DC-DC电源芯片系统结构设计
采用单片集成控制芯片的DC-DC开关电源转换系统被称为高效节能的电源管理系统。 它代表了直流稳压电源的发展方向，现已成为直流稳压电源市场的主流产品。 其主要特点是功率管工作在开关状态下，功率管不断导通和断断，直流能量间歇性地通过开关管，以磁场能量的形式暂时储存在电感器中，然后经电容滤波，以连续的方式向负载传递能量。 这样，开关电源转换系统利用电感和电容元件的储能特性实现了DC-DC转换。 随着便携式设备在人们日常生活中的日益普及，开关电源转换技术不断进步，电源转换性能大大提高。 系统控制方式已从电压控制方式逐步发展为电流控制方式。 控制芯片的集成度越来越高，单片芯片的集成度已逐步实现。 这些使得开关电源转换系统在性能和结构上都取得了长足的进步。
DC-DC电源转换系统的拓扑结构
DC-DC开关电源转换系统主要由主电路和控制电路两部分组成。 构成主电路的组件包括：输入电源、开关、整流器，以及储能电感器、滤波电容器和负载。 它们完成电能的转换和传输，统称为功率级。 控制电路是控制电源开关的开/关和调节输出电压稳定性的所有电路的集合，其中大部分现在都集成在控制芯片中。 一般情况下，当输入电压和负载在一定范围内变化时，调整开关的通断时间，负载电压可以保持在一个近似恒定的值。 电源开关元件和储能元件可以通过采用不同的配置或不同的连接方式转换为各种不同的输出电压。 开关元件与储能元件的具体配置和连接关系称为开关电源转换系统的拓扑结构。
图1-1 DC-DC开关电源转换系统的基本拓扑结构
在众多电路拓扑中，典型的是降压（如图1-1（a）所示）、升压（如图1-1（b）所示）和反向（如图1-1（c）所示）。 目前，电路应用中的许多复杂拓扑结构都在这三种基本拓扑结构的基础上进行了扩展和优化。
对于采用单片集成控制芯片的DC-DC电源转换系统，图1-1中的开关器件通常采用晶体管实现，有时也集成在控制芯片内部。
反向输出结构通常通过电荷泵实现。 下面将仅分析前两种电路拓扑。
降压开关电源转换系统
降压开关电源转换系统之所以得名，是因为输出电压 vout 小于或等于输入电压 vin。 它的特点是LC滤波器紧跟在功率管或变压器次级侧的输出整流器之后。 工作过程可分为两个阶段。
当开关 S 闭合时，流过电感器 L 的电流 IL 呈线性向上趋势。 忽略 S 上的压降有以下关系：
其中 VIN 和 VOUT 可以被认为是相对稳定的常数，电感器上存储的能量为：
当开关S断开时，电感上的电流不能突然改变，电感电流Il取决于二极管D继续电流。 此时，IL逐渐减小，电感器中存储的一部分能量被释放到负载中。 忽略二极管的导通压降，存在以下关系：
当开关 S 闭合时，电感电流 IL 上升，当 S 关闭时，电感电流 IL 降低，并且周期发生变化。 通过控制电路改变开关的占空比，输出电压可以保持恒定。 这种结构的优点是输出电压的纹波峰峰值比低，输出功率可以很高。
升压开关电源
升压开关电源转换系统具有与降压开关系统相同的组件，只是它们被重新定位。 当开关导通时，电流环路仅由电感器、开关和输入电压源组成，二极管被阻断在相反的方向上。 电感电流呈线性上升，可用以下公式描述：
当开关断开时，二极管立即导通，因为电感器中的电流不会突然改变。 在这种情况下，连接到开关的电感端的电压被输出电压箝位，称为反激电压，其幅值为输出电压减去二极管的正向导通压降。 在开关关断期间，电感器上的电流可表示为：
如果电感器中的磁通量在下一个开关周期之前完全降至零，则称该电路在电流间歇模式下工作。 电压和电流波形如图1-2所示。
图1-2 电感电流不连续模式波形
如果电感器中的磁通量在下一个开关周期之前没有完全下降到零，并且仍然有一些剩磁，则称该电路在连续电流模式下工作。 电压和电流波形如图1-3所示。
图1-3 连续模式电感电流波形
由于升压开关电源转换系统的输出电压高于输入电压的幅值，因此电流连续模式下的电路工作存在固有的不稳定问题。 通常，升压开关电源转换系统仅限于间歇电流操作。 这种类型的转换拓扑使用较少的组件，通常在中小型功率应用中很受欢迎。
