（微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)論文）pwmpfmdsm數(shù)字dcdc控制芯片的研究設(shè)計.pdf

摘要 摘要 隨著便攜電子產(chǎn)品越來越多的進入到人們的生活 電源管理成為了一個越來 越重要的問題 如何使電子設(shè)備可以高效 長時間的運行也越來越受到國內(nèi)外學(xué) 者的關(guān)注 本文著眼于數(shù)字控制方式 設(shè)計了p w m p f m d s m 三模式切換的多模 式數(shù)字控制電源管理芯片 該方式可以實現(xiàn)在較大的負(fù)載電流范圍內(nèi) 0 5 0 0 m a 系統(tǒng)能始終保持較高的轉(zhuǎn)換效率和反應(yīng)速度 p w m p f m d s m 數(shù)字d c d c 控制芯片采用c h a r t e r e d0 3 5 p m3 3 v 5 v2 p 4 mc m o s 工藝設(shè)計 包括基準(zhǔn) a d c 數(shù)字調(diào)制器 p i d 數(shù)字補償器 模式切換電路 采 樣保護電路 驅(qū)動電路和功率m o s f e t 完成了m a t l a b 系統(tǒng)建模仿真 數(shù)字部分進行了f p g a 驗證 同時使用u l t r a s i m 完成了控制芯片的閉環(huán)系統(tǒng)仿真 結(jié)果表明開關(guān)信號頻率最高達到2 m h z 輸出 1 1 1 8 5 v 其由5 b i t 控制碼決定 系統(tǒng)啟動時間小于1 m s 作者完成了數(shù)字調(diào)制 器 p i d 數(shù)字補償器和模式切換電路的設(shè)計 其中數(shù)字調(diào)制器中的d p w m 經(jīng)過了 流片驗證和測試 完成了整個控制芯片的版圖設(shè)計和驗證 正在c h a r t e r e d 流片 中 關(guān)鍵詞 多模式 數(shù)字控制 d c d c 同步整流 脈寬調(diào)制 脈頻調(diào)制 調(diào) 頻調(diào)制 摘要 a b s t r a c t p o w e rm a n a g e m e n th a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw h i l ep o r t a b l ee l e c t r o n i c p r o d u c t sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r s c h o l a r sa th o m e a n da b r o a da r ec a r ea b o u th o wt o m a k ee l e c t r o n i cp r o d u c t sw o r kh i g h l ye f f i c i e n ta n dw o r ka sl o n ga sw ec a n t h i sp a p e rf o c u s e s o nd i g i t a lc o n t r o lm e t h o da n dh a sd e s i g n e dam u l t i m o d ed i g i t a lp o w e rm a n a g e m e n tc h i pw h i c h i n c l u d e sp w mp f ma n dd s m t h i sc h i pc a nm a i n t a i nh i g he f f i c i e n c ya n dr e s p o n s es p e e d w h i l et h el o a dc u r r e n tv a d e sf r o mal a r g er a n g ef r o m0t o5 0 0 m a t h ep w m p f m d s md i g i t a ld c d cc o n t r o lc h i pw a sd e s i g n e db a s e do nt h ec h a r t e r e d 0 3 5 p m3 3 v 5 v2 p 4 mc m o sp r o c e s s w h i c hi n c l u d e ss u c hm o d u l e sa sf o l l o w s r e f e r e n c e a d c d i g i t a lm o d u l a t o r s d i g i t a lp i dc o m p e n s a t o r m o d e s w i t c hc i r c u i t s e n s e p r o t e c tc i r c u i t s d r i v e ra n dp o w e rm o s f e t h a v ef i n i s h e dt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h es y s t e mb ym a t l a b d i g i t a ld e s i g n sh a v e b e e nv e d f i e db yf p g aa n dt h ec l o s e l o o ps i m u l a t i o nw a sf i n i s h e db yu i t r a s i m t h er e s u l t i n d i c a t e st h ec o n t r o l l e ri cc a no p e r a t ea tt h ef r e q u e n c yo f2 m h za n dc o n v e r tt h es u p p l yv o l t a g e 2 5 vt o1 1 1 8 5 v t h ea c t u a lo u t p u ti sc o n t r o l l e db ya5 一b i tv i da n dt h es t a r t u pt i m ei sl e s s t h a n1 0 m s t h ed p w mm o d u l ei nt h ed i g i t a lm o d u l a t o r sh a sf i n i s h e dt a p e do u ta n dt e s t t h e c o n t r o l l e ri ch a sf i n i s h e dl a y o u td e s i g na n dv e n f y n o wt h ec h i pi sb e i n gt a p e do u tb y c h a r t e r e d k e y w o r d s m u l t i m o d e d i g i t a lc o n t r e l d c d c s y n c h