反激式单片开关电源芯片的研究和设计-微电子学与固体电子学硕士论文

分类号 密级 UDC 注1 学 位 论 文 反激式单片开关电源芯片的研究和设计反激式单片开关电源芯片的研究和设计 （题名和副题名） 徐欣徐欣 （作者姓名） 指导教师姓名 张波张波 教授教授 电子科技大学电子科技大学 成都成都 （职务、职称、学位、单位名称及地址） 申请学位级别 硕士硕士 专业名称 微电子学与固体电子学微电子学与固体电子学 论文提交日期 2010.04 论文答辩日期 2010.05 学位授予单位和日期 电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 年 月 日 注 1 注明国际十进分类法 UDC的类号 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。说明并表示谢意。 签名：签名： 日期：日期： 年年 月月 日日 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定）（保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名：签名： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 年年 月月 日日 摘要 I 摘 要 90 年代以来，开关电源开始应用于电子、通信、医疗等领域，低功耗、低成 本、高效率的开关电源成为电路设计的主要方向。开关电源的核心就是控制 IC， 控制 IC 有低成本、高效率、外围电路简单、集成度高等优点，现在已得到广泛应 用1。 本论文主要来源于电子科技大学微电子专业的“反激式单片开关电源中芯片 的设计” ，主要任务是对反激型离线式开关电源中的控制芯片进行了研究和设计。 本文研究了开关电源的变化类型和工作原理，并针对文中所使用的开关电源 进行了详细的分析。本文主要着重于内部芯片的工作原理和控制方式以及芯片中 各个主要模块的电路设计。该开关电源中的控制芯片采用电流反馈模式，并用频 率抖动来减小 EMI。本芯片的旁路/多功能引脚（BP）通过外接一个电容来对芯片 内部控制电路提供能量，为了使芯片内部控制电路能够正常工作，需要对该引脚 的电压进行检测与控制。该芯片在短路时具有自重启保护功能和线欠压检测功能， 大大节约了外部元件成本。另外，该芯片不同于传统的 PWM 调制，而是用一个简 单的开/关控制来调整输出电压，使其不再需要环路补偿。本文还设计和分析了各 个主要模块的电路，包括基准源模块、使能线欠压模块、过热保护模块、电流极 限比较器模块等。 关键词：关键词：开关电源，控制 IC，反激式，芯片设计 ABSTRACT II ABSTRACT From the 90s, switching power supply began to be used in electronics, communications, medical and some other fields, low power, low cost, high efficiency switching power supply becomes the main direction of circuit design. The core of circuit design in switching power supply is the control IC, control IC was widely used for many advantages, such as low cost, high efficiency, simple external circuit and high integration, etc. This thesis is mainly from the project the chip design of power supply of microelectronics of the University of Electronic Science and Technology of China. We mainly focus on the research and design of the control IC of the off-line fly-back switching power supply. This paper researches the fundamental of the external circuit of the tiny-switch, the fundamental of chip and the design of the sub-block of this chip. This chip adopts the current