（微电子学与固体电子学专业论文）双输出正负电压dcdc开关电源控制芯片的设计.pdf

上海大学顼士学位论文双输出正负电压d c d c 开关电源控制芯片的设计 摘要 基于目前市场上便携式产品中的l c d 、o l e d 显示技术对于正负偏置电源 的需求，本文旨在研究一种高集成度的、可同时输出一组正负电压的单电源供 电d c - d c 开关电源控制芯片，该芯片需具备高稳定性，低功耗，较高的转换效 率等特点。 本文首先设计了芯片的整体框架，并分析了正电压v d d 和负电压v s s 的 实现原理。由于芯片内部正电压和负电压控制模块具有类似的结构和功能，同 时，考虑到将负电压输出部分的反馈引入芯片内部有一定的实现难度，因此本 文以负电压控制部分为主，设计了芯片内部的电路结构，其中，主模块电路、 保护电路以及部分辅助模块电路均可用于正负两个控制部分。本文设计的主模 块电路包括：电压基准、误差放大器、振荡器以及p w m 比较器，其中电压基 准的设计对传统结构进行了一些改进，使其具有高精度和高电源抑制比，增加 了基准的可靠性；除了主控制模块以外，芯片功能的实现及性能的提高还需要 一些辅助模块，包括：偏置电路、功率管驱动电路、采样电路、逻辑控制电路 和软启动电路，在负电压控制部分，采样电路是对输出负电压进行采样，并引 入反馈，本文通过叠加基准电压的方法解决了引入负电压反馈的问题；为了保 证芯片不受损坏，还增加了保护电路，包括：过温保护电路和欠压保护电路。 每个模块经过仿真证明均符合设计指标。最后，本文基于一种改进的升压变换 器结构，对负电压输出部分进行了系统仿真。 本文设计的控制芯片基于上华o 6 u mc m o s 工艺，采用电压控制模式， p w m 调制方式，结构简单，工作稳定。其主要技术指标接近同类先进产品水 平，能够在2 2 、似5 v 的电源电压范围，2 5 0 c 8 5 0 c 的温度范围内正常工作； 负电压部分固定1 2 v 输出电压，线性调整率小于3 m v n ，额定输出电流2 4 i n a ， 满载转换效率达8 6 5 ，输出电压纹波小于3 0 u v 。 关键词：开关电源，电压控制，正负电压，升压变换器 v 上海大学硕士学位论文 双输出正负电压d c d c 开关电源控制芯片的设计 a b s t r a c t b a s e do nt h ei n c r e a s i n gd e r n a n do fap a i ro f p o s i t i v ea n dn e g a t i v ep o w e rs u p p l y f o rt h en o vd i s p l a yt e c h n i q u el c da n do l e d ，e s p e c i a l l yt h el a t t e rw h o s el a r g e p o t e n t i a lm a r k e th a sa l r e a d ye m e r g e d ，t h es u 切e c to ft h i st h e s i si st os t u d ya k i n do f 1 l i g hi n t e g r a t e dd c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l l i n gc h i pw h i c hc a no u t p u t t w ov o l t a g e sw i t ho p p o s i t e l yp o l e s t h i sc h i ps h o u l dp o s s e s sal o to fc h a r a c t e r i s t i c s i n c l u d i n gh i g hs t a b i l i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , h i g he f f i c i e n c ya n d s oo n t h i st h e s i sf i r s t l yp r e s e n t st h ew h o l ec h i pf l a m e ，t h e ni n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o n m e t h o do ft h ep o s i t i v ev o l t a g ev d da n dt h en e g a t i v ev o l t a g ev s sr e s p e c t i v e l y b e c a u s et h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ev o l t a g ec o n t r o l l i n gm o d u l e si n s i d et h ec h i ph a v e s i m i l a rs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ea n dt h e r ea r es o m ed i f f i c u l t i e so ft h ef e e d b a c ko f n e g a t i v ev o l t a g eo u t p u t , t h ed e t a i l e dc i r c u i t sd e s i g ni nt h i s t h e s i sf o c u s e so nt h e n e g a t i v ev o l t a g ee n n t r o u i n gm o d u l ea n di tc a nb eu s e df o rr e f e r e n c et ot h ep o s i t i v e m o d u l e t h em a i nm o d u l e si n c l u d et h ev o l t a g er e f e r e n c e ，e r r o ra m p l i f i e r , o s c i l l a t o r a n dp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) c