（微电子学与固体电子学专业论文）dcdc电源芯片的研究与设计.pdf

电子科技大学硕士毕业论文：d c d c 电源芯片的分析与设计 摘要 开关电源s m s p ( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ) 被誉为高效节能电源，它代表着 稳压电源的发展方向，现在已经成为稳压电源的主流产品。开关电源内部调整管 工作在高频开关状态，其等效电阻很小，当流过大的电流时，消耗在调整管上的 能量很小，所以电源效率可以达到7 0 9 0 ，比普通线性稳压电源提高近一倍。 国内电源整机厂家所用的电源管理芯片均由国外公司提供，大部分利润被国 外厂商剥夺，而且技术上受制于入，很难实现大的突破。所以，开发具有自主知 识产权的电源管理芯片已是形势所迫。 该课题通过对d c d c 电源芯片相关知识和电路结构的全面分析，以正向设 计为主，逆向为辅，兼顾国内工艺生产厂现况，通过优化电路结构和参数，成功 地设计出一片d c d c 降压芯片；并且一次流片成功，各项指标、参数都达到了 设计要求，是一块具有自主知识产权的电源管理芯片。 设计中，本入主要担负基准电压源、振荡器的设计和仿真，对模式选择、误 差比较器、逻辑电路、保护电路、功率管也做了细致的分析和仿真；在设计电路 时，芯片的低功耗、模块的稳定性是电路的重点也是难点；流片测试结果表明： 电路设计时对这些闯题的解决是成功的。 关键词：脉冲频率调节、电压反馈、死区、降压 电子科技大学硕士毕业论文；d c - d c 电源芯片的分析与设计 a b s t r a c t s m s p ( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ) i sn a m e d a sh i g he f f i c i e n te n e r g y c o n s e r v a t i v ep o w e rs u p p l y , w h i c hr e p r e s e n t st h eo r i e n t a t i o no fs t e a d yv o l t a g es u p p l y , a n db e c o m e st h es t a p l ep r o d u c t t h ei n t e r n a lm o d u l a ri ns w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y o p e r a t e sa tah i g hf r e q u e n c y , s oi t se q u i v a l e n ti m p e d a n c ei sv e r ys m a l l ；i tc o n s u m e s v e r yl i t t l ee n e r g yw i t hl a r g ec u r r e n tf l o w i n gt h r o u g h ；t h a tt h ep o w e re f f i c i e n c yc a n r e a c h7 0 一9 0 ，n e a r l yd o u b l et h a to fn o r m a lo n e s t h ep o w e rm a n a g e m e n ti c su s e di nd o m e s t i cw h o l ep o w e rs y s t e mm a n u f a c t u r e s a r ea l li m p o r t e df r o mf o r e i g nc o m p a n i e s ，w h od e p r i v em o s to ft h ep r o f i t l i t t l e b r e a k t h r o u g hw i l lb em a d ew i t hc o n f i n e dt e c h n o l o g y , s o i t sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o p t h ep o w e rm a n a g e m e n ti c sw i t ho w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h i ss u b j e c th a sa d o p t e df o r w a r dd e s i g nm e t h o d o l o g ya st h em a i na p p r o a c hw i t h t h e a i do fb a c k w a r dd e s i g n ，o p t i m i z e dt h ec i r c u i ts t m c t u r ea n dp a r a m e t e r s ，a n d s u c c e s s f u l l yd e s i g n e dad c d cd o