mode and introduces frequency jittering to reduce EMI. The bypass/ multi-function pin (BP) of the chip connected to an external capacitor to provide energy to the internal control circuitry. In order to control the circuit, the chip will detect and control the pin voltage. This chip has auto-restart function in short circuit and the line under voltage detection, which can greatly save the cost of components. In addition, this chip is different from the traditional PWM modulation, it uses a simple on/off to adjust the output voltage, so that it need loop compensation on longer. This article also designs and analysis the major sub-block of this chip, such as reference, enable/under-voltage, over-thermal protection, current limit comparator and so on. Key words：switch supply, control IC, fly-back, chip design 目录 III 目 录 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1 模拟集成电路设计 . 1 1.2 电源管理 IC 的现状和发展 . 1 1.3 本论文各章节的内容 . 4 第二章第二章 开关电源变换器类型及工作原理开关电源变换器类型及工作原理 . 5 2.1 开关电源变换器的类型及特点 . 5 2.2 反激式变换器的工作原理 . 7 2.2.1 不连续模式下反激变换器的工作原理 . 7 2.2.2 连续模式下反激变换器的工作原理简介 . 8 2.2.3 反激变换器的优缺点 . 8 第三章第三章 开关电源系统的控制方式开关电源系统的控制方式 . 10 3.1 开关电源中的控制方式 . 10 3.2 电压控制型原理 . 10 3.3 电流控制型原理 . 12 第四章第四章 芯片系统的工芯片系统的工作原理作原理 . 14 4.1 产品简介 . 14 4.2 芯片引脚介绍 . 15 4.3 芯片功能介绍 . 16 4.4 芯片工作原理介绍 . 18 4.5 芯片应用 . 19 第五章第五章 芯片中主要模块的电路设计与仿真芯片中主要模块的电路设计与仿真 . 20 5.1 基准源模块电路 . 20 5.1.1 概述 . 20 5.1.2 工作原理分析 . 20 目录 IV 5.1.3 PRE-SIM 结果与分析 . 22 5.2 使能线欠压模块电路分析 . 26 5.2.1 概述 . 26 5.2.2 工作原理分析 . 26 5.2.3 PRE-SIM 结果与分析 . 30 5.3 过压欠压模块电路分析 . 31 5.3.1 概述 . 31 5.3.2 工作原理分析 . 32 5.3.3 PRE-SIM 结果与分析 . 33 5.4 5.8V 调整器模块电路分析 . 34 5.4.1 概述 . 34 5.4.2 工作原理分析 . 35 5.4.3 PRE-SIM 结果与分析 . 40 5.5 电流极限比较器 . 40 5.5.1 概述 . 40 5.5.2 工作原理分析 . 41 5.5.3 PRE-SIM 结果与分析 . 43 5.6 振荡器模块 . 45 5.6.1 概述 . 45 5.6.2 振荡器电路的工作原理分析 . 46 5.6.3 PRE-SIM 结果与分析 . 48 5.7 过温保护模块 . 51 5.7.1 概述 . 51 5.7.2 工作原理分析 . 51 5.7.3 PRE-SIM 结果与分析 . 53 5.8 主控门模块 . 53 5.8.1 概述 . 53 5.8.2 电路工作原理分析 . 53 第六章第六章 总结总结 . 55 致致 谢谢 . 56 参考文献参考文献 . 57 攻读硕士学位期间取得的研究成果攻读硕士学位期间取得的研究成果 . 59 第一章 绪论 1 第一章 绪论 本章简要介绍了模拟集成电路的特点及电源管理技术的现状和发展，最后简 要介绍了本论文各章节的内容。 