o m p a r a t o r c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a l s t r u c t u r e ，t h ev o l t a g er e f e r e n c ei nt h i st h e s i sh a sb e e ni m p r o v e dt oa c h i e v eg o o d p r e c i s i o na n dh i 曲p s r r ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t e ) ，a n dt oe n h a n c ei t sr e l i a b i l i t y b e s i d e st h e s em a i nm o d u l e s ，s o m eo t h e rm o d u l e sa r ea l s on e c e s s a r y , s u c ha st h eb i a s c i r c u i t ，d r i v e r , s a m p l i n gc i r c u i t ，l o g i cc o n t r o lc i r c u i ta n ds o f ts t a r t - u pc i r c u i t i nt h e n e g a t i v ec o n t r o l l i n gm o d u l e ，t h en e g a t i v eo u t p u ts a m p l ec a n tb eb r o u g h t b a c kt ot h e c h i pd i r e c t l y , s ot h es a m p l ei sp r o m o t e d t op o s i t i v eb yt h ev o l t a g er e f e r e n c e t ok e e p t h e c h i pw o r k i n gs a f e l y , t h ep r o t e c t i o n c i r c u i t sa r e r e q u i r e di n c l u d i n g o v e r - t e m p e r a t u r ea n du n d e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t s a l lm o d u l e sa r ev e r i f i e dt om e e t t h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t sb yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n f i n a l l y , w i t han o v e lb o o s t c o n v e r t e r , t h en e g a t i v ep o w e rs u p p l ys y s t e mi ss i m u l a t e d i nt h i st h e s i s ，t h ec h i pu t i l i z e sc s m c0 6 u mc m o sp r o c e s sa n da d o p t sv o l t a g e c o n t r o lm o d ea n dp w mm e t h o d i th a ss i m p l es t r u c t u r ea n ds t r o n gr o b u s t n e s s 。t h e c h i e f t e c h n i c a lt a r g e t sr e a c ht h ea d v a n c e dr e l a t i o n a li cp r o d u c t s l e v e l t h ec h i pc a n v i 上海大学硕士学位论文 双输出正负电压d c d c 开关电源控制芯片的设计 w o r ks t a b l yd u r i n gt h ev o l t a g er a n g eo f2 2 vt o4 5 vo ft h ep o w e rs u p p l ya n dt h e t e m p e r a t u r er a n g eo f 一2 5 0 ct o8 5 。c t h en e g a t i v ep o w e rs u p p l ys y s t e mh a sas t a b l e o u t p u to f - 1 2 vw i mt h er e g u l a t e dr a t i ol a s st h a n3 m v n , c o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya s h i g ha s8 6 5 a n dt h eo u t p u tr i p p l el e s st h a n3 0 u v k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , v o l t a g ec o n t r o l ，p o s i t i v ea n dn e g a t i v eo u t p u t ， b o o s tc o n v e r t e r v 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d c - d c 开关电源控制芯片的设计 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签 名：陋 e t 期：迦亟丝 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：函盟生一导师签名：啤 日期：业 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d c i x ：开关电源控制芯片的设计 1 1 开关电源概述 第一章绪论 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方 向发展。