r o n o u sb u c k p w m p f m d s m 第一章引言 第一章引言 正如很難想象現(xiàn)在的生活不能離開電一樣 現(xiàn)在的世界也不能離開轉(zhuǎn)換和管 理電能的核心 電源管理芯片 現(xiàn)在眾多的應(yīng)用電子領(lǐng)域如手機 計算機 汽 車電子 工業(yè)控制等 在中國這個大市場里面都給國內(nèi)外的商家和科研人員提供 了廣闊的市場和空間 本章著重介紹數(shù)字電源管理特別是多模數(shù)字電源管理的概念和特點 多模式 電源管理模塊設(shè)計的優(yōu)勢 本章最后介紹本文的主要研究內(nèi)容和文章組織結(jié)構(gòu) 1 1 數(shù)字電源研究背景和發(fā)展前景 如同前文提到的 電源管理在我們的生活中開始占據(jù)越來越重要的地位 目 前 開關(guān)電源管理領(lǐng)域的主流產(chǎn)品還是在使用的是模擬控制器 低功耗 低成本 小尺寸 高性能 高整合是其發(fā)展趨勢 模擬電源管理芯片的特點是補償回路一 般需要外接分立元件進行調(diào)節(jié) 而且一般來說 每一種模擬電源管理芯片只能面 向一種變換應(yīng)用 如果采用數(shù)字控制技術(shù) 由于芯片內(nèi)部全部是數(shù)字信號 所以 很方便的加上通信接口 圖1 1 顯示的是模擬控制和數(shù)字控制不同的系統(tǒng)架構(gòu) 用方框顯示的是系統(tǒng)中的電源管理i c 模塊 其余部分為電源控制的功率元件 數(shù)字技術(shù)和模擬技術(shù)之爭在最近幾年蔓延到開關(guān)電源管理領(lǐng)域 普遍認(rèn)為 數(shù)字電源管理一些顯著的優(yōu)點在不少領(lǐng)域?qū)⒂腥〈M電源管理的趨勢 這個美 好的預(yù)期催生了諸如z i l k e rl a b s f y r e s t o r m 等新興公司 一些傳統(tǒng)大廠如s i l i c o n l a b p d m a d o n i n t e r s i l t i 等也參加了這場競賽 此間 涌現(xiàn)出大量出色的數(shù)字 電源管理芯片 例如 z l 2 0 0 5 z l 2 1 0 5 s i 8 2 5 0 p x 3 5 3 9 p x 7 5 1 0 i s l 6 5 9 2 i s l 6 5 8 0 u c d 9 k 等 同時 數(shù)字電源得到了眾多大學(xué)研究機構(gòu)的重視 從最近幾年的i e e e a p e c 會議目錄上可以看到 科羅拉多大學(xué) 加州大學(xué)貝克利分校等知名大學(xué)一 直做著這方面的工作 1 1 9 到目前為止 國內(nèi)在數(shù)字電源方面的研究可以檢索到的主要文章還不多 基 本沒有成熟的系統(tǒng)級應(yīng)用口 一翻 而且設(shè)計的芯片的工作頻率大多低于1 m h z 精 度也很有限 復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室從2 0 0 3 年左右開始 第一章引言 對數(shù)字電源管理芯片的設(shè)計進行了跟蹤 在控制算法與架構(gòu)設(shè)計 芯片單元電路 設(shè)計以及系統(tǒng)測試等方面積累了不少經(jīng)驗佇3 一冽 f f 一i 甭磊蕃運瑟 編程接口 l 一 一一一一一 一一一一一 一 一一一 模擬電源管理l c a b 圖1 1 模擬和數(shù)字控制的系統(tǒng)架構(gòu) a 為數(shù)字控制系統(tǒng)框圖 b 為模擬控制系統(tǒng) 框圖 數(shù)字控制方式有幾個顯著的優(yōu)點 1 簡潔性 不需要外接分立元件來調(diào) 整算法 一方面降低對分立元件參數(shù)的敏感性 另一方面減少了芯片引腳 2 通用性 如果需要 控制算法可以通過相應(yīng)接口進行編程調(diào)節(jié) 這樣面對不同的 應(yīng)用 不像模擬控制器那樣需要再設(shè)計對應(yīng)的控制芯片 3 監(jiān)控性 如果需要 可以加上開關(guān)機時序控制 電流 電壓監(jiān)視這些電源管理功能 4 靈活性 可 以通過編程實現(xiàn)非線性控制 設(shè)定電壓 電流保護的域值等功能 5 復(fù)用性 從芯片設(shè)計角度考慮 采用硬件描述語言就可以完成核心電路的設(shè)計 大大加快 了開發(fā)周期 同時具有很好的復(fù)用性 但是盡管數(shù)字技術(shù)相對模擬技術(shù)擁有這些 獨特的特點 但是其內(nèi)部無法避免的需要a d c 電路以及一定精度的數(shù)字p w m d p w m 電路來避免極限環(huán)效應(yīng) 因此在一些低功耗領(lǐng)域的優(yōu)勢仍然不明顯 但是 單芯片的模擬電路往往無法實現(xiàn)和數(shù)字電源管理一樣復(fù)雜的監(jiān)控和管理功 能 因此 數(shù)字電源管理芯片的發(fā)展 一方面在于低功耗架構(gòu)的設(shè)計以增加在效 率敏感領(lǐng)域的應(yīng)用 另一方面在于在單芯片上實現(xiàn)更多的附加功能 降低系統(tǒng)設(shè) 計的尺寸和成本 此外 面向?qū)嶋H應(yīng)用的數(shù)字電源管理芯片還應(yīng)該提供自動化的 2 第一章引言 算法設(shè)計和下載軟件 簡化應(yīng)用難度 避免用戶的學(xué)習(xí)和設(shè)計成本 因此 數(shù)字 電源管理也受到越來越多的關(guān)注 相信在不久的將來 數(shù)字電源管理芯片勢必將 會在市場開辟出一片天空 1 2 多模式電源管理模塊設(shè)計 在應(yīng)用電子開始逐漸進入人們的生活以后 市場上對于個人電子產(chǎn)片的電源 管理的要求也越來越高 不僅僅是便攜設(shè)備上 在高端應(yīng)用例如服務(wù)器的電源管 理芯片設(shè)計中 散熱和電能轉(zhuǎn)換效率變得越來越重要 對于一個動態(tài)電壓調(diào)制的 系統(tǒng)來說 要實現(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)換 不僅僅需要在低負(fù)載時采用休眠策略 還需 要在高負(fù)載是采用告訴的轉(zhuǎn)換策略 比較常用的轉(zhuǎn)換方式是在整個負(fù)載變化過程中采用多種轉(zhuǎn)換模式來適應(yīng)不 同的需求 目前常用的轉(zhuǎn)換模式有脈寬調(diào)制 p w m 和脈頻調(diào)制 p f m 如圖 1 2 所示 p w m 和p f m 模式分別能在低負(fù)載和高負(fù)載達到很高的轉(zhuǎn)換效率 即是 在區(qū)域c 和區(qū)域a 中 p w m 和p f m 能分別滿足高效的轉(zhuǎn)換 但是 可以從圖中 看到 在區(qū)域b 中 不論是使用p w m 還是p f m 都會帶來一個明顯的效率下降 