全新恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片的設(shè)計(jì)

李茂登

摘? 要：DCDC升壓轉(zhuǎn)換器在工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用極為廣泛。傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)化器只有輸入電流限制功能，沒(méi)有恒流輸出功能。為了進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換器運(yùn)作性能，保證后端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、參數(shù)精準(zhǔn)、安全可靠，為其設(shè)計(jì)全新的恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片，具體采用先進(jìn)的混合集成電路技術(shù)和頂層金屬厚鋁工藝，增加了輸出過(guò)壓保護(hù)和輸出短路保護(hù)功能。使其具有大驅(qū)動(dòng)電流、高效率、低功耗、安全性高以及系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，有效提升DCDC升壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)作性能。

關(guān)鍵詞：恒流恒壓;輸出;升壓轉(zhuǎn)化;芯片設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) ：TM631? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)體系中，探測(cè)設(shè)備的規(guī)模、通道數(shù)量和探測(cè)單元不斷增大，這使得前端電子學(xué)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也在持續(xù)增加，有必要進(jìn)行傳輸單元的精確控制。DCDC升壓轉(zhuǎn)換器具有較強(qiáng)的抗輻照能力，其在工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品應(yīng)用較為廣泛。目前對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器的電流輸出控制提出了較高要求，如果升壓轉(zhuǎn)化器芯片為傳統(tǒng)的芯片，則轉(zhuǎn)換器僅具備恒壓能力，這使得轉(zhuǎn)化器使用過(guò)程中電流變化差異較大，容易造成設(shè)備故障?；诖耍瑸榱藢?shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)化器芯片輸出電流的有效控制，設(shè)計(jì)推出全新的恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片，滿足了DCDC升壓轉(zhuǎn)換器恒壓恒流控制需要。

1 工作原理

1.1 恒壓恒流電源電源的工作原理

從本質(zhì)上講，恒壓恒流電源是一種直流電源，其包含了恒壓控制和恒流控制2種狀態(tài)[1]?；谶@2種狀態(tài)功能需要，其內(nèi)部單元也包括了恒壓控制單元和恒流控制單元。

恒壓控制狀態(tài)，其能在負(fù)載發(fā)生變化的情況下，通過(guò)使得輸出電壓保持穩(wěn)定。該狀態(tài)下，要求輸出電流保持在預(yù)先設(shè)定的恒流值范圍之內(nèi)。從作用狀態(tài)來(lái)看，一旦芯片處于恒壓工作狀態(tài)，則恒流控制單元不發(fā)生作用，即處于休止?fàn)顟B(tài)。這樣，恒流控制單元不會(huì)干擾整個(gè)系統(tǒng)的電壓和電流輸出。當(dāng)負(fù)載電阻變小，負(fù)載電流與預(yù)先設(shè)定的恒流值相同時(shí)，恒流控制單元會(huì)開(kāi)始工作[2]。

在負(fù)載電阻持續(xù)減小的狀況下，恒流控制單元會(huì)開(kāi)始運(yùn)作，其能按照預(yù)定的恒流值進(jìn)行輸出電流控制，同時(shí)讓恒流電壓按照與負(fù)載電阻相同的趨勢(shì)進(jìn)行縮小，這樣實(shí)現(xiàn)了電路電流輸出的恒流控制。與恒壓控制模式不同的是，在恒流狀態(tài)下，恒壓部件休止不作業(yè)。

1.2 全新恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片工作原理

本次設(shè)計(jì)的恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片，其將傳統(tǒng)的恒壓直流電源升壓器芯片作為基礎(chǔ)，然后為其添加恒流控制單元和異常保護(hù)輸出電路，使得整個(gè)芯片系統(tǒng)具備2個(gè)反饋回路，實(shí)現(xiàn)了電路系統(tǒng)的恒壓恒流輸出控制。

一個(gè)是電壓反饋環(huán)路，系統(tǒng)的輸出電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓后轉(zhuǎn)為FB，在運(yùn)作中，誤差放大器能通過(guò)補(bǔ)償，將基準(zhǔn)電壓與FB的差值進(jìn)行放大，此即為EAO。

而在電流反饋環(huán)路中，一旦開(kāi)關(guān)Q1打開(kāi)，則開(kāi)關(guān)電流電阻會(huì)采樣開(kāi)關(guān)電流，此時(shí)位于電阻兩端的電流放大器XI5會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)電流進(jìn)行放大處理，同時(shí)在疊加另一個(gè)斜率補(bǔ)償用的鋸齒波后，就會(huì)形成一個(gè)全新的鋸齒波電壓，將該鋸齒波電壓命名為RAMP。比較EAO和RAMP，并對(duì)其進(jìn)行邏輯處理，可產(chǎn)生PWM方波，通過(guò)該方波可實(shí)現(xiàn)Q1開(kāi)關(guān)時(shí)間比例的系統(tǒng)控制，為輸出電壓、電力大小控制提供支撐[3]。