电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制并向各种用电负 载提供优质电能的供电设备。其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，据 统计电子设备的故障6 0 来自电源，因此，电源越来越受到人们的重视。 现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类【”。 所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在放大区。这种稳压电源不会引入额外 的干扰，但是其体积较大，功率主要取决于变压器和功率管，且变换效率低， 一般只有3 5 “0 ；开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性 就是变换效率高，可达7 0 9 5 。开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗 小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点。此外，开关电源和线性电 源二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源 成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创 新，开关电源技术在不断地创新。进入8 0 年代，计算机电源全面实现了开关电 源化，率先完成计算机的电源换代，进入9 0 年代开关电源相继进入各种电子、 电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已 广泛地使用了开关电源。目前，为适应i t 产品和通信设备的小型化，便携式发 展，要求开关电源的体积更小，效率更高，更促进了开关电源技术的迅速发展。 开关电源可分为a c a c 、d c a c 、a c d c 和d c d c 四大类，其中d c d c 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化， 并已得到用户的认可。由于便携式电子产品一般采用的是电池供电，这对电源 的效率和体积有很高的要求，而d c d c 变换器可以达到这些要求，因此目前 d c d c 开关电源技术发展迅速。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关 晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般 由脉冲宽度调制( p w m ) 控制i c 和m o s f e t 构成。采用p w m 控制技术可以 上海大学硕士学位论文 双输出正负电压d c d c 开关电源控制芯片的设计 使输出直流电压稳定在波动允许的幅值之内，从而抑制输入电压或负载变动弓 起的波动，实现稳压功能。 1 2 开关电源的发展史 开关稳压电源的发展己有3 0 多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂 贵【2 j ，仅用于卫星电源等少数领域。2 0 世纪6 0 年代出现了晶闸管相位控制式开 关电源，7 0 年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率 低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。7 0 年代后期以来， 随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种 新型节能电源才重获发展。将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模 块内。由于外部接线、焊点减少可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品 体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。 电源的集成化使得它被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视 机等领域中。随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强的 大规模集成电路的不断出现，使电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的 减轻，与之相比，电源要笨重得多。在现代智能化电子产品中，电源体积要比 微处理器大几十倍，如何减小开关电源的体积，面临着新的挑战，提高频率也 是开关电源要面临的问题。理论分析和实践经验表明，电器产品的体积、重量 随供电频率的平方根成反比的减小，所以当把频率从5 0 h z 提高到2 0 k h z ，提 高4 0 0 倍，用电设备的体积、重量大体上降至工频设计的5 5 0 。但是，频 率提高以后，对整个电路中的元器件又将有新的要求，因此高频工作下的有关 电路元器件也有待于进一步的研究。 我国对开关稳压电源的研制工作开始于6 0 年代初期，7 0 年代起，我国在 黑白电视机、中小型计算机中开始应用5 v ，2 0 2 0 0 a ，2 0 k h z a c d c 开关电源。 8 0 年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究o 5 5 m h z 准谐振型软开 关电源。8 0 年代中，我国通信电源在a c d c 及d c d c 开关电源应用领域中所 占比重还比较低。8 0 年代末，我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压 一整流电源和晶闸管相控稳压电源为大功率a c d c 开关电源所取代，并开始在 办公室自动化设备中得到应用。