這意味在p w m 和p f m 模式切換的時候的效率曲線不能平滑的過渡 這種現(xiàn)象當(dāng) 芯片的工作負(fù)載范圍加大的時候 區(qū)域b 的效率轉(zhuǎn)換就成為了電源管理性能的一 個弱項 本文針對常用的便攜設(shè)備1 5 0 m a 的峰值工作電流和低于l m a 的休眠工 作電流 在p w m 和p f m 模式切換的過程中添加了跳頻模式 d s m 其工作效率 曲線如圖1 2 中曲線川所示 轉(zhuǎn)換效 1 負(fù)載電流 圖1 2 不同模式對負(fù)載電流變換時的轉(zhuǎn)換效率 3 第一章引言 為了進一步提高電源轉(zhuǎn)換的效率 本文設(shè)計在輸出到功率器件的信號還添加 了死區(qū)控制電路 用以有效地降低功率管的功耗 因此本文涉及的電源管理芯片 的預(yù)期效率曲線 將如圖1 2 中曲線i v 所示 1 2 1 多模數(shù)字電源管理模塊設(shè)計的挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施 面對現(xiàn)在電源管理模塊在便攜電子應(yīng)用中處于越來越重要的位置 芯片設(shè)計 也面臨越來越多的挑戰(zhàn) 在整個電源管理集成電路市場發(fā)展的背景下 低電壓大 電流d c d c 控制電路作為一種重要的電源管理集成電路 同樣保持了高速增 長 尤其是隨著個人電腦 服務(wù)器 筆記本電腦 通信系統(tǒng) 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等市場以 及各種高端a s i c 應(yīng)用場合的不斷擴大 未來前景看好 總結(jié)近年來市場上對于 電源管理芯片的需求 芯片設(shè)計的挑戰(zhàn)來自于以下幾個方面 便攜產(chǎn)品功能不斷增加 越來越多的應(yīng)用功能開始集成化 以手機為典型的 代表 當(dāng)前的手機產(chǎn)品除了通話功能以外往往還包含多種多媒體娛樂功能 芯片 的工作電流越來越大 但是相應(yīng)也要求電源管理芯片能高效的轉(zhuǎn)換電池能源以提 高其續(xù)航能力 為了實現(xiàn)低功耗 高端芯片大多采用d v s d y n a m i c v o l t a g es c a l i n g 技術(shù) 即 芯片的供電電壓隨著工作狀態(tài)動態(tài)調(diào)整 比如 i n t e lc p u 供電標(biāo)準(zhǔn)v r m 9 x v r d l 0 1 和v r d l l 分別規(guī)定 輸出電壓由c p u 發(fā)出的v i d v o l t a g ei d e n t i f i c a t i o n 碼控制 從1 1 v 到1 8 5 v 從0 8 3 7 5 v 到1 6 v 和從0 5 v 到1 6 v 可變 最小變化臺階分別為 2 5 m v 1 2 5 m y 和6 2 5 m v 同時 隨著工藝的進步 芯片的供電電壓隨之降低 比如 預(yù)計到2 0 1 0 年i n t e lc p u 工作電壓將小于0 8 v 此時輸出電壓的波將可能 會成為影響芯片的工作的重要因素 芯片的集成化越來越高 在電源管理模塊方面 也同樣要求減少外圍功率器 件的尺寸 為此芯片必須工作在比較高的頻率下 但是為了滿足d v s 的要求 芯片內(nèi)部處理系統(tǒng)必須滿足一定的精度的要求 高頻和高精度的處理也給芯片的 設(shè)計帶來了很多的困難 為了實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換頻率 多模式的引進也是勢在必行 多模式直接的切換 方式和邏輯也給芯片的設(shè)計帶來了新的問題 不合適的切換方式有可能會使得轉(zhuǎn) 換效率不增反降 4 第一章引言 針對以上這些在電源管理芯片設(shè)計上會遇到的問題 本文的設(shè)計也采用了相 應(yīng)的應(yīng)對措施 為了適應(yīng)現(xiàn)在便攜設(shè)備芯片工作電流范圍越來越大的現(xiàn)狀 在原有的 p w m p f m 的基礎(chǔ)上增加了d s m 模式用以提高原有雙模式切換時的轉(zhuǎn)換效率 在 功率器件的輸入信號前面增加死區(qū)控制模塊以提高功率管的效率 使系統(tǒng)在起工 作區(qū)域能始終保證較高的電源轉(zhuǎn)換效率 支持d v s 技術(shù) 輸出電壓由輸入的多位v l d 碼控制 同時具有小的設(shè)置點誤 差 s e tp o i n te r r o r 以支持芯片的低功耗設(shè)計 提高芯片的工作頻率 采用優(yōu)化 的延時環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘 可以有效的抑制溫度和電源對頻率的影響 采用優(yōu) 化的p i d 控制來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度 采用片內(nèi)集成的電流 電壓和溫度采樣電路 可以智能地根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載情 況選擇合適的工作模式 充分利用數(shù)字控制的優(yōu)勢 并在不同的工作模式中開啟 或者關(guān)閉相應(yīng)的模塊 進一步提高系統(tǒng)的效率 圖1 3 顯示的是本文涉及的 p w m p f m d s m 數(shù)字控制電源管理模塊系統(tǒng)框圖 p w m p f m d s m 數(shù)字d c d c 控制芯片 圖1 3p w m p f m d s m 數(shù)字控制電源管理模塊系統(tǒng)框圖 作者負(fù)責(zé)設(shè)計的部分包括數(shù)字調(diào)試器 p i d 數(shù)字補償器 模式切換電路 芯 片其他模擬設(shè)計部分由組內(nèi)其他同學(xué)設(shè)計完成 數(shù)字調(diào)制器部分包括了軟啟動電 路 p w m p f m d s m 數(shù)字調(diào)制器 其中的d p w m 模塊已經(jīng)流片驗證和測試 5 第一章引言 1 3 主要研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu) 本文的研究內(nèi)容側(cè)重于基于便攜設(shè)備的多模式數(shù)字控制電源管理模塊 主要 包含一下幾個方面 低壓小電流控制系統(tǒng)算法和架構(gòu) 包括 系統(tǒng)建模仿真 電壓控制回路算法 設(shè)計與驗證 滿足控制回路的高頻高精度數(shù)字p w m p f m 模塊的設(shè)計 d s m 模塊的設(shè)計和 驗證 p i d 電路的設(shè)計 本文主要的設(shè)計重點在于p w m 模塊的設(shè)計和實現(xiàn) 目 前采用了3 種不同的實現(xiàn)方法 