w nv o r a g ei c ，a f t e rf u l l ya n a l y z e dt h ea s s o c i a t e d k n o w l e d g ea n dc i r c u i ts t m c t t l r eo fd c d cp o w e ri ca n dc o n s i d e r e dt h ed o m e s t i c p r o d u c t i v i t y i tw a ss u c c e s s f u l l yt a p e d - o u ta tt h ef i r s tt i m ew i t he a c hi n d i c a t o ra n d p a r a m e t e rm e e t st h ed e s i g ng o a l ，s oi t sas u c c e s s f u lp o w e rm a n a g e m e n t i cw i t ho w n i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i nt h ed e s i g np r o c e d u r e ，ia mr e s p o n s i b l ef o rt h ed e s i g na n ds i m u l m i o no f r e f e r e n c ev o l t a g ee l e m e n ta n do s c i l l a t o r ；1h a v ea l s oa n a l y z e da n ds i m u l a t e dt h em o d e s e l e c td e v i c e ，e r r o rc o m p a r a t o r , l o g i cc i r c u i t ，p r o t e c tc i r c u i ta n dp o w e rt r a n s i s t o r c o n s c i e n t i o u s l y i nt h ec i r c u i td e s i g n ，t h el o wp o w e r o fi ca n ds t a b i l i t yo fm o d u l e sa r e t h ee m p h a s i sa n dd i f f i c u l ts t e p s t e s to ft a p e dc h i ph a sp r o v e nt h es o l u t i o n st ot h e s e p r o b l e m ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 、v f b ( v o l t a g ef e e d b a c k ) 、 d e a dt i m e 、b u c k i l 独创性声明 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 确的说明并表示谢意。 签名：堡堡球日期：加缉年月矿日 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 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 1 _ 户互 签名： j 至整堡 导师签名： ! 皇：笾 日期：砀c - 年年月( - 日 电子科技大学 硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 第一章引言 1 1 功率半导体和功率集成电路简介 传统的电力半导体器件主要有整流二极管、晶闸管及其派生器件、功率晶体 管及其派生器件等。八十年代，新型功率m o s 器件和以它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。它们将 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。 功率二极管是功率半导体的重要分支。商用化的功率二极管有p i n 功率二极 管和肖特基势垒二极管( s b d ) i ”。前者有耐高压、大电流、低泄漏电流和低导 通损耗的优点，但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子和较低的关断 速度，限制了该器件向高频化方向发展。具有多数载流子特性的肖特基势垒功率 二极管有着极高的开关频率，但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成2 5 次方 的矛盾关系，阻碍了肖特基势垒二极管的高压大电流应用，加之肖特基势垒二极 管极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性，使得硅肖特基势垒二极管通常 只工作在2 0 0 v 以下的电压范围爽。 