基于pfm和gm的降壓dc-dc控制器設(shè)計(jì)

基于pfm和gm的降壓dc-dc控制器設(shè)計(jì)

1高效和動(dòng)態(tài)的電路脈沖頻率適應(yīng)性（pfm）對輕負(fù)載有好的效果，但大負(fù)荷的效率較低。脈沖寬帶調(diào)幅（pm）在大負(fù)荷下具有良好的效率和良好的控制性能，但在重載下?lián)p失大、效率低。實(shí)際應(yīng)用中,例如系統(tǒng)正常工作和待機(jī)模式下,負(fù)載變化的范圍很大,單一的控制方式效率不高,同時(shí)系統(tǒng)的傳輸函數(shù)隨之改變,穩(wěn)定性受到影響。文中設(shè)計(jì)了雙?？刂频腄C-DC開關(guān)電源,在全負(fù)載范圍下都有很高的效率。DC-DC開關(guān)電源的損耗有:MOSFET晶體管導(dǎo)通電阻和電感電容等效串聯(lián)電阻的損耗;MOSFET開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通損耗和控制芯片工作電流帶來的損耗,后者在輕負(fù)載時(shí)占據(jù)比重很大,文中設(shè)計(jì)了零偏置電流的比較器和數(shù)字實(shí)現(xiàn)的單穩(wěn)態(tài)電路,提高轉(zhuǎn)換效率,在0.1mA輕負(fù)載下效率超過現(xiàn)有電路。傳統(tǒng)PWM使用模擬方式控制,電路靜態(tài)功耗受到工藝參數(shù)、溫度和電源電壓的影響大,補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)困難。文中設(shè)計(jì)了數(shù)字控制DC-DC。通過ADC對輸出電壓采樣,經(jīng)過數(shù)字PID補(bǔ)償后,數(shù)字脈沖寬度調(diào)制(DPWM)輸出控制信號。相對傳統(tǒng)的模擬方式,受環(huán)境和工藝參數(shù)影響小,控制精度高,補(bǔ)償電路穩(wěn)定性提高,消除了靜態(tài)功耗。2電路操作原理2.1控制器輸出紋波,權(quán)PFM開關(guān)頻率隨負(fù)載變化,開關(guān)損耗隨負(fù)載降低而減小,適合輕負(fù)載的情況。PWM控制開關(guān)頻率高,能夠提高控制精度,減小系統(tǒng)對電感電容的要求,降低輸出紋波,但頻率固定,控制器損耗與負(fù)載無關(guān),因此適合大負(fù)載情況。文中的雙模式控制器,通過對負(fù)載電流的判斷,在大負(fù)載的情況下使用PWM控制,輕負(fù)載情況下用PFM控制,實(shí)驗(yàn)得出100mA為理想的切換點(diǎn),使得在1mA～2A的負(fù)載范圍內(nèi),效率均大于80%,最高達(dá)到92%,電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.2比較器輸出控制實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)PFM結(jié)構(gòu)中,電壓采樣和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路需要多個(gè)比較器,模擬比較器直流偏置存在靜態(tài)功耗,在輕負(fù)載情況下嚴(yán)重影響效率。文中采用零偏置電流比較器結(jié)構(gòu),如圖2所示,工作時(shí)鐘clk復(fù)用PWM控制器內(nèi)的時(shí)鐘,避免了額外的時(shí)鐘電路的損耗。當(dāng)clk為低電平的時(shí)候,對VX,VY,VON,VOP點(diǎn)充電,當(dāng)clk為高電平的時(shí)候,進(jìn)行比較操作。PFM模式應(yīng)用于小負(fù)載情況,對應(yīng)的開關(guān)頻率較低,因此比較器的時(shí)鐘頻率可以降低,在輕負(fù)載情況下,特別是負(fù)載小于1mA時(shí)的損耗大大降低,提高了效率。PFM控制電路中需要最大導(dǎo)通時(shí)間和最小截止時(shí)間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路來約束電感電流和開關(guān)頻率,實(shí)現(xiàn)對輸出的控制,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用模擬方式,通過三角波發(fā)生器和比較器組成單穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)對此進(jìn)行了改進(jìn),用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn),如圖3所示。當(dāng)觸發(fā)信號到來,計(jì)數(shù)器使能開始計(jì)數(shù),達(dá)到設(shè)定的值時(shí),觸發(fā)器復(fù)位,停止工作。通過改變數(shù)字比較器的值,便可以得到不同的導(dǎo)通、截止時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)后期的配置,靈活調(diào)節(jié)。時(shí)鐘仍然通過DPWM電路產(chǎn)生,消除了靜態(tài)功耗,在0.1mA負(fù)載下效率達(dá)到70%,較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很大提升。