1.1 模拟集成电路设计 在过去的 20 年里，CMOS 技术已经迅速的包括了模拟集成电路领域，因而提 供了低功耗、低成本、高性能的产品。对于今天的复杂的混合信号系统，CMOS 技术已经是最好的选择2。 模拟电路设计本身也在技术上得到了发展。包含几十个晶体管、处理小的连 续时间信号的高电压、大功耗的模拟电路，已经逐渐被低电压、低功耗的系统代 替，而这些系统由几千个晶体管组成，且能处理大的、多数是离散时间的信号2。 模拟电路设计是集成电路设计中的重点和难点。在做模拟电路设计时，为了 达到具体的指标，我们需要采取不同的电路结构，并且要与器件设计、工艺设计 联合起来。在电路设计中，我们通常用有源元件来代替无源元件，因为有源晶体 管参数易于匹配，占用的芯片面积小，因此我们常用双极性晶体管或者场效应管 等有源的器件来代替无源的电阻、电容等。但是，由于目前的集成电路不宜于制 造电感，大容量的电容以及电阻难以集成，所以模拟电路在应用时有时候需要外 接电感、电容和电阻等元件3。所以，在设计模拟电路时，设计者不仅要有良好的 电路系统方面的知识，还需要对器件参数以及工艺过程有一定的了解21。 1.2 电源管理 IC 的现状和发展 随着信息技术的日益发展，我们的日常生活中使用着越来越多的小型化、便 携式电子产品，轻便、集成、低功耗是对电源的必然要求6。开关电源发展的动力 来自于庞大的市场需求。在各种电子设备朝着小型化、便携式发展的今天，由于 体积和重量上的不足，线性电源的应用越来越受到限制。一般来说，开关转换电 路是指用半导体功率器件作为开关，将电源从一种形式转换成另一种形式的电路。 转换时采用自动控制的闭环电路来稳定输出并有各种保护环节的称为开关电源 电子科技大学硕士学位论文 2 （Switch Power Supply）31。由于开关电源的变压器的工作频率范围为 50KHz 到 1MHz，而线性电源只能工作于 50Hz 的低频状态，因此开关电源能够大幅度缩小 变压器的体积和重量，这样同时也就减少了整个电子系统的体积和重量。理论分 析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积和重量与供电频率的 平方根成反比。 如果开关电源的工作频率为 20KHz， 线性电源的工作频率为 50Hz， 那么相当于频率提高了 400 倍，开关电源的体积和重量可以下降至线性电源的 5%10%，其主要材料可节约 90%或更高，电可以节约 30%或更多。一般说来， 开关电源的重量是线性电源的 1/4，相应的体积大概是线性电源的 1/321。 开关电源已逐渐取代了之前传统的线性电源，在现在的许多电子设备中得到 广泛应用。开关电源具有输出精度高、转换效率高、 性能可靠的优势。同时还可 以集成功率开关管和其他必需的启动、保护电路，是一种典型的高压功率智能集 成电路。在电源领域里开关电源是集各种先进技术于一体的典型集成电路产品32。 目前单片电源开关芯片的市场主要被 PI、意法半导体、德州仪器、国家半导 体、仙童等几家国外大公司所占据，这些国外大公司在功率集成技术领域的研究 也处于领先地位。随着开关电源的设计与工艺水平不断提高，单片开关电源芯片 的性能也越来越好，同时各个公司之间的产品竞争也越来越激烈。目前国外单片 开关电源芯片产品的激烈竞争使得产品价格不断下降，市场细分加剧。在高端产 品市场主要由 TI 和 NS 占有大多数份额，而民用领域的低端市场主要为意法半导 体公司，PI 公司和仙童公司所占据。如意法半导体公司的 VIPer 系列，PI 公司的 Topswitch，Tinyswitch 等系列产品由于其较低的价格，以及简洁的应用，在市面上 很受欢迎7。 传统的开关电源采用的是模拟控制技术，通过比较器、误差放大器和模拟调 变器等元器件来调节电源输出33。模拟控制方法的开关电源适用范围较小，只能 在频率高、电力小、功能少的开关电源中使用，而且有控制电路复杂、元器件多 以及控制电路一旦成型很难修改等缺点，对整体电路的集成化和小型化非常困难。 开关电源的数字化控制技术能够较好地解决这些问题。数字化 IC 技术在工艺微缩 后对电压、电流的变化的容忍和保护日益重要10。由于不同的电路对应了不同的 供电电压，造成了对电源管理技术更高的要求。近年来，随着手机、数码相机、 MP3 等便携式产品的发展，为了整合各种各样的功能，如彩屏、游戏、摄像头、 无线上网等，电力损耗和电池寿命成为设计中的一个重要因素。如何设计高效的 电源成为一个热点。下面简要介绍一下开关电源的种类： 开关式电源通常分为电感式开关电源和电容式开关电源两种21。 第一章 绪论 3 (1)电感式开关电源 电感式开关电源是利用电感作为主要的储能组件，为负载提供连续的电流。 