如何更好的设计PWM DC-DC系统？

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在直流电路当中，使用的较多的技术非DC-DC莫属，它能够使电压值的电能转变为另一个电压值电能。电源设计当中的DC-DC变换器模块就是基于这种技术，它能够简化电路的设计，并且缩短产品的研制周期。与PWM结合之后，DC-DC就能更好的对模拟电路进行控制。那么如何能更好的完成PWM DC-DC系统的设计呢？
       
        PWM DC-DC的组成核心电路共分两大部分，分别是ramp/pulse oscillator和error amplifier.ramp/pulse oscillator的难点在于造出一个具有高线性度的ramp waveform，电路虽然不难，但做到最佳却颇具难度。通常为了维持高线性度，大都会额外再加个补偿电路来解决。
       
        而error amplifier，目前有type II和typ III两种补偿架构，而要如何决定type II及typeIII补偿电路中的R及C值就需考量整体DC-DC.
       
        error amplifier看似简单，但是R和C的值却会决定整个DC-DC系统的稳定度与效能。所以，若然不是非常了解整个理论基础，就冒然的定出R、C值是非常不明智的。
       
        在做DC-DC电路前，根据所input voltage、output voltage、Iload范围，用编好的excel来计算出要使用的电感、电容值、type II或者type III补偿R和C值各为多少后，用simplis仿真验证，然后才用spectre来做各个子电路的模拟。不过，用spectre来作模拟所需时间实在很长。
       
        DC-DC电路中，最难的当属PWM的error amplifier，只要R、C值没决定好，整个系统的performance都会受到影响，在不断的调整中才会渐渐理出个头绪出来，要想定出R和C值，真的要熟悉整个PWM的理论架构。
       
        PWM的DC-DC的gm不能过高或者过低，而是要搭配系统来采用type II或者type III的补偿网路、L和C值以及操作频率所计算出来的。因此，gm值是依据系统规格所计算出来的一项规格，而不是随意定出来的值。
       
        对于error amplifier，它的考量点乃在于外部电感、电容、ESR所组成的三阶filter的pole，再配合分压电阻的gain、PWM的gain、error amplifier本身的gain、phase.因此并不是error amplifier的gain够高，phase margin够宽即可。并且要配合整个loop的gain以及phase去算出来，才能够知道error amplifier的gain和phase margin值是多少，尤其是phase margin，PWM的stability决定了error amplifier的phase margin.
       
        除了errr amplifier外，最麻烦的当属protection circuit，在DC-DC电路中用到很多protection circuit，如soft-start circuit、under voltage lock out、current liming circuit、thermal shut-down circuit、over current protection、zero current protection等等，各有不同的保护对象与条件。处理不当就会导致DC-DC系统瘫痪，而且各个protection机制又有优先权的区分，所以这些protection circuit是最麻烦处理的。
       
        目前的系统中绝大部份会有PWM和PFM两种switching regulator.在正常的PWM模式下操作，如果系统是省电模式，则会进入PFM.这是因为PWM和PFM两者在轻/重负载下各有其优缺点，以往的系统几乎都只工作在PWM下。
       
        POWER DEVICE的metal bus width绝大部份都是以average current来估算的，仍要小心避免其transient peak current过大，和流过的时间过长的问题。因为一旦transient peak current的值过大，且维持的时间过久，仍然有可能会把meal给烧断掉。
       
        从核心电路开始，本篇文章对PWM DC-DC系统设计给出了整体的建议，希望大家在阅读过此篇文章之后，能对PWM DC-DC的系统设计有进一步的了解。