2.3數(shù)字pid控制律設(shè)計(jì)文中設(shè)計(jì)的數(shù)字化PWM控制器,使用比較器對輸出電壓值進(jìn)行量化,結(jié)構(gòu)簡單,容易單片集成,功耗低。參考電壓分別為Vref-Vq/2和Vref+Vq/2,其中Vq的值設(shè)為30mV。同樣使用零偏置電流比較器,減小靜態(tài)功耗?？紤]電感和電容的寄生串聯(lián)電阻(ESR),降壓型系統(tǒng)的控制端d到輸出端Vout的傳輸函數(shù)為Gvd(s)=(V0D)×Gvd(s)=(V0D)×[1+sCRESRC1+s(CRESRC+CRLRESRIRL+RESRLLRL+RESRL)+s2LC(RL+RESRCRL+RESRL)](1)[1+sCRESRC1+s(CRESRC+CRLRESRΙRL+RESRLLRL+RESRL)+s2LC(RL+RESRCRL+RESRL)](1)式中,RL=5Ω,RESRC=30mΩ為電容串聯(lián)等效電阻,RESRL=30mΩ為電感串聯(lián)等效電阻,電感值L=10μH,電容值C=10μF。對應(yīng)的連續(xù)時(shí)間PID補(bǔ)償函數(shù)形式為GC=KC1+sQωz+s2ω2zs(2)GC=ΚC1+sQωz+s2ωz2s(2)使用零極點(diǎn)匹配(pole-zeromatching)的變換方法,轉(zhuǎn)換到離散域控制,可以使用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn):d[n]=d[n?1]+KD(e[n]?2rcos(2πfzfsw)e[n?1]+r2e[n?1](3)d[n]=d[n-1]+ΚD(e[n]-2rcos(2πfzfsw)e[n-1]+r2e[n-1](3)參數(shù)r由系統(tǒng)的傳輸函數(shù)Gvd(s)的一對極點(diǎn)的Q值得到,有如下關(guān)系:r=exp(?πfzQfsw)(4)r=exp(-πfzQfsw)(4)式中,ωz=2πfz=65.3krad/s由補(bǔ)償函數(shù)兩個(gè)零點(diǎn)得到,fsw=1MHz為開關(guān)頻率,Q=1.27。最后通過實(shí)驗(yàn),KD=149.5時(shí)可以得到良好的控制性能:相位裕度60°,交叉頻率(cross-overfrequency)為55kHz(約為1/20開關(guān)頻率)。為了簡化電路,便于片上集成,降低控制器規(guī)模,使用查找表實(shí)現(xiàn),其算法為d[n]=d[n-1]+ae[n]-be[n-1]+ce[n-2](5)式中的系數(shù)如下:a=150,b=291,c=142,用整數(shù)實(shí)現(xiàn),避免復(fù)雜的計(jì)算。圖4是對輸出電壓采樣電路和數(shù)字PID控制算法的結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器的常用方法是計(jì)數(shù)器方式。10bit、1MHz開關(guān)頻率的控制電路,時(shí)鐘頻率將高達(dá)1GHz。需要高頻率的振蕩電路或者鎖相環(huán),功耗大,存在穩(wěn)定性問題;文中使用延時(shí)單元/計(jì)數(shù)器混合的方式實(shí)現(xiàn),其中5bit的延時(shí)單元和5bit的計(jì)數(shù)器共同組成了10bit的PWM控制器。降低了工作頻率,不存在靜態(tài)功耗,同時(shí)也為前面描述的零偏置電流比較器提供了工作時(shí)鐘,如圖5所示。3數(shù)字vmdv的試驗(yàn)和模擬轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)波形如圖6所示,分別顯示了系統(tǒng)在PFM和PWM控制模式下的啟動(dòng)、穩(wěn)定和負(fù)載電流跳變的仿真波形?？梢钥闯?系統(tǒng)帶有軟啟動(dòng)功能,防止了電感電流的突變;根據(jù)輸出電壓Vout的波形可得到穩(wěn)定時(shí)紋波小于4mV(圖6對局部波形作了放大);負(fù)載電流突變后,可以在100μs內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。電路使用HJTC3.3VCMOS工藝,芯片面積0.24mm2,得益于數(shù)字化設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)換器可以在輸入電壓2.2V～3.3V的寬范圍工作,可用于鋰電池供電的便攜系統(tǒng)。輸出電壓為1.0V～1.8V,負(fù)載電流范圍0.1mA～2A,輸出電壓紋波小于4mV,在圖7中,分別給出了文中設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)電路效率的比較。得益于低功耗設(shè)計(jì),在0.1mA低負(fù)載情況下仍有68%的效率,同模擬方式實(shí)現(xiàn)相比,效率提高了7%。在1A左右的大負(fù)載下,數(shù)字PWM控制體現(xiàn)了良好的性能。表1中,分別列出了單一控制模式下的效率與同類電路的比較比較,本設(shè)計(jì)在效率上也有提高。4數(shù)字化設(shè)計(jì)及雙穩(wěn)態(tài)控制文中設(shè)計(jì)了一種PFM/PWM混合控制電路,結(jié)合了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn),并使用了多種低功耗