电感式开关电源有很高的转换效率，这种电源通过不同的结构可以完成升压、降 压和负压的功能，其工作时主要的电能损耗如下： 1) MOSFET管的导通损耗，这种损耗主要取决于MOS管的导通电阻。 2)动态损耗， 包括高侧和低侧MOSFET管同时导通时的开关损耗和驱动MOSFET管 开关电容的电能损耗，这种损耗主要与输入电压和开关频率有关。 3)静态损耗，这种损耗主要与IC内部的漏电流有关。 当负载电流比较大时，上面几种损耗都比较低，所以这种开关电源可以达到 很高的效率。但是当负载电流小时，上面的损耗就会相对比较大，造成大的功率 损耗，从而影响转换效率。这种开关电源中电感和电容的面积比较大，输出电压 纹波较大，在PCB布板时必须小心以避免电磁干扰。 (2)电容式开关电源电荷泵 电容式开关电源是用电容作为储能组件，用内部的开关管数组来控制电容的 充放电。 现在很多结构中都采取双电荷泵的形式， 这样可以有效的减少EMI和纹波。 电荷泵也可以完成升压、降压和负压的功能。当电荷泵的输出电压与输入电压成 不同比例时，电荷泵的转换效率会发生变化。最高的效率可达90%，但也有可能不 足70%，所以我们要尽可能找到电荷泵的最佳转换效率。电荷泵的特性介于LDO 和电感式开关电源之间，它有较高的效率和相对简单的外围电路，EMI和纹波都居 中。但它有输出电压和输出电流的限制。 总的说来，现在的电源管理朝着以下几个方向发展： 第一，轻便化、小型化、高频化。储能元件在开关电源中占了较大的体积和 重量。实践结果表明，这些储能元件的体积和重量与供电频率的平方根成反比， 所以我们要提高频率以降低储能元件的体积重量。提高供电频率还能抑制电磁干 扰，提高系统的动态特性。 第二，提高可靠性。提高可靠性，保证器件在遇到突发状况时也能正常工作， 增加电路的保护功能。所以，现在的开关电源芯片中加入了过温保护、过流保护、 过压欠压保护等模块电路。 第三，降低噪声。一味追求供电高频会引入很大的噪声，同时电子设备用量 的增加使电磁干扰越来越严重。所以，尽可能的降低噪声成了开关电源的又一发 展方向。 第四，开发、研究新型半导体器件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器 电子科技大学硕士学位论文 4 件，开发用于高频领域的低损耗磁性材料，改进电磁元件的结构和设计方法，提 高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源转换器器的小型 化始终起着巨大的推动作用。自1958年集成电路问世以来，半导体技术的发展可 谓一日千里，电源管理技术也在集成化的道路上飞速前进。经过几十年来的不断 发展，开关电源技术有了重大进步和突破。在市场需求的推动下，我们可以看到， 高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方 向21。 1.3 本论文各章节的内容 本文介绍了开关电源主要的几种拓扑结构，然后介绍了开关的电源的控制方 式和调制，主要内容是开关电源的芯片设计。 第一章：绪论，简要介绍了集成电路设计的特点和电源管理的现状和发展。 第二章：介绍了开关的电源的拓扑结构和工作原理，重要介绍了反激式开关 电源的结构和工作原理。 第三章：介绍了开关电源中主要的反馈模式和控制方式。 第四章：介绍了芯片系统的设计和芯片系统的工作原理，并分析了系统的拓 扑结构、工作方式、控制方式。 第五章：系统中电路模块的设计及仿真，主要是基准源模块、使能线欠压模 块、过热保护模块、电流极限比较器模块等。 第六章：总结论文中的内容。 第二章 开关电源变换器类型及工作原理 5 第二章 开关电源变换器类型及工作原理 2.1 开关电源变换器的类型及特点 开关电源变换器有 3 个主要的组成部分，包括功率级变换器、脉冲宽度调制 器和误差放大器5。功率放大器主要用来进行功率变换，它是开关电源中的核心部 分；脉冲宽度调制器主要用来提供周期性的信号；误差放大器用来稳定输出电压。 此外还有过压欠压保护、过温保护等部分。下面将简要介绍开关电源的种类3。 开关电源常用的拓扑结构有 14 种， 每种结构都有自己的特点及适用的场合4。 一些拓扑适用于离线式 AC/DC 变换器，一些拓扑更适用于 DC/DC 变换器。常用 的开关电源拓扑结构有 buck 型、boost 型、buck-boost 型以及后来出现的正激型和 反激型。下面将重点介绍本文用到的反激式开关电源拓扑： Buck 型电源变换器又称为降压变换器，最大的优点是损耗低、效率高。如下 图所示： Vcc + V _ 图 2-1 buck 型电源变换器 Boost 变换器又称为升压变换器，通常用于低功率场合（小于 10W） 。如下图 所示： Vcc + V _ 图 2-2 boost 型电源变换器 Buck-boost 型电源变换器又称为升降压变化器，输出电压可以高于输入电压， 电子科技大学硕士学位论文 6 也可以低于输入电压。