PWM芯片及振荡器电路分析_技术

1 概述

随着现代通信设备的迅速发展,特别是微电子技术的发展,伴随着各种电源的发展,各种各样的 PWM型直流变换器集成控制器也不断出现,这使开关稳压电源的元件数量大幅度减少。这不但使开关稳压电源的可靠性提高,而且还能简化开关稳压电源的设计计算,使开关稳压电源更便于生产和维护。

本文针对当今比较流行的一款电源控制器ＰＷＭ芯片进行了分析。

2 工作原理

芯片的原理框图如图1。内部电路主要由10部分组成：振荡器、PWM比较器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障所存器、欠压启动电路、欠压锁定、PWM锁存器和输出驱动器。

2.1 振荡器

芯片工作时，振荡器为电路提供方波，是电路最关键的一部分电路。方波的产生由锯齿波输入比较器得出，锯齿波上升沿的斜率由 R t 和Ct决定，确定R t 和Ct的方法是：首先根据求得的最大占空比Dmax选择Rt Rt，再根据要求的频率以及R t 和Dmax选择Ct。计算公式为
Rt=3V/[（10mA）（1－ Dmax）]
Ct＝1.6×D max/( R t×F) R t 的最佳值应为1Ω到10kΩ；Dmax应小于70%。图2是 R t 和Ct与频率f的关系。

2.2 上升沿封锁

本芯片采用固定频率脉宽调制，两个输出端可同时输出脉冲，输出脉冲的频率与振荡器频率相等，脉冲占空比可在0到100%内调整。两个输出端交替输出脉冲。为了限制最大占空比，在振荡器放电期间，内部时钟脉冲对两路输出进行封锁。在时钟的下降沿，输出端为高电平。输出脉冲的下降沿由脉宽调制比较器，限流比较器和过流比较器联合控制。通常，脉宽调制比较器检测出斜波电压与控制电压的交点，并且在该交点处终止输出脉冲。因为采用了上升沿封锁，在脉冲前沿的一定时间内，脉宽调制比较器不起作用。这样，开关电源的固有噪声就能被有效地控制。同时由于采用了输出脉冲上升沿封锁，脉宽调制器的斜波输入就不需要再经过滤波。上升沿封锁也是用于限流比较器。上升沿封锁之后，如果限流（1LIM）脚的电压超过1Ｖ，输出脉冲就终止。但是，过流比较器不能采用前沿封锁，这样，就不会因为前沿封锁而延长保护时间，从而可以及时捕捉过流故障。在任何时间，只要限流（1LIM）脚的电压超过1.2V，故障闭锁就起作用，从而使输出端变为低电平。

2.3 欠压锁定、软启动以及故障处理

软启动是通过软启动（SOFT　START）脚的外接电容实现的。接通电源后，软启动脚外接电容放电，该脚处于低电平，误差放大器输出低电平，开关电源无输出电压。

启动脚外接电容充电时，误差放大器输出电压逐渐升高，直到闭环调节功能开始工作，开关电源输出电压逐渐升高到额定值。一旦电流（1LIM）脚的电平超过1.2V，故障锁存置位输出脚变为低电平，同时，软启动脚外接电容以250μA的电流放电。在软启动电容放电以后，限流脚电平降到1.2 V以下时，故障锁存器就不再输出脉冲，这时，故障锁存器复位，芯片开始软启动过程。在软启动期间，万一故障锁存器置位，输出会立即终止。但是软启动脚外接电容在充足电之前不会放电。这样，在故障连续出现的情况下，输出就会出现一个间断期。

2.4 电流输出电路

芯片推拉式输出电路的每个输出端都可输出峰值为2A的电流。该输出电流在20ns内可使1000pF电容两端的电压上升15V。采用独立的集电极电源和功率地线脚，能够减小大功率门极驱动噪声对集成电路内模拟电路的干扰。每个输出端（OUT）到集电极电源和地线之间都应加入一只3A的肖特基二极管，该二极管可以将输出电压的幅值钳位在电源电压。这对于任何电感性和电容性负载都有必要。应当指出，该芯片采用的二极管不是一般的二极管，而是肖特基二极管，因为要求二极管的压降很低，大部分3A肖特基二极管均可以满足这一要求。

3 振荡器电路及分析

这部分的具体电路如图3。本电路主要是实现振荡器的功能。振荡器在开始工作时,out2的电压为零，左边是由三个三极管Q6、Q7、Q8组成的恒流源,对其外接电容 Ct充电。此时out2的电位开始上升，out2的电位与Q4的基极的电位进行比较。如果out2的电位高，则Q4截止，out1输出的方波为高电位, 此时Q12管的基极电位也升高到足够让Q12管开始导通,并对 Ct电容开始放电；如果out2的电位低于Q4管的基极电位，则Q4管导通，此时out1输出为低电位，Q12管的基极电位比较低，Q12管截止,不对 Ct放电；Q6、Q7、Q8管组成的恒流源继续对电容 Ct充电,out2的电位继续升高,最终使电位高于Q4基极电位。out1的电位输出为高电平，Q12管导通并截止对 Ct的充放电，使得在out2处产生锯齿波,out1处输出方波。本文使用PSPICE软件对电路进行模拟分析时产生的波形如图4。

本芯片的振荡器设计时使用了很多恒流源，因为恒流源的直流电阻很小，而交流电阻很大，从而使振荡器在工作时，流过主要支路的电流稳定。交流电阻大，可使电流流过电路元件时产生的压降变化很小（电路电流为μA级）。Q17、Q19、 R16、R17在out1输出为高点平时为Q12的基极钳位，使之达到足够高的电位来导通Q12。外接电阻Rt 的大小直接影响Q15集电极电流的大小，从而达到控制Q6、Q7、Q8组成的恒流源对外接电容 Ct充电电流的大小。电流越大，对电容充电的时间越短，产生锯齿波的周期也越短。R11、R 12、R13、R14 电阻都为小值电阻，在版图设计时应该做得极为精确，因为是由它们共同决定Q12发射极的电位。电阻R6、R 15对Q11的基极进行钳位，使Q11管处于永远导通状态，此时的Q13也为导通状态。流过 Q13发射极的电流为在Q12管截止时的Q21、Q18工作提供电流。

4 电路及工作原理

振荡器的电路如图5。它由Q1、Q2组成双阈值比较器，Q1的基极与一个恒流源及外接电容C t相连；Q2的基极Ａ点电位受Q1的截止和导通控制，交替在高、低电平间转换。当Q1截止时，Ａ点为高电平；当Q1导通时，Ａ点为低电平。由Q3、 Q4、Q5组成一个严格对称的精密威尔逊恒流源，其参考电流受５脚外接电阻 Rt控制，其工作过程如下：开始工作时（ t＝０），电容Ct上的电压VC t＝０＝VbQ1＜Vb Q2，从而使Q1截止，Q2、Q3导通，A点电位为高电平，Q4、Q5、Q6截止，恒流源给Ct充电；当VC t升至高电平后，Q1导通，Q2、Q3截止；A电位低电平，Q4、Q5、Ｑ6 导通，Ct通过Q4放电，VC t下降。当VCt下降至低电平时，Q1截止，Q2导通，比较器翻转并如此循环。图5中out3得到的锯齿波和图2中out2振荡器产生的锯齿波相同,图5中out1输出的波形和图 2中out1处产生的方波相同，结果证明设计是可行的。