多模式數(shù)字控制的切換 引入了電流 電壓和溫度采樣電路 實時根據(jù)系統(tǒng) 的運行狀態(tài)切換合適的轉(zhuǎn)換模式 論文將按照一下的結(jié)構(gòu)安排 第二章將主要介紹多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和 仿真 外圍功率元件的參數(shù)選擇和依據(jù) 第三章將主要應(yīng)用于本文控制系統(tǒng)的 p w m 模塊的設(shè)計和實現(xiàn) 本文對于p w m 模塊的研究一共采用了3 個不同的方案 來實現(xiàn) 其中2 種方案已經(jīng)經(jīng)過了流片以及p c b 的測試 第四章主要介紹p f m d s m 模塊的設(shè)計 第五章將主要介紹多模式數(shù)字控制電源管理系統(tǒng)的驗證仿真結(jié)果 第六章將給出全文的總結(jié)并對今后的工作進行必要的展望 最后是致謝和參考文 獻 6 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 本文提出的多模數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)主要針對低壓小電流的便攜設(shè) 備 其主要包含以下幾個方面的設(shè)計內(nèi)容 1 外圍同步b u c k 整流電路 2 數(shù)字 控制模塊 3 數(shù)字調(diào)制模塊 p w m p f m d s m 4 a d c 和b a n d g a p 模塊 其 中前三個模塊由本人設(shè)計完成 a d c 和b a n d g a p 模塊由組內(nèi)其他同學(xué)設(shè)計完成 本文設(shè)計的多模數(shù)字控制電源管理芯片參數(shù)如表2 1 所示 表2 1 多模數(shù)字控制電源管理芯片參數(shù) 輸入電壓 2 5 v 輸出電壓 1 1 1 8 5 v 開關(guān)頻率 2 m h z a d c 精度 7 8 m v d p w m 精度 1 0 b i t 相位數(shù) 1 濾波電容 5 0 u f 濾波電感 1 0 0 u h 輸出電壓紋波 圖2 3 b u c k 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 如上圖所示 虛線框內(nèi)的部分就是b u c k 電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 考慮了電容和電 感的寄生電阻參數(shù) 由圖中可以看出 影響最終輸出的因素有以下3 個 電源電 壓v g 占空比信號d 和輸出電流i i o a d 對電路的反饋影響 設(shè)計主要需要考慮輸出 信號主要有2 個 輸出的電壓v o 和電感上的電流il 前者是下級功率器件的供電 電壓 后者是電路穩(wěn)定的重要參數(shù) 則b u c k 電路的小信號模型如圖2 4 所示 d i o l 圖2 4b u c k 電路小信號模型 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 上圖甲 共甲 u v a s 為犧出電 盤到獺入占至比陰傳遞凼致 z 0 s 為升蚧獺 出阻抗 g v g s 為輸出電壓到輸入電壓的傳遞函數(shù) g j d s 為電感電流到占空比的 傳遞函數(shù) g i i s 為電感電流到負(fù)載電流的傳遞函數(shù) g i g s 為電感電流到輸入電 壓的傳遞函數(shù) 根據(jù)文獻 3 3 j 的介紹 可以得出這6 個傳遞函數(shù)如下所示 啪m 面赫 z s 2 9 c c l s l r c r l c r o 7 s c l s c r 群 1 叫 d 而麗s c g 而c 麗 2 1 班圪而焉意雨麗 啪 面勘 g g s d 而焉瓦s ji 麗 2 1 2 3 同步b u c k 整流電路重要參數(shù)選取 功率元件在整流電路中直接地決定了電路的動態(tài)響應(yīng)速度 紋波等重要的 參數(shù) 在建模階段選擇合適的功率元件可以有效的仿真系統(tǒng)的反應(yīng) 系統(tǒng)的帶寬 也是需要在建模階段確定的重要系統(tǒng)參數(shù) 本節(jié)將主要介紹本文涉及的多模數(shù)字 控制電源管理芯片的重要參數(shù)選取 2 2 3 1 系統(tǒng)帶寬以及濾波電容參數(shù)的選取 分析濾波電容的串聯(lián)等效模型 可以計算由于負(fù)載電流突變給輸出電壓帶 來的影響 圖2 5 為濾波電容串聯(lián)等效模型 其中l(wèi) e 為寄生等效電感 r c 為寄生 電阻 c 為等效電容 1 0 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 圖2 5 濾波電容串聯(lián)等效模型 根據(jù)參考文獻 6 4 的計算方式 可以得出濾波電容的諧振頻率c oc 和寄生電阻 r e 滿足 甕等足夠 j 其中諧振頻率妒 猛時 緲 上 l 系統(tǒng)在負(fù)載電流突變時對輸出電壓的影響可表示為 堋 蕓x 警 其中刪 為階躍函數(shù) 2 2 由此可以看出 由負(fù)載電流突變引起的輸出電壓的變化可以由3 個變量來決 定 電流突變的大小 系統(tǒng)帶寬和濾波電容的大小 根據(jù)文獻f 3 3 介紹 因為不 論是p w m p f m 還是d s m 都是一個開關(guān)噪聲很大的系統(tǒng) 為避免開關(guān)噪聲對系統(tǒng) 回路的影響 系統(tǒng)帶寬一般需要小于f s w 6 才能穩(wěn)定 典型值為f s w 1 0 但是根據(jù) 式 2 2 較大的系統(tǒng)帶寬可以降低負(fù)載電流對輸出電壓的影響 即是有較好的 動態(tài)響應(yīng) 折中考慮這樣的情況 本文選擇的系統(tǒng)帶寬為f s w 1 0 為2 0 0 k h z 采用 4 7 u f 的電容 這樣在負(fù)載電流突變的時候 輸出電壓的變化在5 0 m y 以內(nèi) 根據(jù)三 洋電容的產(chǎn)品參數(shù)表 該電容的e s r 為2 mq 2 2 3 2 濾波電感參數(shù)的選擇 同步b u c k 整流采用常用的l c 網(wǎng)絡(luò) 由于電容參數(shù)在前面的章節(jié)已經(jīng)選擇了 相應(yīng)的值 因此電感參數(shù)成為影響輸出紋波的唯一變量 一般來說 輸出紋波由 3 個部分組成 首先 l c 網(wǎng)絡(luò)會貢獻一部分紋波 曄曇暇 刪若 2 3 1 1 l c 艮 1 i 于 烈 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 其中 v g 是輸入電壓信號 l 為電感參數(shù) c 為電容參數(shù) t s 為開關(guān)周期 則根據(jù)數(shù)學(xué)運算 l c 