在半导体功率开关器件中，晶闸管( t h y r i s t o r ) 是目前具有最高耐压容量与 最大电流容量的器件。但晶闸管不能由门级控制其关断，需要复杂的辅助换流关 断电路【3 j 。因此，自2 0 世纪8 0 年代以来，一种通过门级控制其导通和关断的晶 闸管门级关断晶闸管g t o 得到迅速的发展，但g t o 仍然有着复杂的门级驱动 电路、低耐量的d i d t 和d u d t 以及小的安全工作区( s a f eo p e r a t i n ga r e a s o a ) ， 在工作时需要一个庞大的吸收( s n u b b e r ) 电路。 多子导电的功率m o s f e t 显著地减小了开关时间。因而很容易达到1 0 0 k h z 的开关频率，冲破了电力电子系统中2 0 k h z 这一长期被认为是不可逾越的障碍 i l j 。商品化的功率m o s f e t 以达到6 0 v 2 0 0 a 2 m h z 和5 0 0 v 5 0 a 1 0 0 k h z 的水平。 功率m o s f e t 是低压( 7 5 0 m v ) ，则表示该电路已经正常工作，如果a 点的电压过低，如： 2 5 0 m v ，则该电路没有正常启动；将a 点电压和一个预设电压v x ( r 5 、r 6 的分 压) 比较，如果a 低于设定值，在m 5 的栅上产生高电平开启m 5 管向r 3 注入电 流；由于j m h u n _ o p 的放大在p b i a s 点产生低电平，开启m 2 ，m 3 管，a 端电压 上升，最终将会高于设定值，m 5 管关闭，基准正常工作。在具体推导v r e f 之前， 作如下假设； l ，m s 镜像准确舢等1 等2 等“m- ml m 3 zj i z h u n _ o p 运放没有失调电压，而且低频增益高( 大于8 0 d b ，5 5 c 一1 2 5 c 和 5 种工艺角参数变化很小) 3 电阻r 1 、r 2 、r 3 、r 4 完全相同r 1 = r 2 = r 3 = r 4 ；电阻r 7 和r 0 匹配度很高。 第2 8 页，共7 4 页 电子科技大学 硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 4 q 1 ，q 2 完全相同，a r e a r ( q 1 ) = n a r e a r ( q 2 ) 。 5 运算放大器的输入电流i i n = o r o 的航l r 0 = 虹1 0 2 = 掣3 1 8 r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 的电流：i r l = i r 2 = i r 3 = i r 4 = = 夏而v b e 3 1 9 m 2 ，m 3 的电流：i = 1 m s - - q i + i r l = v , l r n 。( n ) 十面导忘3 2 0 m 1 的慌i m 同叽：( 掣+ 志) 3 - 2 1 输出基准电压：鼍掣+ 面r 喇7 i , 3 2 2 对温度求偏导：等叫掣告+ 丽r 7x 警】3 2 3 由于r 0 , r 1 ，r 2 ，r 7 使用同种电阻，所以温度系数相同 将3 1 7 中的里生结果带入，令3 2 3 式为零，即可得到电阻r 0 ，r 1 ，r 2 ，r 7 的 0 2 比值，当然，最后必须通过仿真软件的参数扫描得到最优值。式中： k 为波尔兹曼常数( 七= 1 3 8 x 1 0 - ”j k ) ，q 为电子电荷量( 口= 1 6 x 1 0 。1 9 c ) 通过推导可知，设计该基准时，必须要注意以下几个问题： 1 电阻r 7 ，r 0 ，r 1 ，r 2 必须要相互匹配，在版图设计时，电阻条的宽度尽可 能大一点，每一条的长度尽可能长( 忽略接触i l 的电阻) ，电阻之间最好交 叉匹配。 2 m 1 ，m 2 ，m 3 的沟道长度尽可能长一些，以减小光刻误差和沟道调制效应 的影响。 3 j i z h u n _ o p 运算放大器的失调电压尽可能小：由于m 2 、m 3 处于饱和区，将 产生一个极点，对相位裕度影响较大，所以运放内部的相位裕度要尽可能高， 仿真时加上m 2 仿真相位裕度。 珥0 1 、q 2 的匹配度要高，如果是n = 8 ，可以做成如下结构： 第2 9 页，共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c ，d c 电源芯片的分析与设计 图2 6 带隙中n 旧管的匹配示意图 5 分压电阻r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 ，r 5 ，r 6 阻值尽可能大一点，以节省静态工作电流。 6 如果该基准对低电压工作要求不高，可以省去r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 ，r 5 ，r 6 ，将 j i z h u n _ o p 输入端直接连在c 、d 点。