在上面的分析过程中，我们可以看到，无论哪种工作方式，它们的基本原理都是能量转换的过程，具体关系可以用以下公式来表示：
其中，ton是每次开关接通的时间，toff是开关关断的时间，eout和esup分别是提供给负载的能量和电源提供的能量。 开关电源通过改变开关导通时间和占空比的比率来改变输出电压。 在实际操作中，负载电压和输入电源电压是可变的，只要适当调整开关导通时间吨与整个占空比的比值，输出电压输出电压输出即可保持。 随着开关电源转换技术的进步，调节开关时间占空比的控制方法不断发展，日趋成熟。
DC-DC开关电源的调制方式
为了将开关电源转换输出电压稳定在设定电压值，系统需要控制芯片对输出信号进行采样，并根据采样信号的分析情况控制开关管的接通和关闭。 调节控制开关管的通断方式称为开关电源转换系统的转换调制方式。 目前主流的调制方式主要有：脉宽调制和脉频调制。 每种调制都有自己的优点和缺点。 设计人员可以根据实际应用需求选择合适的调制模式，也可以将两种方法一起使用，或者对某种调制模式进行一些优化控制，以提升优势，避免劣势。
脉宽调制 （PWM）。
脉宽调制是在一定脉冲频率的条件下调整开关控制的脉宽，从而改变开关控制脉冲的占空比。 基本实现方法是通过内部振荡器产生一个恒频的锯齿波，通过负载端的反馈信号与内部产生的锯齿波进行比较，然后输出一组恒频加宽的方波信号来控制电源开关，根据负载情况实时调整开关的导通时间， 并稳定输出电压。工作波形如图1-4所示。
图1-4 PWM调制方式示意图
该方法的优点是大负载效率高，负载变化跟踪好，噪声频谱恒定，有利于EMC设计。 缺点是当负载较小时，控制电路的工作电流占总工作电流的比例增加，导致系统的转换效率下降。
脉冲频率调制 （PFM）。
脉冲调频是在开关管的控制脉冲宽度恒定时调整控制脉冲的频率。 脉冲频率调制可以通过两种方式实现：
第一种方法是固定芯片内部每个脉冲周期的开孔宽度，并改变调节脉冲频率（即改变脉冲周期的长度）来控制控制脉冲的占空比。 在这种情况下，电感电流会随着输入电压的变化而变化，不利于电感的选择。
二是芯片内部的脉冲宽度不是固定的，而是开关控制脉冲的宽度由电感电流控制来设定的。 在芯片内部，只需将电感电流设置为最大值，即可实时检测开关器件上的电流。 当开关电流达到设定的最大值时，开关设备关闭。 开关关断一定时间（一般为美标电平的时间）后，检测系统的输出电压为vout，输出电压的大小决定了开关器件是否需要再次接通。 这样，如果脉冲宽度导通或开关器件的峰值电流过大，系统的导通损耗就会增加。 如果工作频率过高，会增加系统的开关损耗。 然而，高开关频率可以减小功率器件和储能电感器的尺寸。 因此，应在各个方面对设计进行优化，并且电路比第一种方法稍微复杂一些。
目前，PFM控制方式在开关电源转换系统中应用广泛，具有以下优点：轻载应用情况下转换效率更高; 开关设备可以在非常高的频率下工作; 频率特性较好; 良好的电压调节性能等。 PFM调制模式既可以实现电流控制模式，也可以采用电压控制模式，其工作波形如图1-5所示。
图1-5 脉冲频率调制波形示意图。
混合调制方式
混合调制是指PWM和PFM的混合，脉冲宽度和开关频率不固定，可以相互改变。 它还具有轻载时PFM转换效率较高，重载时PWM模式的优点。 在轻负载时，电路选择脉冲频率调制，并在需要时跳过脉冲。 当负载较重时，电路选择脉宽调制，以在尽可能宽的负载范围内提供高效率。 混合调制方法在理论上有很多优点，但在实际实施时，控制和检测电路的设计比较复杂。
开关电源的反馈控制模式
为了使整个DC-DC开关电源转换系统稳定运行，需要对输出信号进行采样并引入负反馈。 根据反馈采样的类型，开关电源的反馈控制方式可分为电压反馈控制方式和电流反馈控制方式两种。
电压反馈控制方式
电压反馈控制模式的基本原理是对输出电压进行采样，并将其与基准电压进行比较。 分析和判断比较的结果，并决定电源开关的开/关。 图1-6所示为电压反馈控制脉宽调制DC-DC转换系统的功能结构。
图1-6：电压控制模式下的PWM调制DC-DC转换器原理图。
