全新恒压恒流输出升压转换芯片的设计
来源:用户上传
作者:
摘 要：DCDC升压转换器在工业和消费类电子产品中的应用极为广泛。传统的升压转化器只有输入电流限制功能，没有恒流输出功能。为了进一步提升转换器运作性能，保证后端系统的设计简单、参数精准、安全可靠，为其设计全新的恒压恒流输出升压转换芯片，具体采用先进的混合集成电路技术和顶层金属厚铝工艺，增加了输出过压保护和输出短路保护功能。使其具有大驱动电流、高效率、低功耗、安全性高以及系统简单等优点，有效提升DCDC升压转换器运作性能。
关键词：恒流恒压;输出;升压转化;芯片设计
中图分类号 ：TM631 文献标志码：A
0 引言
在现代工业体系中，探测设备的规模、通道数量和探测单元不断增大，這使得前端电子学传输的数据量也在持续增加，有必要进行传输单元的精确控制。DCDC升压转换器具有较强的抗辐照能力，其在工业和消费类电子产品应用较为广泛。目前对于升压转换器的电流输出控制提出了较高要求，如果升压转化器芯片为传统的芯片，则转换器仅具备恒压能力，这使得转化器使用过程中电流变化差异较大，容易造成设备故障。基于此，为了实现升压转化器芯片输出电流的有效控制，设计推出全新的恒压恒流输出升压转换芯片，满足了DCDC升压转换器恒压恒流控制需要。
1 工作原理
1.1 恒压恒流电源电源的工作原理
从本质上讲，恒压恒流电源是一种直流电源，其包含了恒压控制和恒流控制2种状态[1]。基于这2种状态功能需要，其内部单元也包括了恒压控制单元和恒流控制单元。
恒压控制状态，其能在负载发生变化的情况下，通过使得输出电压保持稳定。该状态下，要求输出电流保持在预先设定的恒流值范围之内。从作用状态来看，一旦芯片处于恒压工作状态，则恒流控制单元不发生作用，即处于休止状态。这样，恒流控制单元不会干扰整个系统的电压和电流输出。当负载电阻变小，负载电流与预先设定的恒流值相同时，恒流控制单元会开始工作[2]。
在负载电阻持续减小的状况下，恒流控制单元会开始运作，其能按照预定的恒流值进行输出电流控制，同时让恒流电压按照与负载电阻相同的趋势进行缩小，这样实现了电路电流输出的恒流控制。与恒压控制模式不同的是，在恒流状态下，恒压部件休止不作业。
1.2 全新恒压恒流输出升压转换芯片工作原理
本次设计的恒压恒流输出升压转换芯片，其将传统的恒压直流电源升压器芯片作为基础，然后为其添加恒流控制单元和异常保护输出电路，使得整个芯片系统具备2个反馈回路，实现了电路系统的恒压恒流输出控制。
一个是电压反馈环路，系统的输出电压经过电阻分压后转为FB，在运作中，误差放大器能通过补偿，将基准电压与FB的差值进行放大，此即为EAO。
而在电流反馈环路中，一旦开关Q1打开，则开关电流电阻会采样开关电流，此时位于电阻两端的电流放大器XI5会对开关电流进行放大处理，同时在叠加另一个斜率补偿用的锯齿波后，就会形成一个全新的锯齿波电压，将该锯齿波电压命名为RAMP。比较EAO和RAMP，并对其进行逻辑处理，可产生PWM方波，通过该方波可实现Q1开关时间比例的系统控制，为输出电压、电力大小控制提供支撑[3]。
2 电路设计
传统升压转化器系统不具有恒流功能;在升压转化电路电路中，电流的变化较大。而在全新恒压恒流升压转换器下，通过片外数据和片内测试数据的灵活选择。恒压恒流输出升压转换芯片工作中，一旦处于恒压工作状体，则系统中的电压反馈环节处于工作状态，该模式下，PWM占空比D变大，且Q1具有个更长的导通时间，其能在升高Vout的同时，将其稳定控制在设计值范畴。而当负载电流变大时，EAO也会相应变大，这使得其对于PWM占空比的影响降低，此时，恒压控制状态受到影响，IC进入输入电流限制模式，在该过程中，当VCL与1/（1-D）、Iin与1/（1-D）均呈正比例关系时，整个系统实现了恒流输出控制，如图1所示。
相比于不具备恒流模式的升压转换器，全新的恒压恒流输出升压转换电路多ISP和ISN 2个输出电路采样管脚，这个使得系统结构更加复杂，同时相应的成本的也有所增加，使系统电流的输出控制更加稳定，系统安全性能更加突出[4]，见表1。
3 电路保护
该项目芯片为升压转换器集成了全新的输出电压保护电路、短路保护电路，这使得电路具备异常保护的功能，如图2所示。
在输出电压过压保护过程中，一旦FB电压超过系统设定电压，且达到设定电压的1.1倍，则输出电压保护保护模块会产生过压信号，受该信号作用，位于保护电路内部的开关管会关闭。而在输出短路保护中，如果FB电压达不到设定电压的0.7倍，且检测到电路工作与恒流模式先插1 ms，则系统会输出短路信号，实现电路的短路保护[5]。
此外，当输出电压过压，输出短路时，芯片还会出现温度过高的问题。当出现这一状况时，异常保护模块会输出高电平，从作用机理看，该电平不仅能关闭外置的开关管，而且能实现异常功耗的有效控制，这对于下一级系统的保护具由深刻影响。
