（微电子学与固体电子学专业论文）三端离线式pwm芯片top223的逆向剖析.pdf

塑兰查兰堡主婴窒竺兰些堡窭一 c 功率集成电路简称 独立功能电路的单片集 摘要 p 1 c 。它是包含至少一个半导体功率器件和一个 成电路。它是微电子技术和功率电子技术孝 1 结合 的产物，其基本功能是使动力和信息合一，成为机和电的关键接口a 要 实现功率集成，必须解决多项半导体工艺及设计技术难题，如b c d m o s ( 双极、互补、双扩散的m o s f e t ) 兼容工艺、数模混合、高压、驱动、 散热、隔离等等。 开关电源由于其在性能、体积、价格等方面的优势，在电源市场- i 有 的份额不断增长。最近那些对体积、重量、以及效率非常敏感的电予系 统要求开关电源体积更小，重量更轻。环保意识的增强，各国特别是欧 美等发达国家对节能的要求越来越高。这两方面的要求都促使开关电源 集成电路向更高的要求方向发展。 开关电源集成电路t o p s w i t c h 集成了功率开关管和其它必需的启动、 保护电路，是一种典型的高压功率集成电路。也是在该领域里集各种先。 进技术( 包括电路、工艺、功率管方面) 于一体的集成电路典型产品。厂 本论文深入分析了t o p s w i t c h 1 i 系列中t o p 2 2 3 的线路( 全部的内部 线路都在c a d e n c e 环境下模拟通过，给出了仿真波形) ，并对t o p 2 2 3 的 工艺、器件结构等做了分析，绘制编辑了版图。特别是对功率上d m o s 的结构，进行较为深入的剖析。由于该电路工艺的特殊性，国内没有现 成的工艺可以兼容，也就无法从加工厂家得到版图验证文件( 设计规则 检杳文件，反向提取文件，l v s 文件等) ，所以在最后一章，结合c a d e n c e 中的版图验证工具d i v a ，编写了所有验证所需的文本文件。 塑兰苎兰堕主堕壅竺望些堡兰 ab s t r a c t p o w e ri ci n c l u d ep o w e rt r a n s i s t o ra n dc o n t r o lc i r c u i ta n do u t p u td r i v e ， a l l o w i n ge l e c t r o n i cs y s t e m st od oa c t u a lw o r kf o rs u c hd i v e r s ea p p l i c a t i o n s a ss w i t c hp o w e rs u p p l y ，m o t o r s ，v i d e o ，a n dc o m p u t e rd i s kd r i v e s b e c a u s ei t i n t e g r a t e dp o w e rt r a n s i s t o r ，p o w e ri c i s r e l a t i v e l y m o r ed i f f i c u l t ，b o t hi n c i r c u i td e s i g na n dp r o c e s st e c h n o l o g y r e c e n t c h a n g e s i ne l e c t r o n i c s y s t e m s a r e f o r c i n gh i g h e r l e v e lso f i n t e g r a t i o ni n s w i t c h p o w e rs u p p l yc h i p s t h em o s tn o t a b l er e q u i r e m e n t s a r et h o s e i n v o l v i n gs i z e ，w e i g h ta n de n e r g ye f f i c i e n c y n e wg o v e r n m e n t e n e r g y - e f f i c i e n c yp r o g r a m sa r e f u r t h e r r e s h a p i n gs w i t c h i n g p o w e r - s u p p l y d e s i g n s o n eo ft h ef i r s t i n t e g r a t e d s w i t c h e r so nt h em a r k e tw a sp o w e r i n t e g r a t i o n s t o p s w i t c hf a m i l y t h ed e v i c e sc o m b i n eah i g h - v o l t a g e ( u pt o 7 0 0 一v ) p o w e rm o s f e t w i t hal o w v o l t a g ea n a l o ga n dd i g i t a lc o n t r o l l e ri n at h r e e t e r m i n a ld e v i c e t h ei n t e r n a lf u n c