( 当然，q 3 的面积要适当加大) 3 2 2 4 5 基准的仿真 图2 7 图2 8 是利用c a d e n c e 的s p e c t r e 仿真器，b s i m 3 v s 模型进行d c 扫描 仿真结果：仿真表明：电压从1 9 v 变化到1 2 v ，基准电压从1 2 4 5 5 6 v 变化为 1 2 4 5 8 9 v 。温度从5 5 。c + 1 2 5 变化，基准电压变化3 4 m v 。 温度抑制比为：五五3 i 4 m 丽v 1 0 6 1 5 p p m 电压抑肯0 比为：2 叫岳1 2 4 5 8 _ = 9 - 1 2 - 4 5 5 6 ；一8 9 7 2 d b。 1 一1q 静态电流：1 2 5 4 n a ( 包括运放和比较器) 图2 7 基准对电压的抑制 第3 0 页，共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c d c 电源芯片的分析与设计 1 2 一 、 1 2 d cr e s p o n s e 一7 0 05 a ，刃 1 3 f l t e m p ( o ) 图2 8 基准对温度的抑制 3 3 比较器 比较器是将一个模拟信号和另外一个模拟信号进行比较，输出一个电平信 号。比较器的主要参数包括：开环增益、失调电压、转换速率、迟滞电压。一个 不带补偿的运算放大器就是一个比较器。 3 ；4 振荡器 振荡器是电源芯片里十分重要的一个模块，由于芯片上不便于集成电感，所 以有两种振荡器经常使用在电源芯片里：环形振荡器、r c 振荡器。尤其是r c 振荡器，由于电容在集成电路里做的比较精确，再通过对电阻进行修调，即可以 得到一个频率很稳定的振荡器。 3 4 1 环形振荡器 由“巴克豪森准则”可知，如果一个负反馈的环路增益满足两个条件： 旧( j 。m 1 ，日( ，口。) = 1 8 0 。，那么电路就会在频率c o0 处振荡。图2 9 中整个反 馈环路由五级倒相器级连而成，是一个负反馈结构。电路的闭环增益为： 矾。一志3 “ 其中a 0 为一级倒相器的a c 增益：根据振荡条件，只有每一级倒相器的相关 相移为3 6 0 ，才有1 8 0 0 的总相移。设振荡频率为( i ) w ，则： 第3 l 页共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c d c 电源芯片的分析与设计 a r c t a n o ) o s c 。3 6 。，f o o s c 2 0 7 2 6 5 。o 3 2 5 0 每一级的最小电压增益必须使环路增益在频率mo s c 处等于1 a 0 5 ) 2 】5 1 3 2 6 将式3 2 5 带入式3 2 6 可以得到： a o = 1 2 3 6 3 2 7 所以，只要每一级倒相器有1 2 3 6 的增益，理论上电路就可以发生自激。 图2 9 中通过调节电容的大小，可以设定环路的振荡频率，通过o s c c t r 可以控 制环路是否振荡。 3 a 2 r c 摄荡器 七_ 1 磊 图3 0 r c 振荡器原理图 c t r 和n c t r 是两个相差1 8 0 。的方波，当c t r = v c c 时，m 0 导通，m 1 截 止，恒流源对电容c 1 进行充电；当n c t r = 0 时，m 1 导通，m 0 截止，恒流源 对c l 放电，此过程重复即可产生一个三角波振荡。 3 5 保护电路 保护电路实际上就是通过器件或电路结构对芯片内部的某些参数指标进行 检测，再通过逻辑电路关断调整管达到保护芯片和外电路。它包括过温保护。过 压保护，过流保护，欠压检测等。 3 ：5 1 温度检测 d c d c 电源芯片在工作时，内部会消耗一部分电能，芯片温度升高；如果功 率管集成在芯片内部，温度会升得更高。在室温附近纯硅的温度每升高8 k 左 第3 2 页共7 4 页 电子科技大学 硕士毕业论文；d c - d c 电源芯片的分析与设计 右，本征载流子浓度就增加约一倍【1 8 1 。当温度足够高时，本征激发占主要地位， 器件将不能正常工作。所以，在电源芯片内部会增加过温保护电路，当芯片内部 温度超过预设温度时，芯片将自动电源断开，以保护芯片本身不被烧毁。考虑到 p n 结的负温度系数，而且线性度较好，利用这一点，就可以构成一个简单的过 温保护电路，电路如图3 1 所示： 图3 1 温度检测电路 v r e f 是一个不随温度变化的基准电压，利用电阻分压，将三级管q 0 的基极 电位设定在4 0 0 m v 左右，正常工作时，q 0 截止，当温度逐渐上升时，q 0 将会 开启，将o u t 下拉到“0 ”，通过控制逻辑将调整管关断，使内部温度不再继续上 升，达到保护的目的。 3 5 2 电流检测 d c d c 电源芯片中，受功率管、金属连线和外围元器件电流能力的限制，一 般都设定了芯片正常工作的最大电流，如果超过该值，可能会损坏芯片；所以， 必须对工作电流进行监控，一旦电流过大，立即关断调整管，达到保护芯片及外 围元器件的目的。图3 2 是两个典型的电流检测原理图。左边采用电流镜像的方 法获取功率管上的电流；右边通过在功率管上串联小电阻( m q 量级) ，然后采用 跨导运放检测r s 上电压的方法获取功率管的电流。 