DPA-Switch系列集成控制器在小功率DC-DC變換器中的應用（一）

3．1 Control引腳的工作過(guò)程

DPA-Switch的Control引腳呈低阻抗狀態(tài)，可同時(shí)接受供電和反饋混合信號。在正常工作狀態(tài)下，芯片內部的分流調節器會(huì )將反饋信號從混合信號中分離出來(lái)。Control引腳上的電壓Vc用于向芯片內部的控制電路供電，包括為輸出MOSFET驅動(dòng)器供電。實(shí)際應用當中，需在Control引腳和Source引腳之間接一只旁路電容，以提供MOSFET的柵極驅動(dòng)電流。該電容的大小將對自動(dòng)重啟動(dòng)時(shí)間和控制環(huán)路補償產(chǎn)生影響。

在啟動(dòng)過(guò)程中，當直流輸入電壓施加在Drain引腳上時(shí)，輸出MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，接在Control引腳上的電容通過(guò)芯片內部集成在Control引腳和Source引腳之間的高壓電流源進(jìn)行充電。當Contro引腳上的電壓Vc上升至5.8V左右時(shí)，控制電路開(kāi)始工作，系統進(jìn)入軟啟動(dòng)狀態(tài)。軟啟動(dòng)電路使占空比由零逐漸上升至最大值，這一過(guò)程將持續大約5ms的時(shí)間。軟啟動(dòng)過(guò)程結束時(shí)，高壓電流源關(guān)斷。如果此時(shí)Control引腳上沒(méi)有反饋-供電混合信號出現，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。如果設計正確，且系統不存在開(kāi)環(huán)或過(guò)載等故障，在Control引腳上的電壓放電至4.8V的欠壓鎖定之前，外部反饋環(huán)路將向Control引腳提供電流，以維持對Control引腳上電容進(jìn)行充電。當電容電壓充至5.8V的分流調節器閾值時(shí)，超過(guò)芯片正常工作所需電流的富余部分將通過(guò)電阻RE分流至Source。該電流控制MOSFET占空比的大小，以實(shí)現閉環(huán)控制。分流調節器的輸出阻抗ZC相當低。如果采用原邊反饋結構，該阻抗的大小將決定誤差放大器的增益?？刂骗h(huán)路的主極點(diǎn)將由控制引腳的動(dòng)態(tài)阻抗Zc和接在Control引腳上的外部電容共同決定。占空比與Control引腳電流之間的關(guān)系如圖3所示。

當系統出現開(kāi)路或過(guò)載故障后，外部流入Control引腳的電流受到影響，接在Control引腳上的電容開(kāi)電。當電容上的電壓降至4.8V時(shí)，自動(dòng)重啟動(dòng)電路開(kāi)始工作，輸出MOSFET被關(guān)斷，控制電路進(jìn)入小電流待機狀態(tài)。此時(shí)高壓電流源開(kāi)啟，重新對外接電容進(jìn)行充電。芯片內部的滯回比較器通過(guò)控制高壓電流源的開(kāi)啟和關(guān)斷，使VC始終保持在4.8V-5.8V這一窗口電壓范圍之內。在自動(dòng)重啟動(dòng)電路中包含一個(gè)八分之一分頻器，該分頻器確保MOSFET在經(jīng)過(guò)8個(gè)充/放電周期之后才會(huì )再次開(kāi)通。這樣一方面能夠有效降低DPA-Switch的功耗，另一方面由于自動(dòng)重啟動(dòng)周期內的占空比僅為4％，系統在該過(guò)程中向輸出端傳輸的功率也大大降低。故障排除，系統恢復正常后，自動(dòng)重啟動(dòng)周期才會(huì )結束，否則該過(guò)程將一直持續下去。DPA-Switch的典型工作波形圖如圖4所示。

3．2 振蕩器和開(kāi)關(guān)頻率的選擇

DPA-Switch芯片內部的振蕩器通過(guò)對內置電容器的充放電，生成PWM控制器所需的鋸齒波。PWM控制器和限流調節器的門(mén)限值由振蕩器在每個(gè)工作周期初始階段設定。

通常開(kāi)關(guān)頻率應設為400KHz，此時(shí)應將Frequency引腳與Source引腳相連。在某些情況下，如采用次級同步整流時(shí)，需要將開(kāi)關(guān)頻率設得低一些。此時(shí)需要將Frequency引腳與Control引腳連在一起，這時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率將為300KHz。

3．3 PWM和最大占空比控制

DPA-Switch芯片采用的是電壓控制模式，生成的PWM脈沖寬度與流入Control引腳的那部分富余電流成反比。這部分超過(guò)芯片正常工作所需的富余電流通過(guò)電阻RE轉化為電壓后作為反饋誤差信號送入PWM比較器。該信號經(jīng)過(guò)一個(gè)轉折頻率為30KHz的RC網(wǎng)絡(luò )濾波，去除芯片內部輸出MOSFET產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲信號的干擾后，與內部振蕩器發(fā)出的鋸齒波信號相比較，最終生成PWM驅動(dòng)脈沖信號。隨著(zhù)控制電流的上升，占空比逐漸下降。輸出MOSFET的開(kāi)通閾值由振蕩器時(shí)鐘信號決定，PWM控制器能夠將該閾值復位，并使輸出MOSFET關(guān)斷。這里需要注意的是，在占空比開(kāi)始變化之前，Control引腳上必須注入控制電流。

DCMAX是最大占空比，其默認值的典型值為75％。如果在Line-Sense（L）引腳和直流輸入端之間增加一只特定阻值的電阻，當輸入電壓升高時(shí)，DCMAX將由75％下降至33％。

3．4 最小占空比和周期跳越控制

負載發(fā)生變化時(shí)，占空比也將隨之發(fā)生改變。占空比的變化與Control引腳上的電流成反比。當Control引腳上的電流上升時(shí)，占空比將線(xiàn)性下降，直至最小占空比DCMIN。當占空比達到DCMIN時(shí)，如果此時(shí)Control引腳上的電流繼續上升2mA，PWM控制器會(huì )強行將占空比由DCMIN逐步降至0。這一特點(diǎn)保證了在負載所需功率低于DC MIN狀態(tài)下變換器的傳輸功率時(shí)系統工作在周期跳越模式。由正常工作狀態(tài)轉至周期跳越狀態(tài)是系統自動(dòng)完成的，無(wú)需任何附加控制。隨著(zhù)負載所需功率的上升或下降，系統將根據實(shí)際需要在正常工作狀態(tài)和周期跳越狀態(tài)之間進(jìn)行轉換。當然，如果需要也可以將周期跳躍這一功能去掉。具體做法是在變換器輸出端上接一個(gè)很小的負載，使占空比始終維持在DC MIN之上即可。