網(wǎng)絡(luò)貢獻的紋波會有一個最大值 即 k j 1 2v g t 石 2 4 輸出紋波的另外一個部分來自電感的寄生電阻r e k r 其中 為電流紋波 其值滿足下式 r v o dr dt 2 5 2 6 輸出紋波的第三個影響來自電容的寄生電感 該影響往往在高頻工作下起到 很重要的作用嗍 k 半 厶 一早 厶 一v l v o 上拉管導(dǎo)通時 下拉管導(dǎo)通時 2 7 綜合式 2 3 2 5 2 7 當(dāng)選擇的電容參數(shù)為4 7 u f 時候 選擇濾波電感 參數(shù)為1 0 u h 查電感手冊得到電感寄生電阻為3 3mq 這樣的l c 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的紋 波小于1 0 m y 滿足設(shè)計的要求 2 2 4 同步b u c k 整流電路s i m u l i n k 建模 s i m u l i n k 建模可以在電路實現(xiàn)前從系統(tǒng)級來預(yù)測雖終電路的結(jié)果情況 因此 一個合理 合適的s i m u l i n k 模型將對設(shè)計有很大的幫助 根據(jù)式2 1 以及前面確定的電容和電感的參數(shù) s i m u l i n k 采用的結(jié)構(gòu)如圖2 6 所示 1 2 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 圖2 5 同步b u c k 整流采用的s i m u l i n k 模型 同步b u c k 整流結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)定如圖2 6 所示 圖2 6 同步b u c k 整流結(jié)構(gòu)參數(shù) 其中 開關(guān)管上拉電阻和下拉電阻基于參考文獻 刪的計算得出 改同步b u c k 整流電路s i m u l i n k 仿真結(jié)果如圖2 7 所示 圖2 7 中 所示的波形由上至下分別是 電感電流i l 輸出電壓v o 電容電流i c 由圖中可以看出 b u c k 系統(tǒng)能在0 8 m s 的時候達到穩(wěn)定 對于系統(tǒng)在負(fù)載電流突變時對輸出電壓的影響 采用如圖2 8 所示的模型進行仿真 圖2 8 的仿真結(jié)果由圖2 9 所示 圖2 7b u c k 電路s i m u l i n k 仿真結(jié)果 圖2 8 負(fù)載電流突變s i m u i i n k 仿真模型 s c o p e l 1 4 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 嘲圈疆凝簸嬲髓鞭囂翰臻麟強鞲麓纘豳鼠麟臻強豳豳麓懿疆圜強黧疆緩疆臻磁爨翳麟豳醴蕊翳凝溺茲鹱弱翳強疆臻疆臻鬻黧掰懿鞘齲黝掰蕊豳凝礴 i li i i 一i 11l i 一l 一 i i l i 一 弋1 一 一l 露 一 一l l 目l 黧一廠 一 一i 一 一一i 一 i 一 一 一 i 一2 i 譽 j i 曩 疆 圖2 9 負(fù)載電流突變時輸出電壓s i m u l i n k 仿真模型 由圖2 9 可以看出 當(dāng)負(fù)載電流變化4 0 0 m a 時 輸出電壓的變化為1 8 m y 符合設(shè)計的要求 2 2 數(shù)字控制器的算法設(shè)計 本節(jié)將介紹本文涉及的數(shù)字電源管理模塊中的數(shù)字控制部分 目前 各種數(shù) 字控制技術(shù)被大量的應(yīng)用到電源管理領(lǐng)域 例如 滑?？刂?模糊控制等等 本 節(jié)將使用傳統(tǒng)的控制理論為電源管理模塊設(shè)計控制器 經(jīng)典的傳統(tǒng)控制理論采用對系統(tǒng)中每個模塊在s 域進行建模 以信號流圖為 基礎(chǔ) 通過系統(tǒng)環(huán)路的頻率響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性 3 7 3 9 對于開關(guān)電源系統(tǒng) 根據(jù)所采樣的反饋信號的類別主要可以分為電壓控制和 電流控制 電壓控制是通過采樣輸出電壓來和預(yù)期的輸出電壓進行比較 通過兩 者的差值來控制系統(tǒng)自動進行調(diào)整 電流控制則是通過采樣電流信息和輸出電壓 來實現(xiàn)反饋的功能 目前主要的電流控制是通過采樣功率管上的或者電感上的電 流來進行反饋 電流控制因為采樣電流的環(huán)路從系統(tǒng)上表現(xiàn)出來的是只有一個低 頻極點的系統(tǒng) 可以有很快的響應(yīng)速度 而且電流是系統(tǒng)最直接的輸出變量 采 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 用電流環(huán)路就可以進一步提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度 但是 這樣的控制方式相對于電 壓控制來說 其不足也是很顯而易見的 首先 電流控制增加了電流環(huán)路 增加 了設(shè)計的成本 第二 在小電流應(yīng)用領(lǐng)域 例如便攜設(shè)備 電流采樣電路的復(fù)雜 性也限制了它的使用 第三 當(dāng)系統(tǒng)輸出占空比信號相對較低時 電流采樣容易 產(chǎn)生諧波振蕩現(xiàn)象 必須通過添加頻率補償技術(shù)來克服這樣的現(xiàn)象 因此 綜合 考慮以上的現(xiàn)象 本文的設(shè)計還是采用了電壓控制方式來設(shè)計控制器 2 2 1 電壓控制架構(gòu)和算法設(shè)計 不 根據(jù)參考文獻 3 3 的介紹 典型的電壓控制電源管理的系統(tǒng)框圖如圖2 1 0 所 v 圖2 1 0 電壓控制電源管理系統(tǒng)框圖 上圖中由虛線所框出的部分即是同步b u c k 整流電路 其中h s 為采樣增益 v f e f 為參考電壓輸入 g c s 為需要設(shè)計的控制器模塊 m o d u l a t o r 即是系統(tǒng)采用的 調(diào)制器模塊 例如 p w m p f m d s m 等等 因為a d c 模塊s 域的表達式為常數(shù) 故在s 域的系統(tǒng)框圖中沒有單獨表示出來 控制系統(tǒng)通過采樣輸出電壓 并將采樣回來的電壓信號和一個基準(zhǔn)電壓v r e f 來進行比較 比較得到的差值通過補償器的運算輸入到調(diào)制器模塊生成開關(guān)信號 輸入到同步b u c k 整流部分 最終輸出預(yù)期的電壓提供給下級電路 最終輸出信 號和v r e f 之間的誤差穩(wěn)定在a d c 的最小精度之內(nèi) 即是差值的數(shù)字信號為 0 時 系統(tǒng)達到穩(wěn)定 1 6 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 由圖2 1 0 可以得到 系統(tǒng)最終的輸出v o 的開環(huán)表達式為 吃 器 也志一l t o a d 志 其中 不妨設(shè) t 姆吼 開環(huán)增益 則表達式 2 8 可以變?yōu)?