t i o n st h a th a v eb e e n i n t e g r a t e d i n t ot h ec o n t r o l l e ri n c l u d et h eo s c i l l a t o r ，s t a r t u pb i a s c u r r e n ts o u r c e ，c y c l e b y - c y c l ec u r r e n tl i m i t ，p u l s e w i d t hm o d u l a t o r ( p w m ) ，t h e r m a ls h u t d o w n ， a u t o r e s t a r ta n dg a t ed r i v e r t h i sp a p e ra n a l y s i st h ei n t e r n a lc i r c u i t sb a s eo nr e v e r s e e n g i n e e r i n g a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h e ng i v et h ep o s s i b l ep r o c e s sa n di n t e r n a lp o w e r m o s f e ts t r u c t u r e s b e c a u s et h i s c h i p sp r o c e s st e c h n o l o g y i s n o ta s t a n d a r d t e c h n o l o g y ，w e c a n t g e tt e c h n o l o g y f i l e sf r o md o m e s t i c f a b r i c a t i o nf a c t o r yi no r d e rt ov e r i f yt h el a y o u ti nc a d e n c e ，w ea l s oe d i tt h e t e c h n o l o g yf i l e s 塑翌茎兰堡主堑窒兰望些丝兰一 第一章绪论 i 1 电源技术的发展及其对集成电路的要求 1 1 1 线性电源 电源系统有如电子设备的血液，源源不断地向电子系统提供能量。正 如人体系统不同部分对营养成分的需求不同，电子系统对电源的要求也 不尽相同。一般情况下，电源( 如市电) 要经过转换才能合乎电子系统 使用的需要，如a c d c 转换器。多年来，在a c d c 转换器中线性电源 被广泛使用，其中的一个原因是由于它的电路简单，用到的元件少，价 格便宜。电路通常由变压器，桥堆和电容组成。变压器把2 2 0 v 的交流 电压降到合适的电压，经过四个二极管组成的桥堆得到初步的直流电源， 再经过电容滤波。就是一个简单的线性电源了。 但是，这时输出的电压还没有经过调整，如要获得较好的直流电压， 在桥堆后还要加调整电路。当然这要增加费用。图11 就是一个经过初 步调整的线性电源电路。 。 | i】- -= 5 罂踏5 m o s 竖 i 广 土l 卜p 曩 ：甜 ，t 2 。“ 。 t 峙帖懈, 1 0 b t l _ 。tf 】cj o 图】1 线性电源原理图 线性电源的主要问题在于：输出精度低、效率低、散热问题大以及 很难在一个通用的输入电压范围内工作。但最主要的缺陷还是在体积和 重量上。前面提到通过调整器可以使输出精度增加，但这更增加功率消 耗，并使效率更低。线性电源要达到5 0 的效率就不容易丁，而这些f 1 白消耗掉的功还带来散热问题。如果要使线性电源往一个通用输入电脏 浙江大学硕士研究生毕业论文 范同内( 8 5 v 2 6 5 v a c ) 工作，会导致线性电源的效率更低。而单一输 入l uk 佰的线性电源会! 台乍产厂缘借、泉小少麻烦，l 太l 为他们_ i 柑小准备 根彩姚格的电源。， 1 1 2 开关电源 由于体积和重量t 的问题，在f 更携式电器日益增多的今天，线性电源 的应用越来越受到限制。一般来说，凡用半导体功率器件作为开关，将 一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换电路：转 变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( s w i t c hp o w e rs u p p l y ) 。 开关电源自从6 0 年代问世以来，就在各个领域得到r 广泛的应用。 苹果公司是最早在它的电脑中应用开关电源的公司之一，开关电源的应 用也是苹果电脑价格低廉的一个重要原因。而现在，几乎所有的计算机 都采用各种开关电源技术来满足不同的需要。 开关电源中主要的组成部分有：p w m 控制器、功率开关管、变压器 和反馈电路。图1 2 显示的就是一个开关电源电路。它的输入部分由桥 堆和输入电容组成。产生的未经调整的直流电压进入到变压器的原边， 然后耦合到变压器的副边。通过在副边的反馈电路，把输出电压( 或电 流) 的变化反馈到p w m 控制器卜，而p w m 控制电路根据反馈过来电压 ( 或电流) 值的大小来决定功率m o s f e t 开、关时间的长短，从而将输 f 电压( 或电流) 维持在一个稳定的值上。