（无线电物理专业论文）单片开关电源管理ic的设计.pdf

摘要 单片开关电源管理集成电路具有高集成度、高性价比、简单外围电路、和性 能指标高等优点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源，目前己成为人 们开发中、小功率开关电源、精密开关电源、专用开关电源以及丌关电源模块的 优选集成电路，使得开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。 本文工作是设计了一款采用0 6 u m b c d 工艺的开关电源控制芯片。该芯片可 外接电容电阻，用于设置符合实际应用( 1 0 k 2 0 0 k ) 需要的振荡频率，并且当 空载时，能够自动减小工作频率，以达到最小的空载损耗。为了减小芯片的工作 损耗提高效率，本芯片有一内置谷值状态判断电路，使得功率管的导通损耗达到 最小。该芯片还具有欠压、过压、过温等保护功能。配以简单的外部元件即能构 成完整的开关电源。 本论文首先介绍开关电源的基本工作原理，分析其不同的拓扑、控制方式的 优缺点和提高效率的基本方法。然后，根据实际应用的需求，给出该控制芯片的 实现方案，并进行了电路的总体设计。为了与市场上主流的开关电源控制芯片 性能比较，本文采用0 6 u m 的工艺模型在h s p i c e 工具上对各子电路模块及整体 电路进行了功能和性能仿真，结果表明我们所设计的各项性能达到或优于其芯片 的指标论文最后还对该芯片的版图给出一些具体的设计分析和尝试。 关键词：单片开关电源，p w m 控制，集成电路设计 a b s r r r a c t s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n tm o n o l i t h i ch a sm a n y v i r t u e ss u c ha sh i g h i n t e g r a t i o nl e v e l ，m o s tc o s te f f e c t i v e ，l o w e s tc o m p o n e n tc o u n ts w i t c h e rs o l u t i o n ，a n d h i g hp e r f o r m a n c e i t sb e i n gu s e dc a nf o r mhj 【g he f f i c i e n c yi n s u l a t e ds w i t c h i n gp o w e r s u p p l yw i t h o u tu s i n gu t i l i t yp o w e rt r a n s f o r m e r t h es w i t c h i n gp o w e ri ci s s e l e c t e d f i r s t l yi nt h ed e s i g no fh i g hp o w e rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , p r e c i s i o ns w i t c h i n gp o w e r s u p p l y , a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n ds oo n ，w h i c hh a sb e e n m a k i n gs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys h o r t ，s m a l l ，l i g h ta n d t h i n i nt h i sp a p e r , t h et a s ki st od e s i g nam a n a g e m e n ti cw i t ho 6 u mb c dp r o c e s s t h e r ei sao s c i l l a t o rc i r c u i ti nt h i sm a n a g e m e n ti c ，w h i c hc a nb es e ti t sf r e q u e n c yb yae x t r a r e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c e i ta l s oc a nr e d u c ei t sf r e q u e n c yw h e nt h ec i r c u i ti su n l o a d e dt oc u t d o w nt h el o s s t h ev a l l e y - d e t e c t i o nc i r c u i ti ss e tt oc u td o w nt h el o s s ，a n di m p r o v ee f f i c i e n c y t h e c h i pa l s oh a sp r o t e c t i o nf i m c t i o n ss u c ha su v l o ，t s da n do v l o t h eo u t p u t c u r r e n ti s a d j u s t a b l es i m p l yb yc h a n g i n