一o 1 t o 1 v g z o 塒 2 萬麗 v g 高一 需 本節(jié)接下來的部分將介紹對電壓控制的架構(gòu)和算法設(shè)計 2 2 1 1 系統(tǒng)和電壓控制傳遞函數(shù)的設(shè)計以及穩(wěn)定性研究 2 8 2 9 對開環(huán)增益t 中的部分進行分析 其中h 和v m 都是常數(shù) 因此影響開環(huán)特 性的只有g(shù) c 和g v d 這2 個部分 然而g c 正是本節(jié)需要設(shè)計的部分 首先 需要 分析的是同步b u c k 整流電路的傳遞函數(shù)g v d 根據(jù)式 2 1 吼 而焉s r 瓣c 1 2 1 代入前面選擇的電容和電感參數(shù) 該傳遞函數(shù)的幅頻響應(yīng)如圖2 1 1 所示 圖2 1 1 同步b u c k 整流電路幅頻響應(yīng) 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 首先 將式 2 1 0 轉(zhuǎn)換成由零極點表示的形式 名f 筍l 2 1 1 l l 上 l l 蜴鰳 其中 五2 嘗2 麗1 麗 2 3 2 覷 2 1 1 2 q o 層 而1 4 2 6 9 3 2 6 d b 眩1 3 前面已經(jīng)講到影響環(huán)路穩(wěn)定性的變量只有g(shù) c s 和g v d s 接下來就根據(jù)g v d s 來設(shè)計系統(tǒng)的補償器 目前業(yè)界主要采用的補償方式是p i d 補償 即是比例積分 微分補償 采用補償器 主要是為了使系統(tǒng)能實現(xiàn)以下的功能要求 1 當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時 環(huán)路能夠使得系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在參考電壓周圍 即是v o v r e f 2 當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化 或者系統(tǒng)設(shè)定發(fā)生改變影響到輸出電壓的時候 補償器要能主動的根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)將系統(tǒng)調(diào)整到穩(wěn)定的工作狀態(tài) 3 當(dāng)系統(tǒng)啟動的時候 需要能夠抑制輸出電壓的過沖過程 減少或者消除 過沖現(xiàn)象 同時能實現(xiàn)軟啟動的功能 減少系統(tǒng)啟動時的電流變化率 為了滿足這樣一些對補償器模塊的要求 補償器的設(shè)計必須滿足一下要求 2 保證系統(tǒng)有足夠的相位裕度以確保系統(tǒng)能穩(wěn)定工作 3 選擇合適的系統(tǒng)帶寬以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度 4 調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)曲線避免出現(xiàn)過沖現(xiàn)象 同時改進算法引進軟啟動模塊 補償器的設(shè)計方法可以分為直接設(shè)計和間接設(shè)計 直接設(shè)計指所有的設(shè)計均 在離散域完成 其優(yōu)點是設(shè)計精確 間接設(shè)計指設(shè)計首先在連續(xù)域進行 然后采 用各種可能的方法變換到離散域 得到數(shù)字控制器的方程 這種方法的優(yōu)點在于 可以充分利用各種成熟的連續(xù)域控制理論 設(shè)計簡單 文獻 3 7 1 認(rèn)為 對于采樣率 超過帶寬3 0 倍的應(yīng)用 可以采用間接設(shè)計 否則 間接設(shè)計將引入較大的誤差 本文采用的設(shè)計方法是間接設(shè)計 傳統(tǒng)的p i d 補償?shù)牡湫蛡鬟f函數(shù)包含一個低頻極點和2 個零點 其中還有一 個倒置的零點 其函數(shù)表達式如下所示 1 8 第三蘭墨堡鍪主笙型墨竺塑壟蔓塑笪塞 一一 g c s q 2 1 4 其中g(shù) c 0 是補償器的低頻增益 和 1 分別為g c 的兩個零點 o 是g c 的一個極點 首先 根據(jù)式 2 8 2 1 1 邢 半名際s p c l 當(dāng)式 2 1 5 處于單位補償 即是當(dāng)g c s 1 時 式 2 1 5 改變?yōu)?馳m 爵s r c i 1 其中 低頻增益為 v t u o y g g 2 1 5 2 1 6 2 仃 設(shè)計補償器時 先確定系統(tǒng)的帶寬f c 2 0 0 k h z 即是開關(guān)頻率f s w 的1 1 0 圖2 1 2 顯示的是t s 的幅頻響應(yīng)曲線 圖2 1 2t u s 的幅頻響應(yīng)曲線 由上圖可以看出 該曲線在2 0 0 k h z 的時候的增益為 3 7 d b 因此補償器在 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 2 0 0 k h z 時候的的增益應(yīng)該要達到3 7 d b 同時 補償器還需要改善系統(tǒng)的相位裕 度 因為t u s 在2 0 0 k h z 的時候相位已經(jīng)接近1 8 0 確定補償后的系統(tǒng)相位裕度 為6 0 首先可以得出補償器的一個極點和一個零點為 廠 f 1 s i n 6 口 2 18 f叫7 正2 s i n6 0 z 廠 f 1 s i n 6 0 2 1 9 厶2 五nl s l n o 礦 l z 則補償器低頻增益g c 0 的表達式如下所示 呼 去質(zhì) 旺2 在式 2 1 4 中 選擇 的為系統(tǒng)帶寬的1 1 0 用以改善系統(tǒng)的低頻特性 曲線 將式 2 1 7 2 2 0 代入 2 1 4 得到的補償器的幅頻響應(yīng)為圖2 1 3 所 示 鬻黎鋈攀 27 i 圖2 1 3 補償器幅頻響應(yīng) 此時系統(tǒng)t s s 的幅頻響應(yīng)如圖2 1 4 所示 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 圖2 1 4 系統(tǒng)開環(huán)增益幅頻響應(yīng) 從系統(tǒng)開環(huán)幅頻響應(yīng)中可以看出 系統(tǒng)的相位裕度有5 5 經(jīng)過p i d 補償之 后 已經(jīng)得到了很大的改觀 可以穩(wěn)定的運行 對于系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻 響應(yīng)如圖2 