图3 2 电流检测电路 第3 3 页共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 3 5 3 电压检测 图3 3 电压检测 受工艺的限制，每一种器件都有一个最大工作电压，如果超过该值，器件将 会击穿；由于集成电路工艺中，电阻的匹配精度容易实现，所以通常都采用电阻 分压的方法，然后和基准电压源进行比较，产生电压检测输出信号。 3 6 逻辑电路 电源芯片里用到的逻辑电路除了基本的与、或、非以外，就是触发器。包括 r s 触发器、d 触发器；图3 4 示出了利用与或非门构建的r s 锁存器和触发器。 a 图3 4 基本r s 锁存器和触发器 第3 4 页共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 第四章论文中开关电源芯片的设计 4 1 芯片简介 该芯片是b u c k 型d c d c 变换芯片。它采用脉冲频率调制( p f m ) 与脉冲 宽度调制( p w m ) 相结合的方式。具有负载范围宽，效率高，静态电流小的特 点。当采用固定5 v 输出时，它的输入范围为：5 5 v 一1 2 v 。当采用用户可调输 出时，输入电压为5 v 1 2 v ，而输出电压可以为1 4 v 到输入电压之间的任意值。 该芯片将控制电路、保护电路和功率管单片集成。 4 2 设计指标 最大输出电流：2 5 0 m a 静态典型电流：4 0 u a 输入电源范围：5 v 一1 2 v 工作环境温度：2 0 一+ 8 56 c 芯片功耗 8 0 4 3 工作原理图 图3 5 芯片工作原理圈 图3 5 是论文中d c d c 电源芯片工作原理图，可以看出，该芯片是一个b u c k 型d c - - d c 变换器。栅驱动电路使功率m o sq 1 按照逻辑信号荆开启和关断， 当6 似为低电平，q j 导通，婚约等于增，二极管反偏，负载从电源获得能量。当 6 变为高电平后，q j 截止。因为电感电流不能突变，二极管d 1 正偏，储存在 电感中的能量释放到负载，丘r u 通过d 1 流回电感。因为变换器输出电压川 是振荡器频率的函数。控制系统通过改变振荡频率和占空比可使输出电压跟随参 考电压阡。图3 5 中为一个简单的反馈系统。输出电压采样与参考电压阡相比 第3 5 页共7 4 页 电子科技大学 硕士毕业论文；d c - d c 电源芯片的分析与设计 较产生的误差信号经过运放补偿网络放大后，用来控制振荡器，产生开关波形来 控制凹的导通于关断。良好的设计可使输出电压紧跟参考电压玢而与输入电 压增和负载电流无关。 4 4 系统框图 图3 6 论文中电源芯片内部框图 图3 6 是该芯片的系统框图：通过模式选择，将内部反馈采样或用户设定采 样信号送入振荡器，控制振荡器的工作频率；同时，将输出反馈采样信号送入误 差比较器和带隙基准进行比较，生成逻辑信号在逻辑控制里调节振荡频率以控制 调整管的开启和关断。欠压检测是一个辅助功能模块，用来检测输入电压是否过 低，并将结果送出。 内部模块功能的说明： 第3 6 i 贞共7 4 页 电子科技人学 硕士毕业论文：d c d c 电源芯片的分析与设计 表格1 模块功能 序号模块名称模块功能描述 1 带隙基准 提供基准电压和电流偏置信号 2 欠压检测 对输入电压进行检测，低于额定值时输出报警信号 3 模式选择对固定输出和用户可调输出两种方式进行选择 4 误差比较 对实际输出电压值和设定输出电压值进行比较，输出控 制信号 5 开关控制整体电路的开启和关断，低于0 8 v 时电路关断， 高于2 v 时正常工作 6 振荡器基于p f m 工作方式的振荡器，频率和占空比可变 7 逻辑控制对振荡器的工作状态进行控制 8 保护电路对调整管的工作状态进行检测。防止其功耗过大 9 输出驱动对调整管的驱动信号进行放火。以便于驱动调整管 1 0 调整管控制输出电压，使其输出额定的稳定电压 4 5 电压基准 4 5 1 电压基准的参数要求 1 温度系数小，温度抑制比高。 2 输入电压调整率好，电压抑制比高。 3 静态电流小； 4 工作温度范围( 4 0 c + 8 54 c ) ； 4 5 2 基准电压原理图 基准电流直接影响芯片的静态功耗，而利用运算放大器的基准源电流较大， 而e dn m o s 基准又受到工艺的限制，所以考虑采用高精度的电流镜代替运算 放大器，电路如图3 7 所示： 第3 7 页供7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 图3 7 论文中基准电压原理图 4 5 。3 电路分析 q 1 、0 6 和r 2 构成基本带隙电路；为保证左右两边电流相等，电路里利用了 3 层电流镜代替运算放大器，其中：m 1 、m 2 、m 4 、m 5 构成了自举电流镜，q 3 、 q 4 、q 5 、r 6 构成了基本电流镜；m 6 生成一个偏置电流输出至其它模块，c 3 是 一个滤波电容；r 0 、m 9 、m i o 、q 2 、c o 构成基准的启动电路，启动过程如下： 当芯片上电时，0 0 上的电压为零，m 9 关断，电流通过m i o 管向c 0 充电，当 c o 逐渐升高，直至v c o v t h g + v f n ，m 9 将会打开，将m 1 0 的栅电压下拉，关断 m i o ，同时m 4 、m 5 开始工作，整个电路开始工作。