也就是说，通过快速地开、 关开关管( 一般p w m 的开关频率是从5 0 k h z 到1 m h z 之问) ，并由 m o s f e t 开、关时问的长短既占空比来调整存在在变压器原边的能量， 提供一个持续的稳定的输出电压。根据反馈电路的不同，输出精度也才i 同，一般可达15 左右。 图12 开关电源原理图 浙江大学硕士研究生毕业论文 虽说开关电源开始对线性电源构成了威脐，但是早期的开关电源除 【，p w m 控制器和l 自二红讦炎话外，还包括人概4 0 剑8 0 个分、 儿二件构成 一些辅助电路。这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到j ，影u 向。 所以从提高开关电源的竞争力来说，提高控制电路、保护电路的可集成 性，使得电源系统的设计简单化足个关键的问题。 多年来，由于技术上的障碍( 高压，大功率) ，开关电源集成电路在 集成化上一直得不到很大的进步。但是最近这几年，把在开关电源中用 到的功率开关管和低压控制功能都集成到一片芯片中的技术已经慢慢成 熟。因此可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和 安全性，这包括热关断电路、限流电路、过欠压保护电路等等。 通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度 高，转换效率高，性能可靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能 够大幅缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于 5 0 k h z 到1 m h z 的高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于5 0 h z 的低频状态，因此缩小了变压器的体积和重量，而这也就缩小j ，整个电 子系统的体积和重案。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 3 。 最近电子系统微型化，便携化的市场需求非常的强烈。一般的电子系 统中，电源电路占有较大比例的体积和重量。所以电源电路的小型化和 集成化。意义重大。 另外，环保意识的增强，各国特别是欧美等发达国家对节能的要求越 来越高。如果用5 0 多个分立元件来搭成传统的开关电源，那么一般说来 是达不到这种要求的。 令人高兴的是，因为有市场需求的驱动，尽管难度大，成本较高，功 率集成的技术还是得到了非常明显的发展。一系列的新型开关电源集成 电路面市。它们不但在尺寸和效率上能满足市场的需要，更为重要的是 性价比很高。 这些新型的开关电源集成电路一般都集成一个高压m o s f e t 或者双 极型晶体管，一个低压p w m 控制器。一些附加功能，如启动电路，或 各种保护电路也可以集成进去。大部分是以单芯片来实现，有些也用多 芯片封装模式，把功率m o s f e t 和控制部分封装在一起。 这种新犁的开关电源集成电路给电源系统带来了很多优势。首先，它 显著地减少了外围元件数目，由此使开关电源变得更轻更小成为可能。 其次，减少元件数在提高可靠性的同时也减少了费用。 集成化还能带来另外的一些好处，比如：由十提供了更好的过热保护 浙江大学硕士研究生毕业论丈 和过流保护。使应用设计_ t 程师的任务更加简单。 本文将要分析和介绍的就是p o w e ri n t e g r a t i o n s 公卅填有多项世界专 利的t o p s w i t c h 系列开关电源集成电路。这一系列的集成电路把高j i ( 可 达7 0 0 v ) 功率m o s f e t ，低压模拟数字控制电路都集成到了一个三端 的单片器件中去。t o p s w i t c h 是一种离线式的开关a c d c 转换器( o f f - l i n e s w i t c h i n gc o n v e r t e r ) ，也称为开关整流器( 这里所说的离线并不是转换 器和市电线路无关，只是转换器中因有高频变压器隔离，所以叫离线式) 。 值得一提的是，a c d c 转换器工作原理是交流电经过硅桥整流，这时 变换出来是没有调整过的直流电，然后再绎一个d c d c 变换器调整电 压。所以a c d c 转换的关键还是d c d c 转换，这点在第二章的开头将 会给以说明。 1 2 功率集成电路的特点及发展 上节提到电源技术向微型化、节能化发展，要求有更高的集成度。 如果把功率管和控制电路集成在一起，象这种包含至少一个半导体功率 器件和一个独立功能电路的单片集成电路，就q 做功率集成电路，简称 l i c 。它是微电子技术和功率电子技术相结合的产物，其基本功能是使动 力和信息合二为一，成为机和电的关键接口。要实现功率集成，必须解 决多项技术难题，如b c d m o s ( 双极、互补、双扩散的m o s f e t ) 工艺、散 热、隔离等。 