汽車電子自適應(yīng)頻率調(diào)制DC/DC降壓變換器的開發(fā)策略

目前，高頻、高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。高開關(guān)頻率可以使用較小的功率電感和輸出濾波電容，從而減小系統(tǒng)的體積，提高緊湊性并降低成本。高工作效率可以延長汽車電池的使用時間，降低系統(tǒng)功耗，從而減少發(fā)熱量，優(yōu)化系統(tǒng)的熱設(shè)計并進(jìn)一步提高可靠性。但高開關(guān)頻率會降低系統(tǒng)的工作效率。因此設(shè)計汽車電子應(yīng)用的DC/DC降壓變換器時必須在開關(guān)頻率和工作效率之間作一些折衷處理。

DC/DC降壓變換器的最高開關(guān)頻率受限于DC/DC的最高輸入電壓、最低輸出電壓和功率管的最小開啟時間，理論極限值可以由下式計算：

公式1

其中fSW(MAX)為最大的開關(guān)頻率，tON(MIN)為開關(guān)管要求的最小導(dǎo)通時間，VD是續(xù)流二極管的正向壓降，VOUT為正常工作的輸入電壓，VSW為開關(guān)管的導(dǎo)通壓降。上式表明tON(MIN)一定時，低占空比要求更低的開關(guān)頻率才能保證系統(tǒng)安全的操作，同樣低開關(guān)頻率容許更低的輸出輸入電壓比值。輸入電壓依賴于開關(guān)頻率的主要原因在于PWM控制器具有最小的導(dǎo)通時間tON(MIN)和截止時間tOFF(MIN)。如果取值為100ns,即開關(guān)管開通時的導(dǎo)通時間至少要持續(xù)100ns,低于100ns可能導(dǎo)致功率管MOSFET無法正常開啟。同樣開關(guān)管關(guān)斷時的截止時間至少要持續(xù)100ns,低于100ns可能導(dǎo)致MOSFET無法正常關(guān)斷。這意味著最小和最大占空比為：

公式2

這里fSW是開關(guān)頻率，tON(MIN)是最小的導(dǎo)通時間和tOFF(MIN)是最小的截止時間。

上式表明開關(guān)頻率降低時，占空比的范圍增加。輸入輸出的電壓范圍也可以增加。優(yōu)化的開關(guān)頻率可以保證系統(tǒng)在電感和電容值盡可能小的情況下能夠具有足夠?qū)挼妮斎牍ぷ麟妷悍秶?/p>

通常DC/DC電源芯片的輸入電壓有額定的工作電壓范圍。除了額定工作電壓的限制，實際的輸入電壓還受到其他一些條件的限制，最小的實際輸入工作電壓通常由最大的占空比決定。在輸入電壓最高時，占空比最小，所以在輸出電壓一定的條件下最大的實際輸入工作電壓由PWM控制器的最小占空比決定。tON(MIN)是每個控制器能夠接通高端MOSFET的最短持續(xù)時間。它由內(nèi)部定時延時以及接通高端MOSFET所需要的柵極電荷量決定，低占空比的應(yīng)用可以接近該最短導(dǎo)通時間限制。

通常DC/DC電源芯片的開關(guān)頻率是固定的，但是如果我們可以在輸入電壓增加時降低開關(guān)頻率，就可以擴(kuò)大占空比的范圍，從而在保證輸出電壓精度的條件下擴(kuò)大輸入電壓的范圍。在很多DC/DC電源芯片中，通過一個管腳對地接一個電阻來設(shè)定DC/DC的開關(guān)工作頻率。一個典型的應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1: 一種典型的DC/DC應(yīng)用電路

LT3980的RT腳對地接一個97.6K的電阻，設(shè)定LT3980的工作頻率為固定的400KHz,RT電阻為32.4K時的工作頻率則為1MHz.在這種使用外部電阻設(shè)置開關(guān)頻率的DC/DC變換器中，可以加一個穩(wěn)壓管Z1和限流電阻R1用以在輸入電壓增加時降低開關(guān)頻率。

圖2: 通過外接電阻和穩(wěn)壓管調(diào)整DC/DC穩(wěn)壓器的典型電路

在高輸入電壓下，由于頻率降低，而電感值又一定，所以輸出的電流和電壓紋波增加。頻率在較寬的范圍內(nèi)變化時，電感無法優(yōu)化地工作，環(huán)路的補償也無法優(yōu)化。這樣我們就需要在圖2的電路中增加R2和Z2來限制頻率的變化范圍。外接電阻的方法需要系統(tǒng)工程師作仔細(xì)的計算，而且容易受到寄生參數(shù)的影響。這里我們通過內(nèi)部電路檢測輸入電壓的變化自動調(diào)整開關(guān)頻率，簡化應(yīng)用電路設(shè)計。

(一)電流控制模式的DC/DC降壓變壓器

圖3是電壓控制模式的DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，EA為誤差放大器，PWM為PWM比較器，Soft start為軟啟動模塊，Band gap reference為帶隙基準(zhǔn)源，OSP為降頻保護(hù)電路，Oscillator為振蕩器，Logic Latch為邏輯觸發(fā)器，Driver為驅(qū)動開關(guān)管PMOS的驅(qū)動電路，OCP為過流保護(hù)，UVLO為欠壓保護(hù)，OTP為過熱保護(hù)。