2 電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)不具有恒流功能;在升壓轉(zhuǎn)化電路電路中，電流的變化較大。而在全新恒壓恒流升壓轉(zhuǎn)換器下，通過(guò)片外數(shù)據(jù)和片內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)的靈活選擇。恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片工作中，一旦處于恒壓工作狀體，則系統(tǒng)中的電壓反饋環(huán)節(jié)處于工作狀態(tài)，該模式下，PWM占空比D變大，且Q1具有個(gè)更長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間，其能在升高Vout的同時(shí)，將其穩(wěn)定控制在設(shè)計(jì)值范疇。而當(dāng)負(fù)載電流變大時(shí)，EAO也會(huì)相應(yīng)變大，這使得其對(duì)于PWM占空比的影響降低，此時(shí)，恒壓控制狀態(tài)受到影響，IC進(jìn)入輸入電流限制模式，在該過(guò)程中，當(dāng)VCL與1/（1-D）、Iin與1/（1-D）均呈正比例關(guān)系時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了恒流輸出控制，如圖1所示。

相比于不具備恒流模式的升壓轉(zhuǎn)換器，全新的恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換電路多ISP和ISN? 2個(gè)輸出電路采樣管腳，這個(gè)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時(shí)相應(yīng)的成本的也有所增加，使系統(tǒng)電流的輸出控制更加穩(wěn)定，系統(tǒng)安全性能更加突出[4]，見(jiàn)表1。

3 電路保護(hù)

該項(xiàng)目芯片為升壓轉(zhuǎn)換器集成了全新的輸出電壓保護(hù)電路、短路保護(hù)電路，這使得電路具備異常保護(hù)的功能，如圖2所示。

在輸出電壓過(guò)壓保護(hù)過(guò)程中，一旦FB電壓超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定電壓，且達(dá)到設(shè)定電壓的1.1倍，則輸出電壓保護(hù)保護(hù)模塊會(huì)產(chǎn)生過(guò)壓信號(hào)，受該信號(hào)作用，位于保護(hù)電路內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管會(huì)關(guān)閉。而在輸出短路保護(hù)中，如果FB電壓達(dá)不到設(shè)定電壓的0.7倍，且檢測(cè)到電路工作與恒流模式先插1 ms，則系統(tǒng)會(huì)輸出短路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電路的短路保護(hù)[5]。

此外，當(dāng)輸出電壓過(guò)壓，輸出短路時(shí)，芯片還會(huì)出現(xiàn)溫度過(guò)高的問(wèn)題。當(dāng)出現(xiàn)這一狀況時(shí)，異常保護(hù)模塊會(huì)輸出高電平，從作用機(jī)理看，該電平不僅能關(guān)閉外置的開(kāi)關(guān)管，而且能實(shí)現(xiàn)異常功耗的有效控制，這對(duì)于下一級(jí)系統(tǒng)的保護(hù)具由深刻影響。

4 芯片原理圖

該項(xiàng)目芯片原理圖如圖3所示。相比于傳統(tǒng)的恒壓輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片，升壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了升壓過(guò)程中的恒壓恒流控制。其與傳統(tǒng)恒壓輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片的差異在于2種。1）全新恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)化芯片增加了恒流控制單元，就該控制單元來(lái)說(shuō)，確保輸出電壓與占空比成正，同時(shí)為了確保恒流控制的精準(zhǔn)性，為其設(shè)置精度校準(zhǔn)電路，確保了恒流控制的可靠性。2）芯片包含電路異常保護(hù)裝置，其在電壓過(guò)高。輸出短路和芯片過(guò)溫3種模式下，都能關(guān)閉芯片，并實(shí)現(xiàn)高電平輸出，確保了系統(tǒng)應(yīng)用的安全性。此外，通過(guò)頂層金屬厚鋁工藝實(shí)現(xiàn)了特殊版圖的有效制作，其在電路上做PAD，同時(shí)采用類(lèi)似混凝土框架的辦法設(shè)計(jì)電路版圖，這使得線路穿孔增多，芯片面積減小，有效地降低了項(xiàng)目的建設(shè)成本。

5 芯片測(cè)試與功能實(shí)現(xiàn)