gt h eo u t e rs e n s er e s i s t o rt o om e e tc u s t o m e r s r e q u i r e m e n t s d u r i n gc i r c u i tr e s e a r c h , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fs w i t c h i n gr e g u l a t o ri si n 订o d u c e da tf i r s t t h e n ， t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tt o p o l o g y , c o n t r o la n dw o r k i n gm o d ea r eg i v e ni nt h et h e s i s w i t ht h ec o m p a r i s o n ，w ec a l lu n d e r s t a n dt h em e r i t sa n dd r a w b a c k so f t h e s em o d e si no r d e rt ou s e t h e mf r e e l y t h e nt h ew h o l es t r u c t u r ew a sg i v e ni nt h i sp a p e gi no r d e rt oc o m p a r et h i sd e s i g nt o t h ec o n t r o li cw h i c hh a db e e nu s e dw i d e l ya tp r e s e n t ，t h ea u t h o rs i m u l a t e da l ls u b c i r c u i t sa n dt h e w h o l ec h i pc i r c u i tu s i n ge d at o o l sh s p i c ea n dt h e0 6 u mb c dp r o c e s s , i t ss i m u l a t i o nr e s u l t i sa c h i e v e dt h ee x p e c t a t i o n ，a n dm o s to ft h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c si sa c h i e v i n go re x c e e d i n g c o m p a r e dt ot h ei cb r o a da p p l i e d f i n a l l yt h ea u t h o ra l s og i v e ss o m el a y o u td e s i g na n a l y z i n g k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，p w i v lc o n t r o l ，i cd e s i g n 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：裔毒团 弦茹年6 只勿日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 日期：二驴d 乡年月i o 目 渺期少矿饵钥阳 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 稳定可靠的直流电源是目前大部分电子产品和家用电器安全工作的保障，是 一切电子设备的心脏，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可 靠地工作。而目前人们日常生活所需的电能多来自市交流电网，因此，使交流电 变成稳定直流电的稳压电源一直是人们关心和研究的对象。它广泛地应用于科学 研究、经济建设、国防设施及日常生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基 础，它与国民经济各个部门紧密相关，在工农业生产中应用广泛。 从稳压电源的工作方式上看，有线性稳压电源和开关稳压电源两种 1 】。直 流稳压电源分线性电源和开关电源。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其 稳压性好，输出纹波电压很小，但它必须使用工频变压器与电网进行隔离，并且 调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低。开关稳压电源( 简 称开关电源) 主要是利用功率器件的开关交流工作原理，关键元器件工作在高频 开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达8 0 一9 0 ，比普通线性稳压电源 效率提高近一倍睢1 。并且由于开关频率高( 几十至几百千赫兹) ，去掉了工频变 压器和低频滤波电感，减小整机体积和重量、提高了工作效率，使之与线性稳压 电源相比具有效率高、重量轻、稳压范围宽等优点【3 1 。因此，近几年市面上 的开关电源已经逐步替代了传统的线性调节稳压电源成为稳压电源的主流产 品。 