在图1-6中，对系统输出电压（VOUT）进行采样，得到图中的VFB。 将VFB与基准电压VREF进行比较，放大误差得到VE，PWM比较器将VE与固定频率锯齿波（VRAMP）进行比较，以输出一组控制脉冲。 这些脉冲的宽度随误差信号 ve 而变化，它们决定了输出能量的大小。 当负载消耗的能量增加时，脉冲宽度增加; 当负载消耗的能量较少时，输出脉冲宽度减小。 这样可以使输出电压保持相对稳定。 这种电压反馈控制的开关电源转换系统只需要一个电压反馈信号，就可以实现整个电路的负反馈。 整个控制电路中只有一个反馈回路，即单回路控制系统。 然而，电压反馈控制的开关电源转换系统是一个二阶系统，它有两个状态变量，即输出滤波电容上的电压和输出滤波电感中的电流。 由于二阶系统是有条件稳定的系统，因此闭环系统只有在精心设计控制回路并满足一定条件的情况下才能稳定工作。 我们知道，开关电源转换系统的电流必须通过电感器，并且电压信号存在90°的相位延迟。 整个稳压电源系统通过电感上磁通量的变化来适应输入电压和负载变化的要求，并保持输出电压稳定。 这种对输出电压进行采样的方法在调整过程中有一定的滞后性，响应速度慢，稳定性不高，甚至在信号大变化时容易振荡。
图1-7：电压控制模式下PFM调制DC-DC转换器原理图。
图1-7为电压反馈控制脉冲频率调制DC-DC转换系统的功能结构示意图。 输出电压被采样并添加到误差比较器的反相输入端。 当输出电压输出低于某个设定值时，误差比较器输出高电平。 这种高电平允许振荡器的方波输出通过触发器来驱动电源开关。 如果输出电压输出值高于设定值，则误差比较器输出低电平。 这个低电平进入触发器，触发器锁定触发器，振荡器的方波输出无法通过触发器，电源开关关闭。 这样，控制输出信号的脉宽保持不变，但实际上开关周期变长，占空比减小，输出控制稳定。
电流反馈控制方式
由于电压反馈控制DC-DC转换系统存在一些缺点，近十年来电流反馈控制技术得到了很好的发展。 电流反馈控制DC-DC开关转换系统是在传统电压反馈控制转换系统的基础上，增加了电流反馈回路，使其成为双回路控制系统。 这样，电感电流不再是自变量，电感电流的未知参数从DC-DC开关转换器的二阶模型中去除，成为一阶系统。 图1-8为电流反馈控制PWM调制DC-DC转换系统原理图。
图1-8：电流控制模式PWM调制DC-DC转换器原理图。
图1-8中，将电流采样信号VS与误差放大器的输出电平VE进行比较，PWM比较输出和振荡器脉冲信号共同控制功率开关管。 当检测电阻器（RS）上的电流电压达到VE电平时，PWM比较器的输出状态被翻转，功率管被关闭。 整个电路对开关电流脉冲逐一检测和调整，使系统实现稳定的输出。
电流反馈模式下的PFM调制系统与电流控制模式下的PWM系统类似，电路原理图如图1-9所示。
图1-9：电流控制模式下PFM调制DC-DC转换器示意图。
该电路仍由两个反馈环路组成。 一个是通过采样电压监控输出电压的环路，另一个是电源开关的限流环路。 电流控制模式PFM调制系统有其独特的优势。 系统的工作原理表明，它本身就是一个稳定的系统，不需要其他额外的系统稳定措施。 在高电感电流下，内部环路直接强制执行电流限制，从而大大缩短了电源开关的导通时间。 当输出电压较高时，其工作频率会自动变化，系统输出电压调节范围可以很宽。 因此，在轻载或空载的情况下，PFM调制控制芯片具有更低的功耗和更高的转换效率。 其输出电压精度主要取决于内部电压比较器的精度和基准电压源的输出电压特性。
DC-DC功率芯片系统结构设计
DC-DC开关电源转换控制芯片需要高频、高性能、恒流升压DC-DC电源转换系统，主要用于电池供电的便携式电子产品中，以驱动白光LED或类似电流型负载。
芯片系统架构设计思路
现阶段，大多数主流便携式电子产品都是由两块普通电池或一块锂离子电池供电。 因此，对于DC-DC电源转换系统，往往需要适配24v～3.6V 输入电源电压。 为了兼容3V、5V和12V的标准接口电压，DC-DC电源转换系统设计了宽输入电压范围，输出电压根据负载进行调节。 对于电池供电的电路系统，负载通常很轻，以延长电池的使用寿命。 因此，在轻负载下具有更高效率的PFM调制是首选。 而且，PFM调制方式在理论上比较成熟，具有很多优点，在DC-DC开关电源转换系统中得到了广泛的应用。 对于电路的系统设计，PFM调制方法理论上风险较小。