圖3: 電壓控制模式的DC/DC降壓變換器原理框圖

電路采用具有降頻功能的電壓型PWM控制模式，輸出電壓誤差小。在圖中，PWM控制部分是由誤差放大器和PWM比較器組成，反饋電壓和基準(zhǔn)電壓比較后，放大差值以產(chǎn)生一個誤差信號，并經(jīng)過一定的零級點補償后，提供到PWM比較器的一端輸入，同時比較器的另一端輸入是振蕩器電路提供的一定頻率的脈沖時鐘信號。

這個信號將被傳輸?shù)胶蠖说倪壿嬰娐凡糠郑摬糠职≧S觸發(fā)器，以及包含多種保護(hù)信號的相關(guān)邏輯，它通過接通和斷開驅(qū)動電路來控制電源開關(guān)的狀態(tài)，從而設(shè)置變換器的工作頻率，設(shè)定功率管的最大占空比。圖中OSP比較器，主要作用是，當(dāng)輸出電壓過低，效率下降時，經(jīng)過OSP信號控制振蕩器，以降低PWM比較器輸入端的時鐘信號，從而在相同情況下提高變換器的轉(zhuǎn)換效率。

電路中采用雙電源，Vdd由輸入電壓Vcc通過一個高壓線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換而成，為3.3V,而Vcc為輸入高電壓，用于供給使能遲滯電路、帶隙基準(zhǔn)源、Vdd生成電路、過流保護(hù)以及驅(qū)動電路，這些電路中的MOS管，采用高壓DMOS器件，防止擊穿;而其他與輸入電壓無關(guān)的電路，則有Vdd供給，其中的MOS管，采用CMOS器件。[!--empirenews.page--]

目前峰值電流控制模式DC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用更廣泛，它的原理框圖如圖4所示。

圖4: 峰值電流控制模式的DC/DC降壓變換器原理框圖

對應(yīng)于電壓控制模式，電流控制模式的DC/DC轉(zhuǎn)換器以幾乎無窮大的開環(huán)環(huán)路增益來調(diào)節(jié)DC/DC的輸出電流，其實是一個高輸出阻抗的電流源。如圖4所示，在電流控制模式的DC/DC降壓變換器中，快速高增益的電流環(huán)路和慢速的電壓控制回路嵌套使用，電感電流與斜坡補償后的鋸齒波合成的信號和電壓誤差信號相比較產(chǎn)生控制信號，當(dāng)輸出電壓跌落時，控制功率管打開向負(fù)載提供更多的電流來保持輸出電壓的穩(wěn)定。電流控制模式的DC/DC測量電感電流，將輸出變?yōu)楹懔髟摧敵觯笵C/DC的輸出級由電壓模式的雙極點系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O點系統(tǒng)，從而更容易進(jìn)行補償，提高穩(wěn)定性。

(二)振蕩器的設(shè)計

振蕩器電路在DC/DC集成電路中有廣泛的用途。振蕩時鐘為內(nèi)部電路提供開關(guān)脈沖的同步，且衍生出鋸齒波，提供給PWM比較器。是電壓模式和電流模式DC/DC轉(zhuǎn)換器的基本單元。圖5為本文設(shè)計的振蕩電路，設(shè)計中采用恒流充放電結(jié)構(gòu)，充電電流為I1+I2(降頻時為I1)，放電電流為I12+I13(降頻時為I12)。

圖5: 振蕩頻率受控制的振蕩電路

從圖5中可知，M1、M2為電容充電，M9為電容放電，這些決定了振蕩器的時鐘頻率。

首先，假設(shè)輸出振蕩電壓與充放電電流成正比。基于這個假設(shè)，偏置電流就可以確定。如果希望頻率為800K(T=1.25us)，上升時間為總周期的90%(1.125us)，而要求輸出鋸齒波SAW的峰峰值Vp-p為1V.那么，充電電流為

公式3

其中C為C1的電容值，T為振蕩周期。

從電路圖可以看出，振蕩波形的轉(zhuǎn)折點可以由下式?jīng)Q定：

公式4

圖6為振蕩器的輸出波形，從圖中可以看出，振蕩波形在0.6V至1.8V范圍內(nèi)波動，符合設(shè)計要求。

圖6: 振蕩器的輸出波形

當(dāng)輸出輸入電壓比值低于一定值(0.2)時，說明此時控制脈沖的占空比很低，效率下降，此時通過低比值保護(hù)電路，產(chǎn)生OSP信號，將整體電路的頻率下降。從電路圖可以看出，當(dāng)OSP通過控制電路變?yōu)楦唠娖綍r，則M0關(guān)閉，而M1與M2的寬長比為4:1,此時的充電電流變?yōu)樵瓉淼?/4,那么充電時間變?yōu)樵瓉淼?倍，這樣輸出振蕩波的頻率變?yōu)樵瓉淼?/4,即200KHz,提高電源的轉(zhuǎn)換精度。

(三)應(yīng)用

在汽車電子應(yīng)用中，輸入電壓有12V,24V和36V等多種電壓軌，在確定輸出電壓的條件下，這種可以根據(jù)輸入電壓自適應(yīng)調(diào)整工作頻率的DC/DC可以自動設(shè)置合適的工作頻率，優(yōu)化DC/DC的工作效率，減小瞬態(tài)過程。