1 2 开关电源的发展 最早的开关电源是串联型开关电源，它出现在6 0 年代，其主电路拓扑与线 性电源相仿，但功率晶体管于开关状态，后来由于脉宽调制( p w m ) 控制技术有了 一定的发展，用以控制开关变换器，得到p i l l 开关电源，当时的p 删开关电源效 率可达6 5 一7 0 ，而线性电源的效率只有3 0 一4 0 。1 9 7 4 年研制成了工作频率 达到2 0 k h z 的开关电源 4 1 ，在发生世界性能源危机的年代，用工作频率为2 0 k h z 的p w m 开关电源替代，可大幅度节约能源，引起了人们的广泛关注。开创了电源 单片开关电源管理i c 的设计 历史上一个崭新的里程碑，在电源技术发展史上誉为2 0 k h z 革命。1 9 7 6 年，美 国硅通用公司首次生产出世界第一片集成脉宽调制器，使开关电源的控制器得到 简化，系统的可靠性也大为增强。 开关电源的抗干扰技术及防止电网污染技术己引起国内外专家的注意。在 2 1 世纪，分布式电源系统的组成将强调“系统集成”、“电力电子封装技术”等【5 1 。 现在新的器件( 能低压工作、压降很小) 陆续进入市场，因而可得到1 v 的低压输 出功率小到1 0 毫瓦的开关电源、功率密度达5 - 6 w c m 3 ，为便携装置微型化提 供了条件i “。现在可以采用软开关、p w m 技术、印刷电路、折叠绕组变压器， 可以采用非晶、纳米晶合金软磁材料的铁芯，小功率开关电源整机效率可达到 9 0 ，大功率电源可达到9 5 左右。开关频率以i o k h z 为下限，几十、几百倍的 提高。体积设备、重量越来越显著下降。 九十年代以来，美国、德国等西方国家新建电厂和变电站己全部采用高频开 关电源，此外还采用了有效的均流技术和软开关技术f 7 _ 8 1 。现在开关电源的工 作频率已经达到了i o o m h z 以上，功率密度已超过了1 0 0 w 立方英寸，满负荷效 率大于9 0 。开关电源已经逐渐被广泛应用于生产生活的各个领域。 1 3 开关电源的技术现状 开关电源由主电路与控制电路两大部分组成，主电路的能量传递给负载电 路，控制电路则按照输入输出条件控制主电路工作状态，将控制电路集成化即成 为开关电源管理i c 。 i c 产品在功率电子中的应用可以简单分为两类。第一类为分立器件，包括 晶体管、大功率双极型晶体管、d m o s 和现在更常用的l d m o s ，i g b t ，m c t 等。这 些器件具有功率容量大、能量损耗低、开关速度快等特点，适用于电力电子装置， 得到了大量应用。关于性能更优的分立器件一直是研究的对象，也将进一步提高 整机系统的性能。但这种器件需要采用与集成电路不同的纵向工艺和较厚的外延 层来达到耐压要求，同时大功率器件的面积很大。 另一类得到广泛应用的产品是功率集成电路( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ， p i c ) 。它一般包含低压逻辑部分和高压功率部分，还设计有必要的各种过热过 第一章绪论 流等保护电路。八十年代，新型功率m o s 器件和以其为基础的智能功率集成电路 ( s m a r tp o w e ri c ，s p i c ) 随着微电子技术的进步而迅速发展起来。它们融功率半 导体、信息电子学、超大规模集成电路、电机学和计算机辅助设计为一体，成为 未来工业自动化、汽车制造业、航空航天技术和其它高新技术工业的基础产业。 特别是s p i c 在目前微电子走向系统集成的情况下起着越来越重要的作用，有专 家甚至称s p i c 的发展将会引发第二次电子革命 9 - 1 0 。 在开关电源中，为了实现功率调节、远程控制等功能，以及减小体积、减轻 重量，功率集成电路得到广泛应用和快速发展。采用了这种集成电路来调节和控 制的开关电源，不但外部电路简单，元件数目少，而且可以和微处理器直接接口 或通过局域网( l a n ) 来实现编程或控制功能，是目前7 5 w 以下高效率、多功能开 关电源的最佳解决方案 1 l - 1 2 1 。 1 4关键技术问题 随着开关电源的进一步发展，如何减小损耗，提高转换效率，是近年来开关 电源的研究重点 1 3 - 1 6 1 。开关电源的损耗主要有2 部分组成；功率开关管的损耗 和高频变压器的损耗。高频变压器的损耗可以采用更加低耗的磁芯来解决。对于 如何减小功率开关管的损耗( 即开关损耗) ，才是在设计开关电源集成控制芯片 的研究重点。而开关损耗是由片内电容损耗及功率开关管的开关交叠损耗2 部分 构成。 电容损耗是指因存储在功率管输出电容和高频变压器分布电容上的电能，在 每个开关周期开始时被泄放掉而产生的损耗。对于这部分的损耗，目前市场上有 的解决方案主要有两种”1 ：一种是准谐振式的控制方式，如i r 公司的i r i s 4 0 x x 系列、意法半导体的l 6 5 6 5 等。正如这些公司宣传的那样，在传统的反激式变换 器当中加入准谐振技术，可以实现开关管的接近于零电压开通，从而提高了效率、 减少了e m i 噪声等优点。因此，准谐振反激式变换器在低功率场合具有广阔的应 用前景。但是，出于这种变换器的工作频率会随着输入电压及负载的变化而有较 大的变化，这就给设计工作( 特别是变压器的设计) 造成很大的困难，如果没有解 决好变压器的损耗问题，其整体开关电源应用方案并不一定能够减小损耗，反而 单片开关电源管理i c 的设计 有增大的危险。另外一种解决方案是加入谷值状态判断电路。