功率集成电路可分为两类：一类是高压集成电路简称h v i c ，它是高 耐压功率电子器件与控制电路的单片集成：另一类是智能功率集成电路 简称s m a r tp o w e ri c ，它是功率电子器件与控制电路、保护电路、以及 传感器电路等的多功能集成。 功率集成电路是当今国际一h 正在迅速发展的一个重要技术领域。微电 子技术和功率电子技术的迅速发展为智能型功率集成电路的发展提供r 可能性。集成电路的电隔离技术允许在同一个：占片上集成功率d m o s 器件 和低压的双极型和c m o s 电路，并实现智能化。由于d m o s 器件具有高输 入阻抗、高耐压、电压控制、驱动功率小、多子器件、没有存储效应、 开关特性好、速度高、负的电流温度特性、不易产生热击穿、易于单元 并联实现大的电流容量等特点，因此，用双极酗和c m o s 器件实现低压控 制，用d m o s 作为功率器件，在同一芯片上实现兼容，称为“b c d ”技术 是实现智能化及高压功率集成电路的最好选择。 智能化的功率集成电路往往包含有自诊断、过压、过流、过热、负载 浙江大学硕士研究生毕业论文 短路和开关等一系列控制和保护功能。功率集成电路之所以重要是因为 无论何种电子系统最终都离1 i 开将所处理的信息功率化。 f c 具有的性 能稳定，尺寸小、价格低、节能效率高及智能化等优点，使其j 。泛应用 于各种家用电器、汽车、飞机、导弹、卫星通讯、雷达、计算机、显示 驱动、电机驱动与控制等各种功率控制场合，为机电一体化开辟了新的 途径，其应用市场前景无比广阔。 功率集成电路除了与数字集成电路、模拟集成电路和功率晶体管各自 相同的共性外，还呈现出它本身固有的特点。 1 2 1 电路设计上的特点 功率集成电路最主要的特征是：其电路内部有较大的耗散功率。因此， p i c 的设计主要应围绕电路的发热问题，即在达到所要求的输出功率前 提下，如何尽可能地降低电路内部的功耗，使电路稳定地工作，特别是 使电路少受或不受外界某些应用条件或环境因素的影响。要做到这一点 必须考虑如下一些问题： 1 尽量使电路的主要参数少受或不受温度的影响 要做到这一点，就必须使电路的静态电流对温度的变化具有负的温 度系数，即温度升高，其静态电流减少。否则，将使电路失效或烧毁。 2 芯片不出现热点 指在芯片很小范围内，温度远远超过电路的极限工作温度( i7 5 2 0 0 ) 的热斑。实践表明，“热斑”是半导体功率器件可靠性的宿敌，因此 必须防止“热斑”的产生。在p i c 中“热斑”最可能发生在功率器件所 在部位，因为功率器件每个基本单元所承受电流的不均匀是“热斑”产 生的主要原因。因此，必须采用措施使各基本单元所承受的电流一样， 以防止“热斑”的产生。 3 热稳定性问题 p i e 的热稳定问题不仅牵涉到电路中功率器件自身的结构设计，还涉 及功率器件和大功率电阻在芯片中的布局和热耦合等问题。 4 电源抑制比高 在实际应用中，电源电压总会出现不同程度的变化，p i c 应仍能稳定 地工作。为此应附设某些必要的稳定电路即提高电源抑制比，以提高电 路稳定度。 5 消除寄生振荡 为充分发挥p i c 的功能，般将电路的增益设计得较高，因而，寄 生振荡往往也会伴随着出现。所以，必须采取措施以消除杂散的交流耦 浙江大学硕士研究生毕业论文 合，从而消除寄生振荡。 1 2 2 功率器件制作上的特点 功率器件不仅决定了p i c 的输出功率容景，而且还关系到整个f l c 的工作稳定性及其效率。器件为了达到高耐压的要求，载流子浓度一般 要求比较低，对精度的控制要求也很严格。实践表明，在p i c 中，功率 器件是最难制作的部分。由于要考虑与集成电路其它部分的兼容性，因 此其电压、电流容量都很难达到作为分立器件时的状况。为了改善器件 的电性能，除考虑各种隔离技术外，还开发了各种器件技术，如电场缓 和技术、互补化技术和b i m o s 技术等。将它们引入到p l c 中，以提高p i c 的功率处理能力。 1 2 3 芯片面积与成本考虑上的特点 扩大电路的输出电流或提高电路的工作电压都可增大电路的功率容 量，但却会导致电路芯片面积的增大。实践表明，电路的合格率与芯片 面积不是一种简单的反比关系，而是具有高阶效应的反比关系。也就是 说，随着芯片面积的加大，其合格率将急剧下降，相应的成本也就急剧 上升。还要指出，扩大芯片面积以求增大电路的输出电流时，只有以电 流的均匀分布为前提，否则将毫无意义。 究竟采用何种结构有利要视具体情况而定。因此，对p i c 来说，必须 在其耐压、输出电流、芯片面积和制造成本之间求得最佳折衷。 1 2 4 保护措拖方面的特点 对于p i c ，除了保证稳定工作之外，还必须考虑到工作时可能出现的 瞬时过载情况。输出过载时的电流将超过正常值的数倍。这时如果没有 保护装置，那么电路可能被烧毁或者性能恶化。又如，p i c 在运行时， 内部产生的热量将对器件的性能产生严重的影响。众所周知，器件的失 效率是结温的指数函数。因此，为防止器件高温失效，必须有过热保护。 总而言之，为防止种种瞬时意外情况的发生，必须设置过热、过流、过 欠压保护等电路。 1 2 5 管壳封装上的特点 p i c 封装和管壳的重要性并不亚于芯，1 的设计制造。因为p i c 的热量 散发和电路工作的热稳定性是与其管壳封装休戚相关的。 