注意到自举电流镜中m 5 、 m 2 两个n m o s 管处于饱和区，恰好构成一个两极的闭环放大器，在m i o 管对 o o 充电启动的过程中，电路可能会发生振荡。为了得到电路的输出电压和温度 系数，对电路推导如下： k hq 1 、q 6 、r 2 可以得到：，口6 - ，口l 一_ v r 万l n 8 4 1 r 3 上电压：，；2 1 q 6x r 3 ；2 篙嵋三n 8 4 2 q t 、q 2 基极电压：一v b ( q z ) = + ，；+ 2 笔x v r l n 8 1 4 3 第3 8 页，共7 4 页 电子科技大学 硕士毕业论文：d c d c 电源芯片的分析与设计 设q 1 、q 6 放大倍数为b ，则k 口6 ) = k 鲫一号筹4 4 流过r 5 的电流为：i r s 一号孚4 5 电阻r 1 1 上产生的压将为： ，：舢。( 2 v 衄r l 2 n _ _ _ 8 8 + v k + 2 x r 3 v r l n 8 ) 4 。 所以： yj。pk+：。rr：3v。ln8+三警+!j：!挚47 如果b 、r 5 足够大，r l l 较小，可以将v r e ，后面两项略去。 = 心+ 舨r r 3 2 v r 工n 8 4 8 竖；盟+ 2 x r _ 2 一k 。工n 8 ；o 4 9 o to t r 2q 假设监o t = 一2 o m v c 。 篙矗伽 4 5 4 基准的参数设置 根据4 1 0 推导出来的结果，对基准中m o s 管、电阻和电容的参数设置如下： 为了降低静态功耗r 2 = i o o k ，r 3 = 6 0 0 k ；r s = i m ，r l l = i o k ，r o = 2 i ，r 6 = 5 0 0 k 电容c o = 5 p ；为了保证镜像的准确性m l 、m 2 、m 4 、m 5 全部取w l = 2 0 u l o u ；m 9 、 m i o 无要求，取最小线宽即可，m 6 将电流镜像出去，所以l 适当取大为6 u m 。 4 5 5 基准的仿真 4 5 。5 1 电压抑制和温度抑制 掳真软件：c a d e n c e 的s p e c t r e 仿真模型：b s i m 3 v 3 t t 对输入电压进行直流扫描v d c = o 一1 5 v ，观测v r e f 输出电压变化情况。 第3 9 页共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 1 ，、1 0 0 图3 8 论文中基准电压源的电源抑制比 电源电压v c c 从0 - 1 5 v 变化，基准在v c c = 3 0 7 v 时才稳定，为1 2 9 5 4 5 v 当v c c = 1 5 v 时，v r e f = 1 2 9 6 3 0 电源电压删岘2 此d g 等攀一8 2 9 9 5 d b 图3 9 基准对温度的抑制比 图3 9 是该基准的温度抑制比曲线，当温度从5 5 x 2 丑j + 1 2 5 c 变化时，基准电 压从1 。2 9 5 3 8 v 变化为1 。2 9 5 4 4 v 基准电压最高点产生在t = 4 6 c 为1 2 9 5 6 4 v ，最低点在1 1 0 1 2 为1 2 9 5 0 8 v 。 温度删魄等器x 1 0 6 | 2 锄 静态电流3 5 u a 从仿真结果可以看出，该基准启动电压3 v 高于图2 5 中的1 9 v ，而且电压 抑制比8 2 9 9 5 d b 也低于8 9 7 2 d b ，但是它的温度抑制比曲线类似于二次曲率补 偿，高达2 4 p p m ，而且静态电流3 5 u a 也：f l d , 。从式4 7 来看，电阻r l l 越小越 好( 为零更好) 但是，仿真发现，去掉该电阻后，温度抑制比下降很多，所以考 虑r l l 和m l l 可能在电路里有二次曲率补偿的作用。考虑到该芯片是降压芯片， 所以3 v 的启动电压可以接受。 第4 0 页腆7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 4 5 5 2 基准的瞬态仿真 考虑到图3 7 中自举电流镜m 1 、m 2 、m 4 、m 5 构成一个两级放大器，在上 电时，有可能发生振荡，所以，将基准电路初始化( 所有结点电位为o ) ，仿真 上电稳定性。电容c o 越大，m 4 、m 5 管栅上的交流信号越小，振荡越不容易发 生，所以：首先将c o = l p f 进行仿真，结果如下( 图4 0 ) ： l 一 v 5 0 图4 0 将启动电容0 0 将小至l p f ，基准上电输出结果 可以看出，基准电压发生振荡，而且v c c 的变化是它的包络。逐渐增加电 容c o 的值，发现电容变为3 5 p f 时，电路开始正常工作，如图4 1 ： i o o r t r a n s e n lr e s p o n s e 跏籼一 b 十 - 1 p - 卜_ v f , e t o 0 靠：苗、 叫 图4 1 基准做瞬态仿真c 0 = 3 5 p f 考虑到工艺的容差，仿真的精度和版图的面积，设计时，将该电容设为7 p f 。 