如飞利浦的 t e a l 5 2 x 系列、安森美的n c p l 2 0 7 等。这种解决办法是不改变传统的p _ l v m 控制方 式的工作方法，而是增加一个谷值状态判断电路，使得电容电压在达到最小时才 触发关断信号，从而既可以实现开关管的接近零电压开通，从而提高了效率、减 少了e m i 噪声，同时又保留了反激式变换器所固有的成本低廉、结构简单、易于 实现多路输出等优点。 交叠损耗则是出于功率开关管存在开关时间而产生的。在功率开关管的通 断过程中，有效的电压和电流同时加到功率开关管的时间很短，而功率开关管的 交叠时间较长，这就造成功率损耗。解决这个问题，目前也有两种方案 i s l 。一 个是跳过周期的控制方法，如t o ps w i t c h f x 系列、t i n ys w i t c h 等控制芯片。 它的控制原理是：在满载时开关功率管在绝大部分时钟周期内都导通，轻载时则 要跳过绝大部分时钟周期，仅在小部分周期内导通，中等负载时，仅跳过一部分 时钟周期。在工作时跳过的时钟周期数越多，功率管输出的开关电压频率越低， 开关损耗就会随着减小。但是这种解决方法的缺点是电路的实现较为复杂，对 负载的判断不能够太高精确，并且其开关频率的变化也比较大，同样对变压器的 要求较高。另一种方法时，只是在低载时才改变频率变化。如t o ps w i t c h g x 系列等控制芯片。因为在满载或者是中载的情况下这种损耗并不会太大，而轻载 时比较明显，所以这种解决方法是把振荡器设计成双段式，在一般负载情况下， 工作于同一频率，而在轻载( 反馈电压小于某个值) 时，使振荡器的振荡频率下 降一定的数值，以此来达到降低损耗的效果，而没有跳过周期对变压器的要求高。 目前p w m 类型的控制i c 一般采用b i p o l a r 工艺、b i c m o s 工艺或b c d 工艺来 实现【1 9 2 ”。采用b i p o l a r 工艺是由于双极型晶体管的跨导较大，速度快：而 b i c m o s 工艺同时利用c m o s 器件静态功耗低和双极型器件速度快的特点，可以得 到更低豹功率损耗和较快的速度，但工艺稍繁琐。如果在i c 中集成高压功率器 件，则工艺一般选用的是b c d 工艺，它包涵了b i c m o s 的优点，并可以在i c 中做 出具有高耐压性能的功率管，在目前的开关电源控制i c 中应用也相当广泛。 第一章绪论 1 5 本文的工作 因为开关电源的优点，它得到了广泛的应用，而设计好一个开关电源的最基 本要求是设计好开关电源的核心控制i c ，由对不同降低功耗提高效率的解决方 法的对比，本文采用b c d 工艺，设计一种工作在p w m 工作方式下具有谷值判断电 路和轻载低频的单片式开关电源控制集成电路，它仅需要较少的外部元件即能构 成完整的丌关电源，具有较好的实用性。 本文共分为七章，除本章外，第二章介绍了丌关电源的工作原理，从实际应 用出发，对如何选择拓扑方式、控制方式进行了介绍，并从本芯片设计的重点出 发，分析了提高开关电源转化器功率因素的几中关键技术，并对选用的谷值状态 判断技术和轻载低频技术进行理论分析：第三章给出本芯片的设计要求，根据要 求设计集成控制芯片的总体框图，并分析它的基本工作原理；第四章主要是对集 成控制芯片的电路设计，分部分对电路设计仿真进行阐述；第五章对设计的整个 电路进行整体分析与仿真，并把我们设计的控制芯片和目前市场上的主流芯片的 参数进行对比。接着在第六章主要说明工艺的选择和版图设计要点，对该芯片的 版图给出一些具体的设计分析和尝试；最后在第七章对本论文的工作进行了总结 和展望。 单片开关电源管理i c 的设计 第二章开关电源的工作原理 开关电源控制的主要目的就是要保持输出电压一定，而负载电流可以有很 大的变化范围，这就要通过负反馈来达到这个目的。所有的电源控制器，无论线 性电源还是开关电源，都要检测输出电压。反馈电压输入到称之为电压误差放大 器的高增益运算放大器的反向端，参考电压输入到运算放大器的同向端，运算放 大器输出的就是参考电压和输出电压的差值。运算放大器把这误差值放大后，这 个输出电压称为误差电压，用误差电压信号来控制电源供给负载的能量。该值高 于标准值，说明输出电压太低，电源要输出更多的能量。反之如果低于标准值， 就说明输出电压太高，要减小输出的能量。这是所有的开关电源的基本工作方式。 但是在不同的场合，不同要求，开关电源的种类非常繁多，但基本上可以从拓补 方式，控制模式两个方面来综合考虑，最终选取合适的开关电源工作芯片，本章 就从这两个方面出发，对各个种类进行介绍，并结合实际选择我们所需要的控制 方案。并针对如何降低功耗，提高功率因素的关键技术原理进行分析和电路原理 设计。 2 1 拓扑方式 2 1 1 拓扑的分类 高频变压器的开关电源结构的共同特点是具有高频变压器、直流稳压是从变 压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原次级是隔离的，或是部分 隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。 