6 浙江大学硕士研究生毕业论文 从上面的分析可以看出，p i c 是一种很有发展前途的集成电路分支， t i ：填有柚与巨大的应川市场。与然，它的设计、制遗也要比一般的集成 电路复杂和困难得多。 1 3 本论文的工作及意义 目前国内的功率集成电路基本上依赖于进口，随着信息处理的功率 化等一系列原因，对功率集成电路的需求越来越大。面对国内巨大的市 场潜力，早日开发出自己的产品是必由之路。而功率集成电路是集成电 路中难度较大的一种，而且对工艺的要求非常严格。其设计不仅仅是电 路设计，还包括功率器件结构设计和工艺设计，难度较大，成功率较低， 从解剖国外进口芯片开始，步步积累经验，实现逐步向正向设计转化， 也不失为一条好的途径。 基于当前电源管理i c 已成为i c 设计的热门，以及市场的具体需求 情况，本论文以三端离线式p w m 开关控制电路t o p 2 2 3 为基础，经历反向 设计的全过程，尤其是对其中控制电路的原理，功率管的结构以及版图 各个方面进行了细致深入的分析探讨。还排出了可能的工艺步骤。本论 文可分为四个部分，第一部分由第一章和第二章组成，第一章论述了功 率集成电路的特点及发展现状。第二章简单介绍了a c d c 电源电路的原 理和t o p 2 2 3 的应用背景。第二部分即为第三章，也是本论文中很关键 的一部分，主要是深入分析了t o p 2 2 3 中主要反馈控制电路的原理和 s p i c e 的仿真结果，保护电路的原理和仿真结果，以及整体电路的工作 原理和仿真结果。第三部分即第四章和第五章，对t o p 2 2 3 的工艺步骤 及元器件结构进行分析，在最后还对d i v a 验证工具的技术文件的编写 做r 一些必要的介绍。 浙江大学硕士研究生毕业论丈 第二章功率集成电路t o p 2 2 3 的特点及应刈 2 1d c d c 电源电路原理简介 t o p 2 2 3 是t o p s w i t c h m 系列中的只产品。虽说t o p 2 2 3 是一种 a c d c 转换开关稳压器，但从变换的角度来看，外界的交流电压经过硅 桥转换后已形成了初步的直流电压，然后再经过一个d c d c 转换得到 一个所需电压值的稳定的直流电压。因此t o p 2 2 3 的作用应该说仍是一 个d c d c 变换的控制器，下面介绍d c d c 变换的基本原理。 d c d c 变换可分为p w m 式、谐振式以及它们的结合式。每一种方式 从输入与输出之间是否有变压器隔离，可以分为有隔离和无隔离两类。 每一类中又有六种拓扑：b u c k 、b o o s t 、b u c k - - b o o s t 、e u k 、s e p i c 和z e t a 。 从此可以看出d c d c 变换的形式非常多，而d c d c 变换本身不是本论 文讨论的重点。考虑到t o p 2 2 3 器件主要用于采用b u c k 等拓扑结构的离 线式( 有隔离) p w m 开关电源，下面只针对这种类型加以原理性分析，以 便对后面具体器件的要求有更深的认识。 基本b u c k 变换器，又叫降压变换器，电路示意图如图2 1 所示。 + v s 图21b u c k 变换器 r v o 3 以占空比d 工作的晶体管t r 、二极管d 1 、电感l 和电容c 共i 司组 成了b u c k 变换器，完成把直流电压v s 转换成直流电压v o ( v o o ：开关打开时，i s - 0 ， 故i 。是脉动的，但输出电流l o 在l ，d l ，c 的作用下却是连续的、平稳 的。 上面分析了基本b u c k 变换器，它们可以完成直流电平的变换。但是， 它们实际上存在着功能上的局限性，例如，输入输出不隔离，输入输 电压比不能过大以及无法实现多路输出等。这种局限性只能用另一种丌 关变换器中的重要组件一变压隔离器来克服。 最常见的用在开关变换器中的变压隔离器如图23 所示。电路由高频 变压器t 1 和开关管s 1 组成。导通周期几乎可以是整个工作周期。v s d 1 图23 变压隔离技术 与v o 之比由变压器的匝比决定。此电路称为单端变压隔离电路。 图2 3 所示方案有线路简单的特殊优点，广泛应用在输出为低、q ，级 功率的变换器电路中。但它也有一些缺点，例如它的输入电流是脉动的， 幅度由s 1 的占空比和i s 的平均值决定。因此，常需要蹦一种低通滤波 输入装置来平滑这些电流脉动。当开关s 1 不导通时，其上的电压等于源 电压加上从变压器副边偶合到原边的电压。在许多场合，开关的开路电 压比两倍电源电压还要高。同时，它的闭路峰值电流可大于2 倍的平均 输入电流。基于这些原因，这种单端变雕隔离电路的使用受到开关元件 耐压特性的影响，要想得到高的输出功率就应该尽量提高开关管的耐h 这也就是为什么t o p 2 2 3 对耐压的要求这么高的原因r 。 、与然，电压增益可以靠开关占空比调节，也可通过变压器绕组变比调 竹，从而使晶体管在更为合理的占空比范围内工作。 使用单端变压隔离器后，变压器磁芯如何在每个脉动t 作磁通之后都 能回复到磁通起始值，这是一个的新问题，称为去磁复位问题。冈为线 浙江夫学硕士研究生毕业论文 圈通过的是单向脉动激磁电流，如果没有每个周期都作用的去磁环节t 剩磁通的禁加可能导致山现饱和。