基准电路中，还同步产生了p m o s 管得偏置电流，仿真结果如下： 4 5 5 3 基准中偏置电流随温度和电源电压的变化 图4 2 基准偏置电流随温度的变化 从该图可以看出，温度从一5 5 ( 2 + 1 2 5 变化，电流只变化了7 7 5 4 1 1 n a 变化6 第4 1 页共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 图4 3 电源电压变化对p b 电流的影响 电源电压从3 v 到1 2 v ，电流从1 2 3 3 9 4 u a 变化为1 2 7 5 9 5 u a ，变化了3 3 4 5 5 4 基准的版图 m 1 、m 2 、m 4 、m 5 、0 3 、q 4 按照一般的匹配画法，q 1 、0 6 参照图2 6 ，电 阻r 2 、r 3 的要求很高，设计时采用多条交叉匹配的方法；电阻参数r 2 = 1 0 0 k ， r 3 = 5 5 0 k ，采用4 k 口的h i p o l y 电阻，为了忽略孔的接触电阻和光刻误差，采用 两倍电阻最小线宽，2 5 7 i 为一个基本单元( 1 0 0 k ，孔电阻相比之下很小) ，设构 成r 2 = 1 0 0 k 的电阻条为a ，构成r 3 = s 5 0 k 的电阻条为b ，版图如图4 4 ： l llllllllll l l一l abab 占b a b ab a ba b a 一 r一 一一一一。一一一一，一一一 图4 4 r 2 、r 3 匹配电阻的四法 r 2 = 1 0 0 k 利用3 个基本单元并联再串联三组共9 个单元构成，r 3 = 5 5 0 k 采用5 个单元串联，再串联两个并联单元共7 个；两边的电阻为d u m 电阻。 4 5 6 基准电路的改进 图3 7 中基准使用q 5 会从q 3 的集电极抽走一部分电流，而且为了降低整个 基准的静态功耗，电阻r 6 的值较大为5 0 0 k ，占用芯片面积较多。可以考虑采 用p m o s 管代替r 6 电阻泄流，0 3 、0 4 的基极电流直接从电源获取，改进后电 路图如下： 第4 2 页，共7 4 页 l orlrrlprrl|rlr。rlr-lh叽叮0叶0噼0止毒 k l 曲鲫 蚰 叽 电子科技大学 硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 图4 5 改进的基准电压源 可以看出，将q 5 当作一个二极管使用为q 3 、0 4 提供基极电流，增加一个 p m o s 管代替泄流电阻r 6 ，以减小芯片面积；而且没有了0 5 的基极电流，q 3 、 q 4 两路电流将更加准确。 4 5 7 改进后仿真结果 d cr e s p o n s e 1 3 v 0 v 1 3 v 0 v 图4 6 改进前后基准仿真结果 仿真结果：启动电压略有下降为2 9 7 v ，输出电压变化了0 8 1 m v ( 图3 7 变化 了0 8 5 m 变化了4 7 ，而且节省了一个5 0 0 k 的电阻。 、4 5 。8 基准电阻1 3 的修调 由式4 8 可以看出，电阻r 2 、r 3 的匹配精度对输出的基准电压值有较大的 影响，所以考虑采用修调的方法进行电阻阻值调节，图4 7 所示： 第4 3 页共”页 电子科技大学 硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 r 翻 仁= _ = 一簦攀艘， ：q 一r m 1 叫t m 干训”* 呻郴 ：v s 8 ：一点1 _ 艟m 舅一蚺盟一： 图4 7r 3 的修调 考虑工艺提供的电阻匹配精度在2 叶2 之间，所以将5 5 0 k 的电阻r 3 分 成7 个电阻，中间设6 个调整p a d ，调整点设为：- 6 、- 4 、- 2 、o 、+ 2 、 + 4 。修调时，直接将对应p a d 接地即可；例如：如果需要5 5 0 k ，直接将o 所接的p a d 连接到地。 4 6 误差比较器 误差比较器是将输出采样和基准电压比较，生成的电压信号控制调整管工 作；一般情况下，误差比较器的输出为高电平，振荡器出来的信号直接控制调整 管的工作：当负载很小时，输出电压变高，比较器输出低电平，关断调整管，实 现跨周期模式口s m ) 工作，以提高轻负载的转换效率。 4 6 1 误差比较器( e a ) 的要求 1 ：失调电压较小 2 ：静态电流小 3 ：转换速率高 4 ：电压增益高，以提高芯片电压调整率 针对以上要求，采用如下电路结构： 4 6 2 误差比较器电路图 图4 8 误差比较器电路图 第“页共7 4 页 电子科技大学 硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 4 6 3 电路分析 该电路是一个不带补偿的三级运算放大器，其中1 、2 级为差分级，第3 级 为共源放大，输出经过倒相器整形、驱动。 