图2 - 1 开关电源的基本结构 目前，用高频变压器的变换电路按其拓扑结构分可分为基本的四类，每类传 第二章开关电源的工作琢理 输的功率各不相同，应用环境也不相同，如下表所示 表2 - 1 拓扑结构的应用环境 电路类型传输功率应用环境 单端反激式变换器 2 0 1 0 0 w小型仪器、仪表，家用电器等电源， 自动化设备中的控制电源 单端正激式变换器 5 0 2 0 0 w小型仪器、仪表，家用电器等电源， 自动化设备中的控制电源 推挽式变换器1 0 0 5 0 0 w控制设备，计算机等电源 桥式变换器1 0 0 5 0 0 0 w焊机，超声电源，计算机电源等 ( 1 ) 单端反激式开关电源 单端反激式开关电源的典型电路如图2 2 所示。电路中所谓的单端是指高频 变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧 2 2 1 。所谓的反激，是指当开关管v t 导 通时，高频变压器t 初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管v d 处于截 止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管 v t 截止时，变压器t 副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过 v d 整流和电容c 。滤波后向负载输出。 图2 2 单端反激式开关电源原理图 单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离能 单片开关电源管理l c 的设计 方便的实现多路输出，开关管驱动简单，可通过改变高频变压器的原、副边绕组 匝比使占空比保持在最佳范围内，且有较好的电压调整率。其输出功率为2 0 l o o w 。它也有其一定的缺点，如开关管截止期间所受反向电压较高，导通期间流 过开关管的峰值电流较大。但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件， 在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。单端反激式开关电源使用的开关管 v t 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在l o 2 0 0 k h z 之 间。 ( 2 ) 单端正激式开关电源 单端正激式开关电源的典型电路如图2 - 3 所示【2 3 1 。这种电路在形式上与单 端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管v t 导通时，v d 2 也导通，这时 电网向负载传送能量，滤波电感l 储存能量；当开关管v t 截止时，电感l 通 过续流二极管v d 3 继续向负载释放能量。 图2 - 3 单端正激式开关电源原理图 在电路中还设有钳位线圈与二极管v d 2 ，它可以将开关管v t l 的最高电压 限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等， 所以电路中脉冲的占空比不能大于5 0 。由于这种电路在开关管v t 导通时，通 过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围比反激式大，可输出5 0 2 0 0 w 的 功率。但电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，因此这种电路的实际应用较 少。 ( 3 ) 推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如图2 4 所示。它属于双端式变换电路，高频 第二章开关电源的t 作原理 变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管v t l 和v t 2 ，两个 开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器t 次级绕组得 到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管 容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压，相对单端反激式 开关电源，它的外接元件较多，其应用电路的体积也较大。但是它能提供的电路 的输出功率较大，一般在1 0 0 5 0 0 w 范围内。所以如果是工业上；有大功率需求 的电路也可以用此电路。 图2 4 推挽式开关电源原理图 u o ( 4 ) 桥式变换器开关电源 桥式变换器开关电源的典型电路如图2 5 所示。全桥变换器拓扑是由基本的 b u c k 变换电路演变而来，因此又称为全桥b u c k 变换器【2 4 】，全桥电路的基本原 理是：直流电压吃经过啊哪喝嘎组成的全桥开关变换，在变压器的原 边得到交流方波电压，该电压经过变压器的电压变换得到交流方波电压，再经过 输出整流管将其整成直流方波，三，和c 。组成输出滤波器将这个直流方波电压 中的高频分量滤波，在输出端得到平滑的直流电压，可以通过调节占空比来调节 输出电压。这种电路的优点是可以提供比推挽式更大的功率输出，主要缺点是： 需要功率元件较多，功率损耗较大；易发生桥臂直流短路及变压器原边偏磁饱和， 其可靠性难以保证。 