这时丌芙s l 导通时电流很人：断丌时， 过电l i i 很高，易导致开关器件的损坏。 剩余磁通实质是说明磁芯中仍残存有能量，如何使这种能量转移到别 处，就是去磁环节使磁：占复位的中心任务。具体的磁芯线路可以分为两 种：一种是把铁芯的残存能量自然地转移，如将其消耗在为了复位所加 的电子元件上，或者将其反馈到输入或输出端：另一种是通过外加能量 的方法强迫铁芯的磁状态复位。具体采用哪种方法，可视功率的大小， 所使用的磁芯磁滞特性而定。 图2 4 给出简单的转移损耗法磁芯复位线路。它把残存能量引到稳压 管d z l 处。d z l 的反向击穿、瞬时导通，既可限制开关晶体管s l 的反 压，又可使磁芯去磁。这种去磁电路把储存在铁芯里的能量消耗在稳压 管d z l 回路里。 图24 去磁复位电路 + 像图23 所示的这种把单端变压隔离器和降压变换器相结合的电路 t + 1 ，当电源输入电压最小和负载最大时，开关的占空比有最大值。随着 v s 增加，原边开关管s 1 的占空比d 会减少。当源电压v s 减小时，为 维持输出电压稳定，开关占空比趋向增大。然而正如在上面图2 4 中解 释的那样，总是要使变压器的磁芯去磁复位。占空比d 如果太大，去磁 将会很困难。因此可以通过增大v s ，或者改变变压器的匝数比，使d 略 为减少。实际上，d 的值常限在06 o7 之间。t o p 2 2 3 集成电路内部限 定的最大占空比是0 6 5 。 2 2t o p 2 2 3 简介 2 2 1内部结构和功能特点 t o p 2 2 3 是三脚封装的离线式p w m 开关电源控制器，它的典型席h j 说明如图25 所示。t o p 2 2 3 把一个开关电源系统中所必需的功能几乎全 部都集成到了芯片之中。如：功率m o s f e t 、p w m 控制器、岛n 三启动 1 0 塑! ! 茎兰堡竺塞生望些堡塞一 电路、保护电路等。 t o p 2 2 3 的内部功能框图如图26 所示： 图26t o p 2 2 3 内部框图 从图26 可以看出该电路的最大特色是把管脚数降到最少三个管 脚。振荡器内置使管脚数减少了两个；由内置的高压功率管来提供启动 偏置，又减少了一个管脚。而三个管脚之一的控制脚c o n t r o l ，除 r 给内部电路供电外，还给出了反馈电流信号，用于控制电路的旁路电流 和控制p w m 的工作比。除此之外，用内部功率管( m o s f e t ) 的导通 电阻当作敏感电阻，来寰现每周期的限流保护，等等。这些都是该电路 的特色所在。 图25 中就是t o p 2 2 3 的一个典型的应 _ j 示意图，从中我们可以看到， 输出端电压的变化，通过光耦器件转换成电流的变化，反馈到t o p 2 2 3 t 卜。t o p 2 2 3 根据这个反馈电流来调整片内开关管的栅控信号的占空比， 从而得到个稳定的输出电压。反馈电流除了起到上面的作用外，还要 给整个t o p 2 2 3 芯片供电。电流分配的大致情况如f ：反馈电流小于 2 m a ，这个电流不能或只够满足电路的基本工作要求；在大干1 m a 时， 电路基本 ：能够开始工作，p w m 波的t q - 空比为最大；当电流在2 m a 剑 6 m a 之间时，p w m 波随着反馈电流线性变化：而当反馈电流在6 m a 以 浙江大学硕士研究生毕业论丈 l ：时，p w m 波的，i 空比为最小。多余的反馈电流通过旁路分流器件分流 剑地。 2 2 2 芯片管脚功能和典型参数 引脚功能( 见图27 ) d r a i n 脚： 输出管m o s f e t 的漏 极。在启动时，通过一个内 部开关控制的高压电流源 提供内部偏黄电流。内部电 流感应点。 c o n t r o l 脚： 作为占空比控制时，是 误差放大器和反馈电流的 输入端。正常工作时，是分 流调整器，提供内部偏最电 流。也用做内部电路和自动 至启动补偿电容的连接 点。 t a b i n t e r n a l l l y c o n n e c t e dt os o u r c ep i n s o u r c e s o u r c e s o u r c e c o n t r o l t o - 2 2 0 c y 0 3 a ) d i p - 8 ( p 0 8 a ) s m d - 8 ( g ) d r a | n s o u r c e c o n t r o l s o u r c e ( h vr t n ) s o u r c e ( h vr t n ) s o u r c e ( | vr t n ) d 尺a s o u r c e 脚：图27t o p 2 2 3 管脚封装图 y 型封装时，是输出 m o s f e t 的源极，作为高压电源的回路。原边控制电流的公共参考点。 p 和g 型封装时，是原边控制电流的公共参考点。 s o u r c e ( h v r t n ) 脚( p 和g 封装) ： 输山管m o s f e t 的源极，作为高压电源的回路。 芯片参数 1 极限参数： 漏极电雎：一0 3 v 剑7 0 0 v 漏极电流增加速度( i - ，每1 0 0 n s ) ：一一01 l l i m n 。