基于PFM升压转换器的微机器人驱动系统的研究

    摘要：在电池供电模式下，采有一种改进的限流PFM升压转换器为微机器人提供驱动电压，既保持了传统PFM的低静态电流，又有很高的转换效率。给出了确定PFM控制器的关键参数及选择外部器件的方法，设计了完整的数模混合电路系统，实现了管道内微机器人的驱动控制。

    关键词：PFM 微机器人 驱动系统

近年来由于核工业、发电、化工等行业对细小管道维护的需要，管道内微机器人的研究成为人们关注的热点。这种管道的直径一般为20～30mm。对于采用有垂直爬坡能力的管道内微机器人，其控制器的设计要求是对电压的幅度、频率、占空比均可调。笔者设计的管道内壁检测微机器人控制器的输入电压为5V，输出电压为-70～+70V，频率为1kHz，占空比为25%（下坡）或75%（爬坡）。设计时要求电路要尽可能小、功耗尽可能低，以便能够采用多芯片封装技术集成到单一芯片上，并直接装载在微机器人上。

根据以上要求，采用MAXIM公司低功耗的基于PFM的DC-DC升压芯片、串行输入DAC、8引脚的MCU以及MOSFET驱动芯片组成数模混合电路。

1 PFM升压转换器的原理

1.1 升压转换器

为了减小体积和重量，微机器人采用电池供电。为保证系统稳定可靠地工作，需要一个稳定的电源电压。简单的三端线性稳压器无法满足要求，只有采用升压型开关稳压器。

升压型DC-DC转换器的电路结构原理如图1所示。开关K接通时电池B给电感L充电，在L中以磁能的形式储存能量，K断开后L中的磁能又以电能的形式释放给滤波电容C2和负载R1。周期性的开关操作使电池能量源源不断的送入负载，而输出电压被转换为：

VOUT=VIN/(1-δ)    （1）

其中，δ为开关占空比。控制电路监测输出电压并控制占空经，从而达到调节和稳定输出直流电压的目的。

1.2 PFM控制器

常见的控制方式有PFM脉冲频率调制和PWM脉冲宽度调制。前者具有较小的静态电压，轻载情况下效率较高，但绞波稍大；后者在重载时具有较高效率，噪声小。而采用改进的限流单稳态时序PFM控制器则同时具有较小的静态电流和重载时较高效率的优点，故采用该种控制器来驱动外部MOSFET。限流单稳态时序PFM控制器原理图如图2所示。它利用一个误差比较器、电流检测放大器、最小关断单稳态和最大开启单稳态作为反馈和控制，消除了传统门电路振荡器引起的时间限制。

由图1、图2可知，当输出电压降低时，误差比较器设置电路开启外部MOSFET（即开关K），通过MOSFET的电流增长向电感L存储能量，当电流检测放大器或最大时间单稳态触发后，MOSFET关闭，输入电流的中断导致电感产生电压尖峰，从而迫使电感的电流通过输出二极管D到输出滤波电容C2和负载。当存储的能量释放时，电流下降，直到二极管关断。通过二极管的电流大时，输出滤波电容存储能量，电流变小时再释放能量，保持稳定的输出电压。

由于电感和峰值开关电流不独立，无法直接计算，一般只能靠多次试验来估计。本文采用由Darryl Phillips提出引入ξ（Xi）的方法，快速地推算关键参数及选择外部器件。ξ（Xi）是时间参数的比值，也就是没有负载时的电流和电路满负载时的电流下降时间之比。单稳态时序PFM控制器最大频率时有最大负载，而这受最小关断时间限制。因此ξ（Xi）由占空比和开启电压以及最小关断时间决定。实际上ξ（Xi）只不过是一个参数，它保证峰值开关电流和电感值的协调，从而达到所希望的输出功率。原算法是基于PFM升压回扫式转换器的，加以改动可用于本系统。

例如在本系统中：输入电压VIN=5V，最大输入电压VIN（MAX）=6V，最小输入电压VIN（MIN）=2.5V，输出电压VOUT=70V，输入电流IOUT=10mA。PFM控制器具有2μs最小关断时间，1.3μs最小开启时间，16μs最大开启时间。

具体计算步骤如下：

①估计最大输入电流

由最小输入电压和输出功率估计最大输入电流为：

IIN,DC(MAX)=[VOUTIOUT(MAX)]/[ηVIN（MIN）]=(70V×10mA)/(0.8×2.5V)=350mA

η是般效率，假设为80%。

②计算点空比

分别计算最大、最小和典型输入电压时的占空比。对于本系统有：

δ（MAX）=[VOUT-Vin(MIN)]/VOUT=(70V-2.5V)/70V=96.4%

δ(TYP)=92.9%, δ(MIN)=91.4%

③计算ξ(AMX)=[TOFF(MIN)δ(MIN)]/[TON(MIN)(1-δ(MIN))=(2μs×0.914)/[1.3μs×(1-0.914)]=16.35

ξ(MIN)=[TOFF(MIN)δ(MAX)]/[TON(MAX)(1-δ(MAX))=(2μs×0.964)/[16μs×(1-0.964)]=3.35

ξ(MIN)描述连续导通模式下电路在最小输入电压时不用控制器的最大开启时间；ξ（MAX）指出控制器何时违背最小开启时间，是检查变压器电感值不太低的预警值。表1是选择ξ（MAX）和ξ（MIN）的参考值。

④选择ξ

ξ选择在ξ(MAX)和ξ(MIN)之间，从表1中查得：

ξ=1.2ξ(MIN)=1.2×3.35=4.02

⑤峰值开关电流

用ξ值为开关电流选择正确的方程式：

IIN，PEAK=2IIN,DC(MAX)[δ(MAX)+ ξ(1-δ(MAX))=776.1mA

⑥选择电感

电感应该为L（MIN）≤L≤L（MAX）；

L（MIN）=[VIN(MAX)TON(MIN)]/(IIN,PEAK)=10.1μH

L（MAX）=[VIN(MIN)TON(MAX)]/(IIN,PAK)=51.5μH

L=[VIN(MIN)TOFF(MIN)]/(IIN