由于输入端电压较低，在1 3 v 左右，m 3 、m 4 管容易工作在线性区，影响 第一级的放大和失调，所以电路里使用q 1 ，q 2 将输入信号先提升一个p n 结电 压( 2 o v 左右) ，然后才送给m 3 ，m 4 放大：而且输入采用三级管失调电压小。 m 1 7 的作用是为了限制第二级差分级的输出范围，使差分管工作在饱和区，以 保持较大的增益( 如果管子不是工作在饱和区，会对转移特性有影响) 。 4 6 4 仿真结果 4 6 4 1 开环增益 2 0 0 电 一 1 0 0 0 0 0 一1 0 0 图4 9e a 比较器开环增益仿真结果 仿真方法见图4 ，可以看出，在1 0 0 h z 以下，该比较器保持了1 1 2 d b 的增益( 不 加倒相器的增益) 4 6 4 2 失调电压 比较器的失调电压不能像运算放大器一样测试，所以采用在矾端用正弦波， 频率l k h z ，i p 端用固定电压1 2 9 v ，进行瞬态仿真，测试v o s ，如图5 0 所示： 结果表明，当m 和i n 相差为2 9 8 7 5 m v 时，比较器翻转；由于比较器的增益很 高，为1 0 0 d b ( f = l k 时1 ，所以i p i n = 5 0 u v 时，输出为5 v ，所以2 9 8 7 5 m v 可以 看成是该比较器的失调电压。 第4 5 页共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 7 0 一 一 3 0 1 0 i 3 0 i 2 5 1 2 0 0 02 0 l l l t i m 8 ( s ) 4 0 m6 - 嘶 图5 0 失调电压的仿真结果 4 6 4 3 静态电流 电路里用了5 个p b 偏置电流，每一个为i p a 2 ，l 总= 2 5 1 2 u a = 3 u a 4 7 振荡器 振荡器是电路里最核心的一个模块，原理如图5 l 、5 2 、5 3 所示： 4 7 1 振荡器的原理 受控电流源1 1 在a 的控制下向电容c o 充电，受控电流源1 2 在b 的控制下 对c o 放电；比较器将电容c o 上的电压和基准电压v 1 、v 2 进行比较，经过逻 辑控制电路生成a 、b 信号控制充电和放电，c t r 2 信号控制v 1 、v 2 电平的切 换完成占空比受控的方波信号：o s c o 是振荡的输出。 图5 1 振荡器原理图 第4 6 页共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 图5 2 受控电流源i 原理图( 充电) v f b 是电源芯片的输出v m n 的反馈采样的电压，通过运算放大器o p 和电阻 r 0 将该电压转换为流过m 1 管的电流，通过m 5 的镜像将该电流的i a 取样作 为振荡器电容c o 的充电电流。 图5 3 受控电流源l i 原理图( 放电) 同恒流源i l 一样，1 2 由电阻r 1 、r 2 将v o u t 和v c c 采样，经过运算放大 器o p 和r 3 将该电压信号转换为m 3 的电流，通过m 4 的镜像将该电流的1 b 取 样作为振荡器电容c o 的放电电流。 振荡器的设计和电感c c m d c m 有关，所以下面先对c c m d c m 进彳亍分析。 4 7 2 电感c c m 和d c m 工作 按电感电流i l 在周期开始是否从零开始，可分为电感电流连续工作模式 ( c c m ) 和电感电流不连续工作模式( d c m ) 两种。 第4 7 页共7 4 页 电子科技大学硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 图5 4 电感电流c c m 和d c v l 下面分析一下电感电流c c m d c m 工作时，输出电压v 叽t 和输入电压v i n 的 关系。设续流二极管上压降为v d ，开关管上电压降为v s w ，开关周期为t s ，闭 合时间为h = d 1 t s ，断开时为t 2 - t 1 = d 2 t “d 1 1 ，称d l 为接通时间占空比，体现 开关接通时间占周期的百分值；d 2 6 0 a 一2 0 d 图5 5 振荡器的初始化 0 ，0 02 f 1 0 u4 0 0 u t i m e ( s ) 图5 6 电容c o 上产生的三角波 开始时，v o t r r 接近于零，充电电流很小，所以上升缓慢，随着输出电压的上 升，充电电流变大，上升时间减小，占空比逐渐加大，最后为一个稳定值。 4 7 6 软启动 芯片内部调整管的金属连线面积有限，当流过太大的电流，由于铝迁移现象， 篇5 0 砸，其7 4 甄 电子科技大学 硕士毕业论文：d c - d c 电源芯片的分析与设计 金属会发生断裂；芯片外围的电感有磁饱现象，所以，必须考虑电流峰值。 软启动可以有效地控制电流峰值。以l m 4 5 9 7 为例：软启动特性使启动电流从 7 0 0 m a 降至u 1 6 0 m a ，并延迟和减慢输出电压上升时间；软启动防止大电流使电感 饱和启动期间的饱和电感器可导致电流限值，人为地限制占空比和输出不会发 生。不用软启动解决此问题的另一种方法是用粉末铁芯或m p p 磁芯(