单片开关电源管理i c 的设计 图2 5 桥式变换器开关电源原理图 u 0 2 1 2 拓补方式的选择 由2 i 1 的介绍我们可以发现，如果在较低功率的应用场合中，单端反激式 开关电源的应用范围是最广泛的，因此我们在设计开关电源集成控制芯片的过程 中，着重考虑在采用的单端反激式开关电源工作情况下的具体问题，为了更好的 了解单端反激式开关电源的：【作过程，以下我门对开关电源的工作原理，进行理 论上的分析，为我们设计集成控制芯片的控制机制提供一个理论基础。 基本开关电源原理如图2 - 2 所示，其中的开关v t 的导通状态受控制i c 的驱动， 在v t 的导通期间，经过初级电感的电流增加，电感0 则存储能量，其电流 大小为： ( 乇。) = 号巫乞。+ 。i 。= 。( 2 1 ) l p 其中：表示输入电压，o 指导通时间，i v 。表示最小电流，。表示电感达到 的最大的电流。 其两端的自感应电动势极性为上正下负，使得感应到次级线圈厶的自感应 电动势的极性为上负下正，从而使得次级的整流二极管v d 截止。 当开关v t 截止期间，线圈，的电流急剧下降为0 。，从而使得l ，两端自感应 电动势的极性变为上负下正，感应到次级厶的电动势极性也立即翻转，从而使 得二极管v d 由截止变为导通，通过它的电流 大小为： 獬，= 瓮c 等乞n + e m i n ，一簪 z ， 0 第二章开关电源的t 作原理 理想情况下，电路最小电流p 。= o ， 即：之( 五) = n p i _ u l _ _ t ，= 0 ( 2 3 ) 其中：。表示变压器的初级电感匝数，m 指变压器次级电感匝数。 此后l 通过导通的v d 对电容c 0 充电，电流逐渐减小，若当l 趋于0 时，经过 时间t ：。为： 2 麓等。每屯。2 瓦n p 寺瓷2 瓦n 2 ，瓷。c z 圳 所以输出电压u 0 则为： 砜2 麓。警号2 等去c z 咱， 即如果变压器的固定线圈比确定，输出电压增益正比于开关功率管的通断时 间比，也就是诈比于驱动功率管的驱动信号占卒比。 2 2 控制模式 2 2 1 控制模式的分类 开关电源的控制模式，大致有以下三种： ( 1 ) 脉宽调制方式，简称脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 式。其特点式固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期也是 固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。其特点是受功率开关最小导通时间的 限制，对输出电源不能做宽范围的调节：另外输出端一般要接假负载，以防止空 载时输出高电压。目前，集成开关电源大多采用p 删方式【2 5 1 。 ( 2 ) 脉冲频率调制方式，简称脉频调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ， 缩写为p f m ) 式【2 6 1 。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。 在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用 电压频率转换器( 例如压控振荡器v c o ) 改变频率。其稳压原理是：当输出电压 v o 升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，v 0 降 单片开关电源管理i c 的设计 低。p f m 式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。 ( 3 ) 混合调制方式，使指脉冲宽度与脉冲频率均不固定，彼此都能改变的 方式，它属于p w m 和p f m 的混合方式。由于0 和t 均可调节，因此占空比 调节范围最宽，适合供实验室使用的输出电压可以宽度范围调节的开关电源 【2 7 1 。 2 2 2 控制模式的选择 目前大部分的集成开关电源大多采用脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 式。其特点是固定开关频率，通过改变脉冲 宽度来调节占空比。因开关周期是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。其 缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能做宽范围调节。相对 与p w m 调制，p f m 这种变换器的工作频率会随着输入电压及负载的变化而有较大 的变化，这就给设计工作( 特别是变压器的设计) 造成很大的困难，如果没有解决 好变压器的损耗问题，其整体开关电源应用方案并不一定能够减小损耗，反而有 增大的危险。因此目前，大多采用p _ | v m 类型的调制方式。 脉宽调制的基本原理是：d c d c 变换电路是通过控制开关器件的导通和关断 时问，将一个输入的不稳定直流电压转换成另一个输出稳定的直流电压。图2 - 6 为脉宽调制式开关电源基本原理图，可以看出控制信号是由反馈的实际电压和期 望值通过差分放大得到，然后和锯齿波信g - t ：l ：较，当p 乙。高于锯齿波时，开关 器件导通，当。低于锯齿波信号时，开关器件关断，由此得到开关器件实际 工作的驱动信号。如果定义开关器件开通时间占整个周期的比值为d ： d = 立= l ( 2 - 6 ) 瓦o + o 在公式中，0 为器件导通时间，o 为器件关断时间，五为周期，。为 反馈的实际电平经过放大后的电平，它反应了输出信号高于或低于期望值的信 息。