓等是DC/DC轉(zhuǎn)換器中的核心問題。本文介紹了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完備、輸出精度高、功耗低的升壓型PFM控制DC，DC轉(zhuǎn)換器。升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)功能框圖和工作原理從傳統(tǒng)升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理可以看出，其核心問題是驅(qū)動(dòng)電路對(duì)開關(guān)晶體管M的控制，本文提出了一種升壓型PFM控制DC/DC轉(zhuǎn)換器，采用內(nèi)置的MOSFET作為開關(guān)管，包括基準(zhǔn)電壓源、誤差比較器、運(yùn)放、PFM控制電路、MOSFET限流保護(hù)電路、使能控制、電壓采樣等單元電路，如圖1所示。

基本工作原理為：當(dāng)外部輸入電壓VOUT≥0.9V時(shí)，轉(zhuǎn)換器開始正常工作，電路內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這個(gè)電壓與外部實(shí)際輸出反饋回來的電壓經(jīng)過誤差放大，輸出的值控制PFM電路。當(dāng)輸出電壓低于額定值時(shí)，誤差放大器CM輸出高電平，PFM控制電路正常工作，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)控制大功率MOS管M不斷導(dǎo)通和截止，使輸出電壓上升。隨著輸出電壓不斷上升，超過額定值時(shí)，誤差放大器的輸出發(fā)生跳轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖?，控制PFM電路停振，使輸出電壓保持恒定。當(dāng)對(duì)外提供負(fù)載，輸出電壓低于額定值時(shí)，誤差放大器的輸出又發(fā)生跳轉(zhuǎn)，恢復(fù)為高電平，控制PFM電路恢復(fù)正常工作，產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制M不斷導(dǎo)通和截止，重復(fù)開始的過程，從而實(shí)現(xiàn)了在DC/Dc轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定工作時(shí)，輸出電壓保持在額定值。其中，利用運(yùn)放OM輸出對(duì)PFM電路的控制，可以根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)地切換占空比系數(shù)(輕負(fù)載時(shí)占空比為58%，高負(fù)載時(shí)占空比為76%)，使轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載情況下減小了動(dòng)態(tài)功耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。

PFM控制電路的實(shí)現(xiàn)

PFM控制電路是由有多個(gè)使能端控制的振蕩器組成的，如圖2所示。其中，EN1為誤差放大器CM的輸出，EN 2為運(yùn)放OM的輸出。protect為過流保護(hù)的輸出，當(dāng)M電流超過預(yù)定值時(shí)，protect控制振蕩器停振，使M斷路，防止損壞。

PFM控制電路模擬結(jié)果

PFM控制電路在模擬時(shí)，輸出電壓VOUT的額定值取典型輸出值3.3V，模擬結(jié)果如圖3所示。

從模擬結(jié)果可以看出，此PFM控制電路的實(shí)現(xiàn)方式在輕負(fù)載下，可以有效降低轉(zhuǎn)換器的損耗，提高運(yùn)行效率。

應(yīng)用電路和仿真結(jié)果

應(yīng)用電路

此轉(zhuǎn)換器的外圍元件很少，只有一個(gè)二極管、一個(gè)電感、兩個(gè)電容，應(yīng)用電路如圖4所示。

在正常工作情況下，當(dāng)輸入電壓在0.9V～2.4V之間變化時(shí)，輸出電壓可以保持在1.8V～6.5V之間的任意值，實(shí)現(xiàn)了升壓DC/DC轉(zhuǎn)換。

模擬仿真結(jié)果

此DC/DC轉(zhuǎn)換器在低電壓0.9V下就可以正常工作;典型的輸入/輸出值為：VIN=2.4V，VOUT=3.3V，模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。

從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓波動(dòng)范圍為±8mV，輸出電壓精度達(dá)到±0.3%;而傳統(tǒng)升壓型PFM控制DC/Dc轉(zhuǎn)換器的輸入電壓一般都是大于1.2V時(shí)才可以穩(wěn)定工作，輸出電壓波動(dòng)范圍一般為±50mY，輸出電壓精度約為±2%?？梢姡疚乃O(shè)計(jì)的升壓型PFM控制DC/DC轉(zhuǎn)換器是一款低電壓、可穩(wěn)定工作，且輸出紋波很低、輸出電壓精度很高的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

DC-DC電源芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用單片集成控制芯片的DC-DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)被譽(yù)為高效節(jié)能型電源管理系統(tǒng)。它代表著直流穩(wěn)壓電源的一種發(fā)展方向，現(xiàn)已成為直流穩(wěn)壓電源市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，功率管不停地導(dǎo)通和關(guān)斷，直流電能斷續(xù)地經(jīng)過開關(guān)管，以磁場(chǎng)能的形式暫時(shí)存儲(chǔ)在電感中，然后經(jīng)過電容濾波，以連續(xù)方式將能量傳送到負(fù)載。這樣，開關(guān)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)利用電感元件和電容元件的能量存儲(chǔ)特性實(shí)現(xiàn)了DC-DC轉(zhuǎn)換。隨著便攜式設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪械娜找鎻V泛，開關(guān)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)不斷地進(jìn)步，電源轉(zhuǎn)換性能大幅度的提升。系統(tǒng)控制模式由電壓控制模式逐漸發(fā)展為電流控制模式。控制芯片集成度越來越高，逐漸實(shí)現(xiàn)了單片集成化。這些使得開關(guān)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無論在性能上還是在結(jié)構(gòu)上都有著長(zhǎng)足的進(jìn)步。

DC-DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由主電路和控制電路兩部分組成。構(gòu)成主電路的元件包括：輸入電源、開關(guān)管、整流管以及儲(chǔ)能電感、濾波電容和負(fù)載。它們完成電能的轉(zhuǎn)換和傳遞，合稱為功率級(jí)?？刂齐娐穭t是控制功率開關(guān)管的通斷，調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定的所有電路集合，現(xiàn)在多數(shù)集成為控制芯片。通常情況下，當(dāng)輸入電壓及負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，調(diào)整開關(guān)管的通斷時(shí)間，負(fù)載電壓可以維持一個(gè)近似恒定的值。功率開關(guān)元件和儲(chǔ)能元件采用不同的配置或不同的連接方式，可以實(shí)現(xiàn)將同一種輸入電壓轉(zhuǎn)換成多種不同的輸出電壓。開關(guān)元件和儲(chǔ)能元件的具體配置連接關(guān)系就稱為開關(guān)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。