1 5 所示 圖2 1 5 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)幅頻響 由圖2 1 5 中可以看出 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)有接近1 0 0 的相位裕度 足夠保 證系統(tǒng)能穩(wěn)定在合理的工作狀態(tài) 同時系統(tǒng)的過沖也有很大程度的抑制 由原來 3 7 d b 到現(xiàn)在不到5 d b 可以極大地減少啟動時候的過沖問題 至此 補償器在時域部分 即是s 域部分的建模已經(jīng)完成 然后通過拉普拉 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 斯逆變換將補償器映射到離散域 即是z 域 這樣就可以實現(xiàn)p i d 的設(shè)計 從s 域映射到z 域有很多中方法 本文采用了后向歐拉法來將補償器的傳遞 函數(shù)映射到z 域 得出 補償器的傳遞函數(shù)為 d 胛 3 2 8 3 7 5 e n 一3 5 6 3 7 5 e n 1 2 8 2 5 e n 2 d n 1 2 2 1 由式 2 2 1 可以看出 最后占空比信號d n 的值不僅僅受到誤差信號e n 的影響 同時也受到上個周期d n 的影響 傳統(tǒng)的p i d 補償器在應(yīng)用于電源管理 方面的時候往往會在啟動的時候因為響應(yīng)速度過快而使得系統(tǒng)的電流變化率非 常高 給芯片帶來很大的負(fù)擔(dān) 同時也會造成過沖現(xiàn)象的發(fā)生 本文設(shè)計的p i d 芯片 在式 2 2 1 的基礎(chǔ)之上 添加了軟啟動電路 在比例項前面 即是在e n 項前面添加了限幅電路 在電路啟動的時候限制p i d 補償器輸出占空比信號的增 長速度 從而使得輸出電壓上升的速度得到控制 延長了系統(tǒng)的啟動時間 在下 面的系統(tǒng)建模仿真中 可以看到系統(tǒng)的啟動時間延長到了6 0 0 u s 降低了電流的 變化率 同時也抑制了系統(tǒng)啟動時候的過沖問題 2 2 1 2 多?？刂齐妷嚎刂平：头抡?根據(jù)前面的建模和分析 多模數(shù)字控制電源管理芯片的系統(tǒng)主要由以下幾個 模塊構(gòu)成 1 基準(zhǔn)b a n d g a p 用以產(chǎn)生參考電壓v r e f 一般來說 輸出電壓需要等比 例于參考電壓 本文的設(shè)計是要求v o v r e f 2 a d c 用來數(shù)字量化參考電壓v r e f 和v 0 的差值信號供補償器處理 a d c 的處理精度直接影響輸出信號的精度 3 數(shù)字p i d 補償器 根據(jù)a d c 提供的量化后的差值信號來確定系統(tǒng)的運 行狀態(tài) 并提供合適的占空比信號給調(diào)制器 4 數(shù)字p w m p f m d s m 調(diào)制器 處理數(shù)字p i d 補償器提供的占空比信 號 產(chǎn)生相應(yīng)的占空比不同的脈沖信號來驅(qū)動同步b u c k 整流電路 5 同步b u c k 整流電路 產(chǎn)生輸出電壓信號提供給下級器件 以上5 個主要的模塊構(gòu)成了數(shù)字控制的電源管理芯片 根據(jù)參考文獻 3 3 的 介紹來確定每個模塊的具體參數(shù) 不合理的參數(shù)設(shè)定會使得d c d o 控制器的輸出電壓v o 會產(chǎn)生周期性的穩(wěn)定 2 2 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 振蕩 這種現(xiàn)象稱為極限環(huán) 產(chǎn)生極限環(huán)現(xiàn)象的原因并不是由于p w m 信號的開 關(guān)特性 它和a d c 還有p w m 的精度 p i d 的設(shè)計都有很大的關(guān)系 首先設(shè)系統(tǒng)的a d c 的分辨率為n a d c 而p w m 的分辨率為n d 陽 m 則對于b u c k 整流電路來說 a d c 每改變1 個l s b 的時候輸出電壓變化的步長為v i n 2 n a d c 相 應(yīng)的 由p w m 影響的輸出電壓變化的步長為v i n 2 n d p w m 圖2 1 6 給出了當(dāng)n d p w m 小 于n a d c 時系統(tǒng)穩(wěn)定后的輸出電壓的變化情況 l 1 b i t a 廠 廠 f 硫a v 1 b i t o 嚴(yán) 7 i 2 b i t a 聲 l 厶 r礦 d p w m d c i 度 a d c 精度 穩(wěn)定狀態(tài) b i n b 佃 b i n b i n 圖2 1 6p w m 分辨率低于a d c 分辨率時輸出電壓波形 由圖2 1 6 可以看出 由于系統(tǒng)穩(wěn)定之后總是趨向讓a d c 輸出的差值信號為 0 但是由于p w m 的精度低于a d c 的精度 這樣的現(xiàn)象造成了當(dāng)a d c 信號變 化1 b i t 的時候 輸出電壓由于p w m 精度較低的原因使得變化超過a d c 的l s b 于是造成了輸出電壓信號的周期性振蕩 所以為了避免極限環(huán)現(xiàn)象 系統(tǒng)必須滿 足的第一個條件是 r e s o l u t i o n d p m w r e s o l u t i o n a d c 2 2 2 即使上面的條件滿足了 系統(tǒng)仍然可能由于p i d 補償器沒有積分常數(shù)時產(chǎn)生 極限環(huán)現(xiàn)象 在這種情況下 控制器會利用非0 的差值信號將輸出電壓v o u t 拉到 v r e f 但是當(dāng)v o u t 被拉到v r e f 之后 此時的差值的信號雖然為0 但是微分常數(shù) 依然會作用把電壓拉到 1 b j t 這樣的情況會反復(fù)發(fā)生 于是 極限環(huán)現(xiàn)象還是無 法避免 這樣的問題可以通過在p i d 控制器中設(shè)定合適的積分常數(shù) 這樣在經(jīng)過 開始的不穩(wěn)定狀態(tài)之后 積分器會逐漸將輸出電壓v o u t 拉到v r e f 于是 避免極 限環(huán)現(xiàn)象的第二個條件是 1 殿 0 2 2 3 其中心為p i d 控制器的積分常數(shù) 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 綜上所述 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行 為系統(tǒng)內(nèi)各模塊制定的參數(shù)如下 1 基準(zhǔn)b a n d g a p 采用v r m 和v r d 的標(biāo)準(zhǔn) 利用5 位v i d 碼控制參考電 壓的輸出 輸出參考電壓范圍為1 