x 控制脚电爪：一03 v 剑9 v 挖制脚电流：一一一一1 0 0 m a 浙江大学硕士研咒t = 二毕l j ，论文 储存温度： 一一一一一一6 5 到1 2 5 t 作结湍度：一一一一一4 0 刭1 5 0 2 其它重要参数： 最大功率：一一一一5 0 w ( 单一值电压输入) ：一3 0 w ( 宽范围电压输入) * t o 一2 2 0 ( y ) 封装 ：一2 5 w ( 单一值电压输入) ：一一一1 0 w ( 宽范闱电压输入) 4 8 lp d i p ( p ) 封装 导通电阻：78 1 2 ( i n = 1 0 0 m a ，t 。= 2 5 ) 保护电流： 一1 0 0 a ( t 。；2 5 ) 最大占空比：一一一一6 7 3 浙门。犬学硕士研究生毕业| 仑丈 第二章t o p 2 2 3 内部l 乜路分析 可以说t o p s w i t c h 是一个自我偏簧、自我保护的用线性电流控制占 空比转换的开关电源。通过集成尽可能多的功能电路和采用c m o s 的电 路形式来得到很高的转换效率。c m o s 工艺与双极型工艺及分立元件方 案比较，能够显著地减少偏簧电流，降低功耗，这一点在很多教科扣中 都有提到和解释，这里不再说明。在这一章中，会对图26t o p 2 2 3 功能 框斟中 现的每一功能块进行分析，给出它们的仿真图。这些功能块是： 偏置电路、分流调整器误差放大器电路、锯齿波发生器电路、p w m 比 较器电路、最小导通时间延迟、驱动电路、组合逻辑电路( 以e 这些构 成t o p2 2 3 的主电路部分) 、温度保护电路、过流保护电路、欠压保护电 路、8 分频复位延时电路、高压充电电路等( 这些构成t o p 2 2 3 的保护l 乜 路部分) 。下面两节对此做详细分析，第三节做t o p 2 2 3 的总体介绍。 3 1主回路电路原理和分析 3 1 1 偏置电路 在t o p 2 2 3 中，尽管偏置电路不是一个独立的功能电路，但是它对整 个电路的性能有极大的影响。有些电压值要求非常精确，如误差比较器 的基准电压等，彳i 但要求不受电源的影响，而且也要不受温度的影响。 这一点由于t o p 2 2 3 是功率集成电路而显得更加重要，因为温度的波动 是难免的。因此在t o p 2 2 3 中多采用“带隙电压基准”，它的原理足：晶 体管的摹射结电压、，b 。有负的温度系数( 一2 m v 。c ) ，而电压v ，( v ，= 姐q ) 在室温下的温度系数是正的( 0 0 8 5m v ) 。若将电压v 乘以常数( ；， 耳与电压v 。，求和，则输出电压为： v r e f 2 v b e + gv t ( 21 ) 这样，得到的电监在常温 、基本上足零温度系数。在宽温度x 的温，业 系数也非常的低，能满足设计的需要。 图3l r 】所示右边电路q l q 8 ，r 1 r 4 就是一个典烈的带隙电胍堆 准，又称维德勒带隙基准。 r i = r 2 ，q 6 的面积约是q 5 【f i 积的8 倍。随着v 。从零开始增大，开 始时q 5 、q 6 、q 7 截f t ，j 旨电源电压接近o 7 v 时，0 5 导通。存t o p 2 2 3 q 1 ，q 6 的面积大于q 5 ，所以q 6 饱和。随着t u 源电压继续增人，于 r ，的作用，q 6 退出饱和，q 7 导通，电路稳定下来。r ，仁电流为 浙江大学硕士研究生毕业论文 i r 3 = ( v b e 5 - v b e 6 ) r j 2 v ：l n ( i s s 1 s 6 ) r 3 ( 22 ) 图31 偏置电路原理图 那么q 4 的发射极电流为： i e 4 2i e 3 = 2 v t l n ( 1 s 5 1 s 6 ) r 3 q 4 的发射极电压为： v o u t 。v e 4 2 v b e 8 + 2 r 4 v l i n ( 1 s5 i s 6 ) r 3 比较式21 和2 4 可知： g 2 2 r 4 l n ( 1 s 5 i s 6 ) r3 那么q 3 的发射极电压为： v e 3 = v b e 7 十r 2v t l n ( i s 5 i s 6 ) r 3 比较式21 和26 可知： g 2 r 2 l n ( i s 5 i s 6 ) r 3 【23 ) ( 24 ) ( 25 ) ( 26 ) ( 27 1 i s 5 几6 为8 ，r 。2 2 r 。，r 。r ，= 1 l3 ，基本上就可以在q 3 、q 4 的发射极 得到常温下零温度系数的电压。 陶32 是温度从一2 0 到12 0 的s f ，i c e 仿真图。可以看到，基准电j r 随温度的变化很小，在5 0 p p m 左右。 当电源电压升高，q 3 基极电难升高，电流增加，显然q 7 的基极电 - i 升高，就会把q 3 的基极电压拉下来。这是一个负反馈的过稃，电源 电压降低的情况与此类似。正是这种负反馈使得这个电路对电源变化的 影响彳；敏感。图3 3 的仿真结果中，卜瓶部分是电源电j 矗，f 面部分是 输 b 磬准电压。 浙江大学硕士研究生毕业论文 2 7 9 0 2 7 3 0 2 7 7 0 j2 7 6 一 12 7 5 0 12 7 4 0 1 2 7 3 9 12 7 2 0 t m n s l e n tr e s p o n s e 2 7 。