一款高效綠色降壓型開(kāi)關(guān)電源控制器芯片的設計方案（一）

1 引言

　　降壓型集成開(kāi)關(guān)電源控制器廣泛應用于各類(lèi)便攜式設備中。 近年來(lái)，隨著(zhù)電池供電的便攜式設備，如手機、MP3 播放器、PDA 等性能的提高和功能的日趨豐富，對于開(kāi)關(guān)電源的效率提出了越來(lái)越高的要求。

　　為提高效率和減少片外元器件， 目前應用的Buck變換器通常集成了功率開(kāi)關(guān)和同步整流開(kāi)關(guān)。 同時(shí)， 為減小片外電感元件的尺寸以適應便攜式設備的應用，開(kāi)關(guān)頻率往往設置為幾兆甚至更高的數量級。 由此帶來(lái)的問(wèn)題是，當變換器工作在輕載條件下， 開(kāi)關(guān)損耗就變成了主要的功率損耗。 而便攜式設備恰恰常工作于待機狀態(tài)即輕載工作狀態(tài)下，輕載效率對于延長(cháng)電池的使用壽命至關(guān)重要。 因此，提高輕載效率的問(wèn)題受到了高度關(guān)注。

　　解決上述問(wèn)題的一種常見(jiàn)方法是在輕載情況下降低開(kāi)關(guān)頻率，從而使得變換器的效率保持在與重載近似的水平上。 這種技術(shù)有PFM/ PWM 多模式調制、共柵驅動(dòng)等，但是它們有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)頻率隨負載調制，這使片外濾波器的設計變得相當復雜。

　　本文提出的綠色模式降壓型功率集成開(kāi)關(guān)電源控制器芯片采用了Burst/ PWM 多模式調制技術(shù)，控制變換器在重載下以恒定頻率工作在PWM 模式，而當負載降低到一定程度時(shí)，自動(dòng)切換到Burst 模式并以降低的恒定頻率工作。 其主要優(yōu)點(diǎn)是減少了開(kāi)關(guān)損耗， 又不增加片外濾波器的設計復雜度。 此外，Burst 模式還可以根據應用的需要，由用戶(hù)控制使能或禁止。 并且在模式轉換過(guò)程中，采用雙基準法實(shí)現模式轉換的平滑過(guò)渡和負載遲滯。 同時(shí)，芯片引入片上電流檢測技術(shù)以取代傳統的電阻電流檢測， 在一定程度上減少了功耗。 功率開(kāi)關(guān)和同步整流開(kāi)關(guān)的集成也簡(jiǎn)化了片外應用電路的設計。

　　2 系統設計

　　本文提出的綠色模式降壓型開(kāi)關(guān)電源控制器是一個(gè)恒定頻率工作、峰值電流控制模式的Buck 變換器，輸出電壓經(jīng)由片外分壓電阻反饋調節，功率開(kāi)關(guān)和同步整流開(kāi)關(guān)均由片上集成。 系統原理如圖1 所示。

　　圖1 系統原理圖

　　2. 1 峰值電流PWM控制模式

　　DC2DC 變換器的控制策略主要有電壓型控制和電流型控制兩種。 與電壓型控制相比，電流型控制策略因具有較好的線(xiàn)性調整率和較為簡(jiǎn)單的補償電路等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。

　　作者提出的綠色模式Buck 變換器在重載條件下工作時(shí)，采用峰值電流PWM 控制策略。 通常，根據電感電流檢測方法的不同，電流型控制又可分為平均電流控制、峰值電流控制、模擬電流控制等不同模式，其中峰值電流控制模式因對輸入電壓和輸出負載變化的瞬態(tài)響應快、具有瞬時(shí)峰值電流限流功能等優(yōu)點(diǎn)，應用最為廣泛。

　　峰值電流控制環(huán)路主要由電流環(huán)和電壓環(huán)構成。 控制環(huán)路的工作過(guò)程由圖2 所示。 圖中：

　　V sense = Vin - KIsense （1）

　　式中 V in是輸入電源電壓；V sense 是電流檢測模塊檢測到的電壓信號； Isense是檢測模塊檢測到的與電感電流成比例的信號。 另外，圖2 中的V peak 信號即為受電壓環(huán)控制的預期要達到的與電感電流峰值相對應的電壓信號。