一般锯齿波信号工作频率为几十到几百k h z ，但。，变化频率比较低，一 般为几k h z 。图2 7 为p w m 比较器工作波形图。 第二章开关电源的工作原理 _ c + i x ； 图2 - 5p w m 控制模式的基本电路框图 图2 7p w m 比较器工作波形图 当输出外部电压较高时，反馈信号也升高，由于它接入运算放大器的反相 输入端，所以k 。，电平下降，通过和锯齿波比较后得到开关器件的导通时间0 减小，即d 减小，输出电流减少，使输出电压降低；同理，当输出电压低于期 望值时，该电路能使开关器件导通时间增加，来使输出电压升高。 2 3 提高功率因素的关键技术 在确定了拓补方式和控制方式后，整个开关电源设计的核心就是如何设计一 个优秀的开关电源管理集成芯片。而判断一个开关电源集成控制芯片的优劣，不 同的出发点和应用范围有不同的要求【2 8 1 。比如用在通讯电源的情况下，就要求 要有较好的抗干扰信号的性能，能够组成较低的纹波系数的电源方案；用在工业 釜+ 器压 变频高叱|+ 单片开关电源管理l c 的设计 上的电源，就要求要有在恶劣的自然环境下工作的能力，抗高温，有较强的负载 能力；用在家用电器的电源中，就要求需要有能较好的安全性能，较好的过温过 流保护措施等等。但对所有的开关电源集成控制芯片的设计，都有一个共同的目 标，那就是如何能够减小损耗提高效率，从而提高电路的功率因素。 对于一个开关电路，其功率管工作在丌关状态，为了提高功率因素，在设计 开关电源集成控制芯片时，主要是要考虑如何减小功率开关管的片内电容损耗及 功率开关管的开关交叠损耗。下面我们就本文就所采用的两个降低功耗，提高功 率因素的关键技术进行介绍。 2 3 1 谷值状态判断技术 如第一章所述，在降低功耗方面，如果采用准谐振的变换器，虽然理论上可 以使得电路达到零电压或是零电流的理想工作状态下使功率管导通。但是芯片的 工作频率会随着输入电压及负载的变化而有较大的变化，这就给设计工作( 特别 是变压器的设计) 造成较大的困难，如果没有解决好变压器的损耗问题，其整体 开关电源应用方案损耗情况并不能够得到彻底地解决。因此在一般通用的开关电 源集成控制芯片中，采用加入谷值状态判断电路的办法会更加合适。它的主要工 作原理如下分析： 在类似我们设计的工作在非连续导通工作方式的芯片中，功率管由截止状态 变为导通状态的一个必要条件就是要等待变压器的磁能降到一定的数值后，才发 出允许振荡电路工作信号。在等待退磁到开关管导通的这段时间里面，由于功率 管漏极节点上的初级自感记为三。，和寄生电容记为c 。在漏极端必然会产生起 伏的电压特性。这个波形的频率由下面的公式表征： ，一l 广2 丌厄巧 对于一个工作在开关状态的功率管，在导通期间，储存在电容中的能量为： 肜= 三q ( 2 - 8 ) 而这部份的能量在由导通变为关断的时候，是损耗掉的，因此由它产生的功 率损耗为： p = 圭q ， ( 2 9 ) 1 4 第二章开关电源的工作原理 所以如果能够使得功率管在它的漏极电压p j 。达到最小值的时候，彳让功 率管关闭，那么它的导通损耗就能达到最小值，使得转换器的效率达到最大。因 此此设计采用了一个谷值判断电路，在漏极的振铃电压达到谷值时，产生一个谷 值开关正脉冲信号，来令功率m o s 管截止。其工作的波形电路如图2 8 所示： 雹q 二一二 掣犟 i 输卅 ： 嚣r c ：兰兰三兰二生二筵。 图2 8 电路工作波形原理示意图 如果没有增加谷值判断电路，那么功率管将在b 时刻电导通，此时的功率管 漏极电压明显比在a 时刻的漏极电压高。由此我们可以达到减低电容损耗的作 用。 2 3 2 轻载低频控制技术 降低功耗的另一个手段，是利用开关电源集成控制芯片在负载不同时，它的 功率损耗也不一样。功率损耗与负载、频率的关系入图2 - 9 所示【2 9 1 。 图2 - 9 损耗与负载关系图 单片开关电源管理i c 的设计 如果开关电源工作的频率一定时，其损耗主要是损失在轻载或是空载时。因 此要减小功率损耗提高功率因素，可以设计成：当负载减小时，逐渐降低芯片的 工作频率，从而达到减小损耗的结果。目前一些市场上的芯片采用跳过周期的控 制方式来达到提高功率因素的效果，它的控制原理是：在满载时开关功率管在绝 大部分时钟周期内都导通，轻载时则要跳过大部分时钟周期，仅在小部分周期内 导通，中等负载时，仅跳过一部分时钟周期。在工作时跳过的时钟周期数越多， 功率管输出的开关电压频率越低，开关损耗就会随着减小。但是这种解决方法的 缺点是，电路的实现较为复杂，对负载的判断不可能达到太高精确度，并且其开 关频率的变化也比较大，同样对变压器的要求较高，会增加由控制芯片组成电源 供电方案的设计难度。因此本文采用的是在低频时减低频率的方法，因为在满载 或者是中载的情况下开关管地损耗并不会太大，而轻载时比较明显，所以这种解 决方法是把振荡器设计成双段式如图2 1 0 所示1 3 0 j 。 h ：常【作状恋 一f 图2 一l o 轻载低频的工作示意图 在一般负载情况下，电路工作于同一频率：而在轻载( 反馈电压小于某个值) 时，使振荡器的振荡频率下降一定的数值，以此来达到降低损耗的效果，这种解 决方案对变压器的要求不必像跳过周期那么高。 2 4 本章小结 本章从实际应用出发，选定了所设计的开关电源控制芯片的方案和降低功耗 提高功率因素的基本技术。 