f = _ = _ 二二= = = 二_ = = 二= = 二= 二工= _ 二_ = = 二二二= = 二= = = _ = 。- a 。2 。“ t i m ：。? ：) 6 。“ 8 。毋“ t i m els 63 0 60 0 5 7 0 54 0 图32 偏置电路温度特性仿真图 图33 偏置电路稳压特性图 在t o p 2 2 3 电路中要求的偏嚣电压不止一个，它们基本上都是由这 个基准电压产生的。 图31 左边电路产生一个偏置电压。q 1 6 的栅电压是带隙电压，当温 度升高时，i n s 变小，1 。1 。：变大；而1 。变小，i d 。变小，精确地调整 两边电阻、电流镜的比例，可以得到温度系数很小的偏置电压。q 1 2 q 1 5 6 塑婆茎兰堡主堑壅竺竺些堡茎一 组成了共射共基结构的电流源，它具有输出电阻高的优点。这里要说明 n 勺是：j 于片内集成j 功率m o s f e t ，温度的变化会给电路性能带米很 大的影响，有必要在各方面仔细考虑。 3 1 2 分流调整器误差放大器( s h u n tr e g u i a l o r ，e r r o ra m p l i f i e r ) 图34 中的电路就是分流误差放大电路。左边是差分放大器，右边 是放大级和电平调整。q 6 实现旁路分流的作用，它是宽长比蔚j 当大的 p m o s 管。当控制脚的电流过大，自然在q 6 的栅极会出现一个低电压， 大量的电流可以通过q 6 分流到地。r 7 、c l 组成了7 k h z 低通滤波器。 具体的工作过程下面分析。 开始启动时，控制脚的电流慢慢增加，当电流小于1 m a 时，在电阻 r 4 上的分压远小于1 2 7 v 的基准电压，q 3 的集电极输出为高电平。分 流管q 6 、q 7 基本上截止。输出电压大于锯齿波电压，整个电路在最大 的工作比6 7 下工作。当电流大于1 m a ，小于2 m a 时。分流管开始导通， 把这一部分电流分流掉，电路仍然以6 7 的工作比工作。当电流大于2 m a 时， q 4 、q 5 组成的差分误差放大器开始工作，当电流增加时，q 3 集电 极电位变低，q 6 、q 7 电流增加，通过q 8 电流镜使q 9 、q 1 0 的电流增 加，输出电压开始下降，工作比也开始下降。当电流是在2 m a 和6 m a 之间，这时的输出电压随着输入电流的增大而减小，呈线性变化。当电 流大于6 m a 时，同上过程一样，输出电压被拉到低电平，电路以最小 的工作比工作。误差放大器又处于非线性状态，q 3 的集电极电压为低电 平，反馈到控制脚v 。的大部分电流通过q 6 分流到地。 塑翌茎兰堕主塑塞兰兰些堡茎 由于输出的信号要与锯齿波进行比较，这个输出信号的幅度一定要经 过涮簪，n ：这个f 也路r | j 卜要是r 6 起剑这个作1 t j 。 该电路的s p i c e 模拟结果分析如所示：上面波形是当反馈电流彳【：2 m a 到6 m a 之间时，控制脚的电压信号：下面的波形是输出信号，可以看到 这个信号经过了放大和电平调整。 57 。，：哭控： 5 6 , 8 5 6 6 图3 5 误差放大器的仿真图 3 1 3 锯齿波发生器电路 t o p 2 2 3 电路采用片内锯齿波发生器，原理是用恒流源对内置电容进 行充、放电，两个分别具有高低电平的比较器来确定何时充电，何时放 电。同时，也产生一个用来确定最大工作比的脉冲信号。图3 6 中：双 图36 锯齿波发生器电路 压 冲 压 浙江夫学硕士研究生毕业论文 极掣晶体管q 1 0 的发射极输出锯齿波。q 3 0 、q 3 1 这个反f j 输出脉冲波。 0 1 一q 5 通过偏茕电路求提供一个恒流源，q 6 、q 7 的栅r 乜是t f 为反 棚的。当q 7 的栅电壤为低电半，q 6 的栅电雕为商电平，则电流对电容 c 1 进行充电，为锯齿波的上升沿。反之，恒流源流经0 6 、q 8 ，i 司时q 8 、 q 9 组成电流镜，c l 上的电流被q 9 拉下来，输出为锯齿波的下降沿。充 放电流的比例，也就是上升沿和卜降沿的比例，由q 8 、q 9 的宽 乏比决 定。 图36 中，q 1 4 ，q 13 ，q 1 2 组成r 高电平参考电压，约为2 v ；q 3 2 ， q 3 3 ，q 3 4 组成了低电平参考电压，约为0 7 v 。 当电路开始工作时，c l 上的电压为低电平，这时，不管是q 1 7 还是 q 18 导通，由于q 2 0 、q 2 l 的栅为低电平，比两个参考电压都低。那么 在q 2 5 的栅极输出为高电平。a 点电压为高电平，b 点电压为低电平， q 7 导通，q 6 截止，恒流源对电容充电。q 18 截止，q 1 7 导通。q 1 9 ， 0 2 0 这个比较器工作。 当对c 1 充电到2o v 时，大于参考电压，比较器开始翻转。输出低 电平，a 点为低电平，b 点为高电平。那么，q 7 截止，q 6 导通，电容 c l 开始放电。同时，q l8 导通，q l7 截止，左边的比较器关闭，右边的 比较器开始工作。 当c 1 上电压降到o 7 v 时，比较器翻转。输出高电平，a 点为高电 平，b 点为低电平。恒流源又开始对电容充电。 如此循环，产生锯齿波