如下图所示： Vcc + V _ 图 2-3 buck-boost 型电源变换器 上面三种开关电源的拓扑结构有一个显著的缺点，那就是输入回路与输出回 路共地，不能实现多路输出。现在使用最广泛的推挽、正激变换器以及反激变换 器利用变换器把能量传递到负载，由于输入回路与输出回路不共地，可以实现多 路输出。反激变换器的工作原理与前面几种变换器的原理不同。在反激拓扑中， 开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；当开关管关断 时，变压器把储存的能量输入到滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗 的能量。 下面将主要介绍反激变换器的优缺点。 反激变换器的拓扑由下图所示： Vcc Q1 Np Ns1 Nsm D2 D1 C1 C0 R0 R1 R2 V01 V0m 图 2-4 反激式变换器 这种结构广泛应用于输出功率为 5150W 的电源中。它最大的优点是不用接 次级输出电感，不用接输出滤波电感，从而减小了成本和体积。 第二章 开关电源变换器类型及工作原理 7 2.2 反激式变换器的工作原理 2.2.1 不连续模式下反激变换器的工作原理 图 2-4 的工作原理如下。电路有两个输出，一个主输出，一个辅输出。V0m接 负反馈闭环，其采样电压与参考电压进行比较，产生的误差信号控制 Q1 的开启与 关断。使输出采样电压在输入电压和负载变化时跟随参考电压变化。从上图中变 压器的同名端可以判断此变化器为反激变化器4。当开关管 Q1 导通时，Ns1、Nsm 同名端的电压低于异名端电压，所以整流二极管 D1、D2 关断，由 C0、C1向负载 供电。当 Q1 导通时，Np的电压不变，其电流线性上升，斜率为 1 dc P Vdi dtL (2-1) 在 Q1 导通结束时，电流上升到 1 dc on P Vdi T dtL (2-2) 其中onT为 Q1 的导通时间） 。此时变压器储存的能量为 2 2 p pL I E (2-3) 式中，能量 E 的单位为焦耳，电感 L 的单位为亨利，电流 I 的单位为安培。 当 Q1 关断时，由于电感电流不能突变，初级电感电压反向，次级同名端电压 高于异名端电压。如果次级只有一个绕组 Ns，则 Q1 关断瞬间，次级绕组电流为 * p sp s N II N (2-4) 几个周期之后，次级电压上升到 Vom。Q1 关断时，Ns同名端电压为高电压， 电流从该端流出并线性下降，下降斜率为 som ts dIV dL (2-5) 如果次级电流在 Q1 再次导通之前下降到零，则变压器储存的能量在 Q1 导通 前全部输送到负载端， 此时变压器工作于不连续模式。 一个周期内传递的能量为 E， 一个周期内直流母线电压 VCC提供的功率为 电子科技大学硕士学位论文 8 2 1 2*p pL I P T (2-6) 又因为 (1)dcon p p VT I L (2-7) 所以有 22 (1)() 22 dcondcon pp VTV T P TLTL (2-8) 由式可见，只要保持dconV T恒定，即可保持输出恒定。 2.2.2 连续模式下反激变换器的工作原理简介 连续模式下的电路拓扑与前面不连续模式的拓扑相同。前面讲到，当 Q1 关断 时，次级电流线性下降，如果电流较大使关断电流还没有下降到零，下个周期开 始时，初级电流前端将会出现阶梯，此时电路已工作于连续模式。 两种工作模式有完全不同的工作性质及应用场合。不连续模式的响应速度更 快且峰值电流为连续模式的 23 倍，连续模式必须大幅减小误差放大器带宽才能 保持反馈稳定。 2.2.3 反激变换器的优缺点 反激式变压器开关电源的优点是电路比较简单，比正反激式变压器开关电源 少用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管，因此，反激式变压器开关电源 的体积要比正激式变压器开关电源的体积小，且成本也要降低。此外，反激式变 压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式变压器开关电源来说 要高很多。因此，反激式变压器开关电源要求调控占空比的误差信号幅度比较低， 误差信号放大器的增益和动态范围也比较小。由于这些优点，目前，反激式变压 器开关电源在家电领域中还是被广泛使用。 反激式变换器有两个较大的缺点： 1.反激变换器有较大的输出电压尖峰 Q1 导通结束时，次级电流等于初级电流与匝数比 p s N N 的乘积，由于反激变化 器通常有较大的输入电压和较小的输出电压，这容易造成大的次级电流。 第二章 开关电源变换器类型及工作原理 9 开关管关断时， 从0C看进去的阻抗远低于0R， 所有的次级大电流都流入0C及 其等效串联电阻esrR，这将产生窄而高的输出电压尖峰()ppsesrI N NR。