对于系统反馈控制方式，电流反馈控制方式近几十年来发展得比较成熟，与电压反馈控制方式相比具有诸多优势
1）电压调节性好;
2）环路稳定性好，负载响应快;
3）固有的脉冲幅度检测和限流，简化了过载保护和短路保护，大大提高了工作的可靠性;
4）有效降低高频电源开关转换电路的功率损耗，提高开关电源的效率。
综上所述，电流反馈控制方式PFM调制DC-DC电源转换系统可以满足便携式电子产品的实际应用要求。 因此，**设计的DC-DC电源转换控制芯片是基于电流反馈控制模式的PFM升压系统架构。
芯片功能结构框图设计
基于电流反馈控制模式的PFM架构，**设计的芯片功能框图如下：
图1-10 芯片内部功能框图
从图1-10可以看出，除了电流反馈控制升压DC-DC转换的标准模块外，还设计了一系列保护电路，如过温保护、电源欠压保护、输出过压保护、软启动等。 为了实现LED亮度的控制和电源系统的可编程控制，在电路中设计了一套用于输出电流动态控制的电路。 在断电模式下，负载LED与地断开，有效避免了负载产生的漏电流。
芯片外部端口的功能如表1-1所示。 控制引脚CTRL有两个功能，一是控制整个芯片系统的启动和停止; 另一种是PWM模式控制LED开关M2。 如果 CTRL 端口未加载 PWM 信号，则 CTRL 端子是标准使能控制端。 为了严格区分CTRL端口的“启停控制”和“输出电流PWM调制”功能，系统规定CTRL在电路启动前应保持高电平至少500 s。 系统正常工作后，如果 ctrl 电平保持低位超过 32ms，系统将关闭。
表1-1 芯片外接端口功能
系统上电后，使能控制模块输出两组控制信号。 一组基准电流，用于启动偏置模块以建立完整的电路并连接到负载; 另一组用于启动软启动电路模块并复位 RS 锁存器。 当基准电流源被激活时，偏置模块输出一个“使能允许”信号以启动后续电路。 误差比较模块将基准电压VREF与FB进行比较，当FB小于VREF时，设置RS锁存器，开关M1接通。 当M1的导通电流达到设定值（此处设置500mA）时，限流模块复位RS锁存器，M1关断，电路循环工作。 当开关时间达到极限值时，时间控制模块产生相应的动作来保护电路。
CTRL端口可在系统正常工作后加载允许频率范围为100Hz 50kHz的PWM信号，PWM信号控制开关M2的开/关，可以适当调制负载电流。 有效载荷的大小仅与PWM信号的占空比有关，与频率和幅度无关。
电路启动时，容易产生过大的浪涌电流，甚至导致整个系统意外关断。 为此，在芯片中设计了一个软启动控制电路。 软启动电路分两步设置开关电流的允许值。 在电路启动前的一段时间内，开关电流限值会根据这两个设置步骤逐步增加。 这样，开关电流可以平稳过渡，避免过大的电流尖峰。
电池在使用过程中，电压会逐渐降低，这很容易导致电源转换系统的电源电压不足。 整个转换系统电路在电源电压较弱的条件下运行，系统运行的稳定性会变差。 为了保护负载和转换电路的安全，芯片设计有欠压保护电路。 当电源电压小于某个设定值（15V），欠压锁紧模块输出保护信号关闭后续电路，整个电路停止工作。当电源电压恢复到正常值时，电路将重新启动。
在电路运行过程中，温度会随着自身功耗的增加而升高。 如果温度过高，芯片的电气特性会发生变化，甚至影响系统的稳定性。 为了防止工作环境变化的不利影响，系统中设计了过温保护电路。 当温度上升到某个设定点（CMOS电路通常设置为160）时，过热保护电路输出一个逻辑电平，关闭后续模块电路。 当温度降低到另一个设定点时（通常是由于布局热平衡问题，存在滞后裕度，例如150或以下），过温保护电路的输出电平发生变化，电路恢复正常工作。
此外，要求是实现恒流源，电路结构为PFM升压结构。 如果负载意外断开，输出电压可能会急剧上升，从而损坏其他电路。 过压保护模块 （OVP） 旨在防止此类意外情况。 当输出电压大于过压保护阈值时，关闭主开关，直到输出电压回到过压保护阈值以下，系统恢复正常。