1 6 第二章开关电源的t 作原理 第一节主要是针对对开关电源的不同的拓补方式进行阐述、对比，最后选定 适合低功耗设计的单端反激式拓补方式；第二节从控制模式入手，也介绍了不同 的控制模式的特点，最后处于实际应用的考量，我们采用p ! i t 控制模式进行芯片 设计；第三节我们针对为了降低功耗提高功率因素而采用的谷值判断电路和低载 低频技术进行了原理分析。如何减小功耗，提高转化效率，从而提高开关电源转 化器的功率因素，是我们在设计芯片时考虑的重点，本章对比目前市场上的主要 技术，选定了两种提高功率因素的方法，并在后面的章节中可以验证，取得了比 较好的效果。 选择不同的设计方案，就要求调节电路不同的工作周期，控制脉冲的占空 比以及降低功率管的功耗，这些功能正是控$ , l i c 内部集成的电路来实现的。因此 一个开关电源电路的设计重心在控$ i j i c 的设计上。而可调的工作频率，稳定的输 出电压，以及工作安全，取决于控制模块内部电路的功能和性能。下一章，我们 对所设计的控制模块整体电路框图和工作原理进行介绍。 1 7 单片开关电源管理l c 的设计 第三章芯片的总体设计 单片开关电源控制芯片的设计基本流程为：首先，根据使用要求确定设计 目标：其次，从给定的设计目标选择较适当的系统框图；再次，在给定的系统框 图中定出各子电路的设计指标；最后，根据设计的子电路、整体电路分别进行详 细设计及仿真，确保设计的电路能满足客户的使用要求。在这些过程中都有很多 需要反复的步骤，只有经过多次迭代才能设计出满意的电路。本章将给出设计要 求，并给出芯片的总体框图和基本工作原理。 3 1 芯片的设计要求 在确定主要的控制技术后，我们就可以针对这些控制技术，设计电路。本文 在分析了开关电源各种拓扑方式和控制方式的应用情况，考虑如何降低功耗提高 功率因素，并通过参考众多公司s p e c 的基础上，目标是为了设计具备以下特点 的单片开关电源电路： ( 1 ) 输入的电压范围：3 5 v 4 0 v ； ( 2 ) 当输出功率较低时，频率将随着降低，从而减小待机功率； ( 3 ) 低功耗，有一个谷值状态判断电路，使得导通损耗达到最小值： ( 4 ) 频率可由外接r c 控制，设计灵活，正常工作频率为i o o k h z ； ( 5 ) 拥有过流，过温，绕组短路等保护电路，使得电路工作在安全状念； ( 6 ) 采用b c d 工艺，将控制和开关功率管集成在一个芯片当中。 3 2 芯片框图设计 目前市场上常见的p w m 工作方式的管理i c 。内部电路主要由以下部分组成： 振荡器、基准电压源、p 删控制器、误差放大器和必要的过热保护、过流保护等。 振荡器的作用是产生所需频率的波形信号控制整个电路的工作，通过运算产生 p 1 】| m 信号。误差放大器是将反馈回来的信号进行放大，一般为差分输入放大器， 其输出作为p w m 控制器的另一个输入。p w m 控制器对输入的波形信号和误差放大 器输出的误差信号进行比较，输出结果为p w m 信号，用来控制开关元件的开通与 关断。另外，模拟电路中基准电压源是必不可少的，采取适当的过流过热保护措 第三章芯片的总体设计 施能有效提高电路的可靠性。 参考市场上比较出色的开关电源管理i c ，出于简化设计和分析过程的考虑， 我们将整体电路分为如下图3 1 所示的电路模块。各引脚的功能如下：电源输入 端为工作电源端v c c ，反馈绕组的输出电压经过整流滤波器后，反馈端给芯片提 供工作电压；接地端为公共地g n d ( 即开关电源的功率地) ；外接电容接入端为 外接振荡电阻和振荡电容，用于设定开关频率；反馈端为反馈电压( u r e g ) 输入 端，v c c 通过电阻分压后提供反馈电压；退磁端为辅助绕组的电压输入端，该端 所接的辅助电阻( 亦称退磁电阻) r a u x ，可对高频变压器起到退磁作用：漏端为 内部功率开关管( m o s f e t ) 的漏极引出端：源端为内部功率开关管( m o s f e t ) 的 源极引出端。 图3 - 1 整体框图 本电路主要包括以下9 部分：基准电压源、振荡电路、谷值状态判断电路、 脉宽调制器电路、前沿消隐与过流保护电路、退磁电路、过温保护电路、过压保 护和低压锁定电路。 电路的基本工作原理是利用反馈电压去调节占空比来达到稳压目的。举例 说明，当输出电压c r o 下降时，反馈电压也随之降低，与内部2 5 0 v 基准 电压u 。进行比较和放大后，产生误差电压u r ，再通过p w m 比较器去调节输出 1 9 单片开关电源管理i c 的设计 脉冲信号的占空比，使占空比增大，迫使升高，最终使砜稳定。当开关频率 f = l o o k t i z 时，占空比的调节范围是0 。a 7 5 。 当输出功率很小、误差电压 u r 2 2 0 p f ，但容量取得过大会影响高频性能。 图3 - 2 控制电路的基本结构 在r 、c 充、放电过程中可产生近似于锯齿波的电压，送至p 删比较 器的反相输入端，而误差电压q 则加到同相输入端。当以改变时，d 随之而变， 再通过主控门和驱动级来改变开关管的通断时间，进而调节值使之趋于稳定。 第三章芯片的总体设计 图3 - 3 分别示出在低功率输出和高功率输出时的电压波形。u ，、u ：分别 为低功率输出、高功率输出所对应的误差电压。0 为开关管的导通时间。由图2 可见，当 u 时，开关管导通；当u o 5 v ，t - f _ , 较器翻转，输出变为高电平，将开关 管关断。为了确保电路不产生误触发，在过流保护电路中加了一个前沿消隐电路。 3 3 4 2 短路保护