尖峰的宽度 通常小于 0.5s（随时间常数0esrR C不同而不同）4。 通常，电源技术是以有效值或峰-峰基值来规定输出电压纹波要求的。由于这 样的高尖峰的有效值很小，当选用大容值输出滤波电容时，电流很容易满足有效 值纹波要求，但电源会输出危害很大的尖峰电压。 因此，通常要在反激变换器主储能电容后加小型 LC 滤波器。 2.需要大容量且能耐高纹波电流的输出滤波电容 对于反激变换器，滤波电容必须比较大，因为当开关管导通时只能由它向负 载提供电流。 但输出纹波电压要求并不能最终决定滤波电容的选择，而是由根据纹波电压 要求初选的电容的纹波电流额定值决定的。开关管导通时，全部直流电流由接地 端向上流过电容；开关管关断时，同样大小的电流流过电容以补偿开关管导通时 电容损失的能量4。 电子科技大学硕士学位论文 10 第三章 开关电源系统的控制方式 开关电源系统中普遍采取了反馈控制方式，目的是使系统稳定。下面将简介 开关电源中常用的控制模式以及系统的稳定性原理5。 3.1 开关电源中的控制方式 开关电源的控制是通过调整功率器件的占空比来控制功率管输出的，在电感 连续模式下 onon onof tt d ttT (3-1) （ont为开启时间， offt 为关断时间，T 为周期） 按照占空比的实现方式可以把开关电源分为定频和变频两种控制方式。定频 控制是指开关周期恒定，通过调整开关开通的宽度来调整输出电压，这种调制叫 脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）8,16；变频控制有几种控制方式， 如固定开通时间、固定关断时间、迟滞比较等26。固定开通时间顾名思义，是指 开关的导通时间即ont保持不变，只改变开关的关断时间来调节占空比；固定关断 时间则刚好与前面的相反，开关的关断时间 offt 保持不变，通过改变开关的开启时 间来调节占空比；迟滞比较是指对受控量（输出电流或者输出电压）设定一个限， 当受控量低于下线时则开通开关，高于上限时开关关断，这种控制方式的开启时 间和关断时间都是变化的2324。 开关电源另一种分类是按照检测信号来分类，分为电压控制和电流控制27。 随着控制理论的发展，现在一些新的控制方法也被应用于开关电源中，如模 糊控制、滑模变结构控制等非线性的控制方法22。 下面将主要介绍电压型控制和电流型控制原理12。 3.2 电压控制型原理 电压控制电路是用采样电压作为反馈环的输入信号，该信号与基准电压进行 比较，比较结果经过误差放大器后成为误差信号 eV，误差信号与锯齿波信号sawV 第三章 开关电源系统的控制方式 11 进行比较生成方波信号 pV， 该信号与eV大小成正比， 该信号经过锁存器和驱动电 路来驱动开关管的导通和关断，以实现调节输出电压的功能。 Vcc L VD1 C R + V _ 误差放大器 Vref 基准电压 锯齿波 比较器 Vp 图 3-1 电压控制电路 电压控制型只检测输出电压这一个变量，因此只有一个控制环路，设计起来 方便简单。由于锯齿波的幅值较大，抗干扰能力比较强。但是由于只有在输入或 者输出发生变化的时候才能被检测到并反馈回来纠正，因此响应速度慢。由于对 输出电流没有限制，因而电压型控制需要额外的电路来限制输出电流12。下面是 电压型控制电路中主要的波形： Ve Vsaw Vp iL 图 3-2 电压型控制主要波形图 电子科技大学硕士学位论文 12 3.3 电流控制型原理 Vcc 时钟 Q Q SET CLRS R VD1 L CR + V - 比较器 Rs 误差放大 器 基准电压 Vref Vs Ve Is 图 3-3 电流型控制电路 电流型控制电路中比较器的上输入是开关电流，它代替了电压型控制电路中 的锯齿波。电流型控制的工作原理为，在每个周期开始的时候，时钟信号使锁存 器复位，开关电流 Is线性增加，因此检测电阻 RS上的电压 VS也线性增大，当 VS 的值超过比较器的另一个输入 VE时，比较器翻转，锁存器输出低电平，关断功率 管直到下一个时钟周期到来。下面是电流控制型电路中的主要波形： 时钟 Ve Vs Vp 图 3-4 电流控制型电路中的主要波形 电流型控制电路相对于电压型控制电路有更快的响应速度，且自身具有限流 第三章 开关电源系统的控制方式 13 的功能，实现了变换器的过流保护。但是电流型控制电路在占空比大于 50%时会 产生振荡，因此涉及到系统的稳定性问题，通常需要在比较器输入端用一个斜坡 补偿来消除振荡12。 电子科技大学硕士学位论文 14 第四章 芯片系统的工作原理 4.1 产品简介 Tinyswitch-系列芯片保持了 Tinyswitch 系列的方便简单， 同时为了更大程度 的降低系统成本和元件总数，为了消除可听见的噪声，Tinyswitch-引入了很多