4 芯片原理图
该项目芯片原理图如图3所示。相比于传统的恒压输出升压转换芯片，升压转换器实现了升压过程中的恒压恒流控制。其与传统恒压输出升压转换芯片的差异在于2种。1）全新恒压恒流输出升压转化芯片增加了恒流控制单元，就该控制单元来说，确保输出电压与占空比成正，同时为了确保恒流控制的精准性，为其设置精度校准电路，确保了恒流控制的可靠性。2）芯片包含电路异常保护装置，其在电压过高。输出短路和芯片过温3种模式下，都能关闭芯片，并实现高电平输出，确保了系统应用的安全性。此外，通过顶层金属厚铝工艺实现了特殊版图的有效制作，其在电路上做PAD，同时采用类似混凝土框架的办法设计电路版图，这使得线路穿孔增多，芯片面积减小，有效地降低了项目的建设成本。 5 芯片测试与功能实现
加强芯片测试管理对于其恒压恒流控制目标的实现具有较大影响。在该项目设计中，为确保恒流控制目标的实现，为原有系统增加VCL=K/（1-D）模块，在该模块体系下，k表示了比例因子，这使得K/（1-D）变为一个除法电路，这给集成电路的模拟带来较大困难。因此，在实现过程中，需采用数学拟合的方法来进行电路的模拟集成。项目中，占空比D保持在0.6以内，这使得K/（1-D）拟合成K（1+D+2.2D×D）。
在對该芯片进行测试时，对模拟集成电路进行计算，可知1/（1-D） 和（1+D+2.3D×D）的正负误差保持在-4.4%～5.19%。恒流控制单元不仅包含K（1+D+2.3D×D）产生电路，而且涉及精度校准电路。从具体的效果来看，在打开和关闭开关后，电阻电压分别为IR+IR+2.2D×IR和IR，并且在整个运作过程中，PWM信号发生变化，则电阻电压也会随之发生变化。对此，项目设计在后面增加滤波器，该滤波器实现了电压的均分管理。在平均后，系统输出阶段升压电压变为IR（1+D+2.2D×D），从而实现了VCL=K（1+D+2.2D×D）的功能。从精度校准电路系统应用效果来看，其在fuse trimming技术的支撑下，实现了Io精度的系统校正，本恒压恒流升压转换器芯片系统的使Io的精度控制在±10%以内。
6 设计创新
相比于传统的升压转化器系统，该项目所涉及的全新恒压恒流输出升压转换芯片具有以下2点技术优势。1）新芯片体系下，在原系统反馈回路中增加恒流控制单元，该单元不仅满足了芯片恒流恒压控制需要，而且有效地减少了系统外围组件，具有芯片小巧的特点。在制作中，可采用SOT23-6封装。2）原系统缺乏电路异常保护装置，这使得升压转化器系统发生故障的概率较高。譬如，有客户反映，当负载由上电转为去电时，输出的电流会猛然冲高，这会使得芯片烧毁，造成设备短路。而在新芯片体系下，增加电路异常保护功能，在使用中，如果发生短路会电压过高，则芯片会自动处于关闭状态，这使得芯片与负载的联系被切断，有效地保证了芯片的安全性。3）全新的恒压恒流输出升压转换芯片的应用还具有较高的经济性。其中，在PAD制作阶段，其采用顶层金属厚铝工艺，在该工艺体系下，PAD位于电路之上，这使得芯片的面积减小，减小尺寸约为原尺寸的25%，实现了项目建设成本的有效控制。而从实际应用效果来看，其5年内销售额和纯利润分别超过1 000万、300万，有效地实现了升压转换器经济效益和质量效益的有机统一。
7 结论
结合恒压恒流输出升压转换芯片具体设计情况，全新的恒压恒流输出升压转换芯片在升压转换器控制中具有突出功效，其能通过恒压恒流技术的应用，确保转化器应用的安全性、稳定性。在实际设计中，在掌握恒压恒流输出升压转换芯片工作原来的基础上，进行电路系统和芯片系统的系统设计，并在新芯片系统应用中，注重恒流控制技术、技术和顶层金属厚铝工艺的应用，有效地提升恒压恒流输出升压转换芯片的设计质量，为DCDC升压转换器的高质量应用创造有利条件。
参考文献
[1]黄书生.基于单芯片同步整流的LED车灯恒流电路设计[J].通信电源技术，2020，37（2）：87-88，92.
[2]XDPL8221：带通讯功能的LED驱动芯片，智能照明的理想选择[J].世界电子元器件，2019（3）：51.
[3]李林华.一种大功率LED恒流驱动芯片设计研究[J].电子测试，2019（1）：31-32.
[4]范学仕，唐茂洁，曾忠.基于OS-PWM算法的LED驱动芯片设计与实现[J].电子与封装，2018，18（12）：30-36.
[5]马荣廷，柳静，刘明明，等.嵌入式测试系统用高精度数控恒压恒流源[J].单片机与嵌入式系统应用，2018，18（6）：65-68，73.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15319530.htm