1 v 1 8 5 v 2 a d c 采用窗口式a d c 設(shè)計嗍 對參考電壓周圍的電壓區(qū)間進行量化 輸出1 2 位數(shù)字編碼 精度為7 8 m y 3 數(shù)字p i d 補償器 利用系統(tǒng)2 m h z 時鐘 內(nèi)置軟啟動電路 實現(xiàn)啟動 時占空比信號穩(wěn)步提高和穩(wěn)定工作時快速的反應(yīng)能力 4 數(shù)字p w m p f m d s m 調(diào)制器 因為p f m 和d s m 都是精度較低的調(diào) 制方式 主要應(yīng)用于負(fù)載電流不大的情況 主要考慮p w m 的精度 本文設(shè)計的p w m 設(shè)定的實現(xiàn)精度為1 0 b i t 工作頻率為2 m h z 5 同步b u c k 整流電路 根據(jù)上面幾節(jié)的介紹 確定使用4 7 u f 的電容和 1 0 u h 的電感作為濾波電路 根據(jù)上面的參數(shù)設(shè)定 對系統(tǒng)做出的m a t l a b 建模如圖2 仃所示 s i g n a lb u i l d e 圖2 1 7 系統(tǒng)m a t l a b 建模 因為電源電壓的小信號擾動在實際應(yīng)用中非常微弱 故在建模時省略了這個 參數(shù)的影響 在b u c k 電路部分僅僅考慮了占空比信號d 和輸出電流對系統(tǒng)的影 響 系統(tǒng)各模塊的建模如圖2 1 8 所示 2 4 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 c d e 圖2 1 8 系統(tǒng)各模塊建模 由 a 至 e 分別為 a b u c k 同步整流 b a d c c p f m d p i d 補償器 e p w m 對系統(tǒng)m a t l a b 模型進行仿真的結(jié)果如圖2 1 9 所示 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 嬲 圖2 1 9 系統(tǒng)m a u a b 仿真波形 如上圖所示 4 個信號由上至下分別是 a d c 輸出誤差信號 輸出電壓v 0 占空比信號 電感電流信號 圖中 區(qū)域a 是p f m 工作區(qū)域 可以看到系統(tǒng)切 換沒有問題 而且p f m 期間的輸出紋波大約是p w m 期間輸出紋波的3 倍 區(qū)域 b 顯示的是負(fù)載突變的情況 可以看到輸出電壓幾乎沒有變化 系統(tǒng)穩(wěn)定 2 3 小結(jié) 本章介紹了多模數(shù)字控制電源管理芯片的建模方法和建模步驟 本章中 控制環(huán)路的設(shè)計開始于連續(xù)域 控制的效果采用m a t l a b 分析幅頻 響應(yīng)來進行檢驗 然后將得到的連續(xù)域傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換到離散域 本章所采用的拉 普拉斯逆變換是后向歐拉法 這種方法比較適合a s i c 硬件的實現(xiàn) 得到補償器 第二章多模數(shù)字控制系統(tǒng)的建模和仿真 的差分方程后 就可以在s i m u l i n k 環(huán)境下對系統(tǒng)進行建模 其中功率級的模型也 已經(jīng)在本章第 d 節(jié)給出了相關(guān)的介紹 各個電路模塊的建模 根據(jù)實現(xiàn)架構(gòu)的 不同 需要單獨處理以使模型真實反映 數(shù)字設(shè)計前期的數(shù)學(xué)建模工作 在整個設(shè)計的環(huán)節(jié)中起到了非常重要的作 用 首先 由于數(shù)字設(shè)計的特性 其單元模塊可以很容易用數(shù)學(xué)函數(shù)的方式表達 出來 其次 設(shè)計前的建模工作 可以幫助設(shè)計者在電路實現(xiàn)之前就可以根據(jù)建 模的仿真結(jié)果對系統(tǒng)的性能有一個初步的估計 第三 一個合理的精確的建模 可以幫助設(shè)計者了解系統(tǒng)的架構(gòu) 從而在之后的設(shè)計中更好的克服系統(tǒng)的缺陷 充分發(fā)揮數(shù)字設(shè)計的優(yōu)勢 第三章高頻高精度數(shù)字p w m 的設(shè)計 第三章高頻高精度數(shù)字p w m 的設(shè)計 本章將介紹數(shù)字調(diào)制器中的數(shù)字p w m 模塊的設(shè)計 基本的d c d c 數(shù)字控制 芯片通常由a d c p i d p w m 和基準(zhǔn)電壓源等組成 其中p w m 模塊在整個控制芯 片中起到了非常重要的作用 根據(jù)前面幾章的介紹 p w m 必須達到一定的精度才能避免極限環(huán)現(xiàn)象的產(chǎn) 生 同時由于便攜產(chǎn)品的要求 b u c k 電路要求能夠工作在一定的開關(guān)頻率下 較 高的開關(guān)頻率不僅可以有效的提高電源的轉(zhuǎn)換效率 同時還能有效的降低外圍濾 波電路中功率元件的尺寸 減少芯片的面積 目前國內(nèi)相關(guān)的數(shù)字脈寬調(diào)制器 d p w m 設(shè)計的研究還處于起步階段 可 以查到的研究成果大多很難同時保證高頻 高精度的p w m 信號輸出 本節(jié)主要 針對本文設(shè)計的數(shù)字電源管理模塊對于p w m 模塊的要求 設(shè)計了幾種不同的 p w m 模塊 其中采用混合型的d p w m 模塊已經(jīng)完成了流片驗證和測試工作 3 1 數(shù)字p w m 簡介 p w m 即是脈寬調(diào)制器 p u i s e w i d l hm o d u l a t o r 主要用于將p i d 補償器產(chǎn)生的 占s 三l i 信號d 轉(zhuǎn)換成為占空比符合d 的脈沖信號用來驅(qū)動同步b u c k 整流電路 根據(jù)式 2 1 所表示的 占空比信號到輸出電壓的傳遞函數(shù)為 嘞 圪而磊s 瓦p k j l 麗 3 1 則 v o s 嘞 吧而鬲s 麗r c 孤l 再 3 2 式 3 2 的階躍響應(yīng)如圖3 1 所示 第三章高頻高精度數(shù)字p w m 的設(shè)計 圖3 1b u c i 整流電路階躍響應(yīng) 其中 v g 即輸入電壓設(shè)定為3 3 v 從圖3 1 可以看出 電路最終穩(wěn)定的輸出 電壓v 0 為v g x d 作者在完成本文的設(shè)計之前曾經(jīng)在應(yīng)用與低壓大電流的電源 管理芯片上設(shè)計過d p w m 模塊 根據(jù)v r m 9 0 的要求 系統(tǒng)要求1 1 v 一1 8 5 v 的供 電電壓 輸出電壓的步長為2 5 m v 為滿足設(shè)計的要求 需要d p w m 滿足1 m h z 開關(guān)頻率和1 1 b i t 的輸出精度 這樣