加強(qiáng)芯片測(cè)試管理對(duì)于其恒壓恒流控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有較大影響。在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，為確保恒流控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為原有系統(tǒng)增加VCL=K/（1-D）模塊，在該模塊體系下，k表示了比例因子，這使得K/（1-D）變?yōu)橐粋€(gè)除法電路，這給集成電路的模擬帶來(lái)較大困難。因此，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需采用數(shù)學(xué)擬合的方法來(lái)進(jìn)行電路的模擬集成。項(xiàng)目中，占空比D保持在0.6以?xún)?nèi)，這使得K/（1-D）擬合成K（1+D+2.2D×D）。

在對(duì)該芯片進(jìn)行測(cè)試時(shí)，對(duì)模擬集成電路進(jìn)行計(jì)算，可知1/（1-D） 和（1+D+2.3D×D）的正負(fù)誤差保持在-4.4%～5.19%。恒流控制單元不僅包含K（1+D+2.3D×D）產(chǎn)生電路，而且涉及精度校準(zhǔn)電路。從具體的效果來(lái)看，在打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)后，電阻電壓分別為IR+IR+2.2D×IR和IR，并且在整個(gè)運(yùn)作過(guò)程中，PWM信號(hào)發(fā)生變化，則電阻電壓也會(huì)隨之發(fā)生變化。對(duì)此，項(xiàng)目設(shè)計(jì)在后面增加濾波器，該濾波器實(shí)現(xiàn)了電壓的均分管理。在平均后，系統(tǒng)輸出階段升壓電壓變?yōu)镮R（1+D+2.2D×D），從而實(shí)現(xiàn)了VCL=K（1+D+2.2D×D）的功能。從精度校準(zhǔn)電路系統(tǒng)應(yīng)用效果來(lái)看，其在fuse trimming技術(shù)的支撐下，實(shí)現(xiàn)了Io精度的系統(tǒng)校正，本恒壓恒流升壓轉(zhuǎn)換器芯片系統(tǒng)的使Io的精度控制在±10%以?xún)?nèi)。

6 設(shè)計(jì)創(chuàng)新

相比于傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)，該項(xiàng)目所涉及的全新恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片具有以下2點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1）新芯片體系下，在原系統(tǒng)反饋回路中增加恒流控制單元，該單元不僅滿足了芯片恒流恒壓控制需要，而且有效地減少了系統(tǒng)外圍組件，具有芯片小巧的特點(diǎn)。在制作中，可采用SOT23-6封裝。2）原系統(tǒng)缺乏電路異常保護(hù)裝置，這使得升壓轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)發(fā)生故障的概率較高。譬如，有客戶(hù)反映，當(dāng)負(fù)載由上電轉(zhuǎn)為去電時(shí)，輸出的電流會(huì)猛然沖高，這會(huì)使得芯片燒毀，造成設(shè)備短路。而在新芯片體系下，增加電路異常保護(hù)功能，在使用中，如果發(fā)生短路會(huì)電壓過(guò)高，則芯片會(huì)自動(dòng)處于關(guān)閉狀態(tài)，這使得芯片與負(fù)載的聯(lián)系被切斷，有效地保證了芯片的安全性。3）全新的恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片的應(yīng)用還具有較高的經(jīng)濟(jì)性。其中，在PAD制作階段，其采用頂層金屬厚鋁工藝，在該工藝體系下，PAD位于電路之上，這使得芯片的面積減小，減小尺寸約為原尺寸的25%，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目建設(shè)成本的有效控制。而從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，其5年內(nèi)銷(xiāo)售額和純利潤(rùn)分別超過(guò)1 000萬(wàn)、300萬(wàn)，有效地實(shí)現(xiàn)了升壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量效益的有機(jī)統(tǒng)一。

7 結(jié)論

結(jié)合恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片具體設(shè)計(jì)情況，全新的恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片在升壓轉(zhuǎn)換器控制中具有突出功效，其能通過(guò)恒壓恒流技術(shù)的應(yīng)用，確保轉(zhuǎn)化器應(yīng)用的安全性、穩(wěn)定性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，在掌握恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片工作原來(lái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電路系統(tǒng)和芯片系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在新芯片系統(tǒng)應(yīng)用中，注重恒流控制技術(shù)、技術(shù)和頂層金屬厚鋁工藝的應(yīng)用，有效地提升恒壓恒流輸出升壓轉(zhuǎn)換芯片的設(shè)計(jì)質(zhì)量，為DCDC升壓轉(zhuǎn)換器的高質(zhì)量應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。

參考文獻(xiàn)

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