9 0 年代我国又研制开发了一批新型专用开关电 2 上海大学硕士学位论文 双输出正负电压d c d c 开关电源控制芯片的设计 源，如远程火箭控制系统用的d c d c 开关电源等。多年来，虽然我国在开关稳 压电源方面得到了很大发展，但还存在集成度差、使用方法复杂等缺点。未来 的开关电源应该是更加小型化、高效率，其内部的各个功能模块相对独立，并 可以根据要求进行组合，在整机电路中形成一个黑匣子，被作为一个元器件来 使用。今后，采用对环境无害的电路方式、对电子元件进行最优化设计将继续 是开关电源设计的主要课题。 1 3 开关电源的国内外动态 电源产品的应用十分广泛。据统计，2 0 0 5 年。全球开关电源的市场规模达3 4 0 亿美元。模块电源作为开关电源的一个分支，在通信、汽车、电力控制以及军事 等领域中占有重要的地位。据统计。模块电源的全球市场规模已由1 9 9 9 年的3 0 亿美元增加到2 0 0 4 年的5 0 亿美元。在国内，由于信息、家电领域，特别是电信 领域的迅猛发展。推动了电源市场的发剧3 1 。目前，在我国通信、信息、家用电 器等领域，普遍采用了开关电源。其中，通信d c d c 电源是增长速度最快的一部 分。程控交换机市场经过几年的发展之后趋于平稳，移动通信己成为发展热点。 预计中国开关电源市场总额在7 0 亿元人民币以上，单片开关电源所占的比例将 会越来大。 单片开关电源的主要应用领域有： 1 通用开关电源：各种通用开关电源、开关电源模块、糟密开关电源模 块和智能化开关电源模块等； 2 专用开关电源：微机电源、u s b 接口电源、彩电、录像机等家用待机 电源、手机电池充电器、调制鳃调器电源、电子仪器仪表电源等； 3 特种开关电源：恒压恒流型开关电源、恒功率输出型开关电源等。 国外开发电源管理芯片的厂商很多，主要有i r ，m a x i m ，他们的产品都已经 非常成熟，能够提供高质量、全系列的，包括降压、升降压，固定、可调输出， 不同负载能力的电源管理芯片。国内开关电源自主研发及生产厂家有3 0 0 多家， 形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，并有少量开始出口。 然而，同国产手机、d v d 机产业一样，其红红火火的表象难掩其缺乏核心芯片 技术的尴尬。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。这些 3 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d c d c 开关电源控制芯片的设计 芯片厂商普遍能够提供令国内厂家满意的电源管理芯片，但是，由于没有国内 厂家参与竞争，他们的报价几乎都在其成本的四倍左右。这样，不但使电源整 机的成本居高不下，大部分利润被国外厂商剥夺，而且技术上受制于人，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。 1 4 开关电源的发展方向 开关电源技术的发展是一个系统工程。主要技术平台包括电路拓扑结构、 标准i c 及器件、传统及成熟设计技术、e m c 及国际安全标准、c a d c a t 计算 机仿真及制造平台、自动在线测试及功能测试。制作工艺等一系列技术的规范 化、量产化。其中先进的制作工艺和质量控制技术平台是其中最重要的部分。 以下几个方面将是开关电源发展的方向【5 】【6 】： 1 小型化、轻量化和高频化。 开关电源的体积、重量主要由储能元件( 磁性元件和电容) 决定，因此，开关 电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频 率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干 扰、改善电源系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 2 高效率和高可靠。 开关电源使用的元器件大大少于线性电源，因此提高了可靠性。电容、光 电耦合器以及功率m o s 等元器件的寿命决定开关电源的寿命。因此，要尽可 能采用较少的元器件，提高集成度。另外，开关电源的工作效率高，会使自身 发热减少、散热容易，从而达到高功率密度、高可靠性。 3 低噪声和良好的动态响应。 开关电源的缺点之一是噪声大。单纯追求高频化，噪声也会随之增大。采 用部分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声。同时，开关电 源的动态响应速度也有待于进一步的提高。 1 5 课题的引出 功能先进的显示器逐渐成为现今消费电子产品的重要特色，这些新型显示 4 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d c - d c 开关电源控制芯片的设计 器所发挥的作用，通常会强化使用者对于整体产品的印象，而这样的印象最终 会决定该产品在市场上会多成功川。使用者在面对移动电话和掌上电脑时，对 新型显示器的印象尤为重要，因为高解析度彩色屏幕已成为这些产品的必备功 能。多种新型显示技术正扩大其市场占有率，包括新出现的有机发光二极管 ( o l e d ) 显示器在内，它们拥有对比度高、响应速度快、省电和视角宽等诸 多优点。 平板显示器件( f p d ) 主要包括l c d 、p d p 、o l e d 等，是具有广阔前景的 显示技术。我国的平板显示产业在2 0 0 6 年继续保持了强劲增长势头，特别是 t f t - l c d 、p d p ( p l a s m a d i s p l a yp a n e l ) 等产业的发展尤其突出。随着整机产品 向数字化、网络化、智能化、多功能化和薄、轻、小的方向发展，f p d 产业进入 了新的高速发展阶段。目前o l e d 技术正趋于成熟，商品化的进程不断加快，并 且将具有越来越大的技术和市场发展空间。尤其与传统l c d 技术相比，o l e d 技 术有很多优势，因此带来了销售量的高速增长。o l e d 是在导体间放置一系列有 机薄膜制成的，自身发光，无须背光，因此要比t f t 或有源矩阵l c d 的构架简单； o l e d 的封装更薄，正适合用于空间受限的便携系统；除了上述这些优势，o l e d 还实现了更丰富的色彩和更宽的视角。在今后的几年内，o l e d 无疑将突破手机 副屏这一目前的主要应用领域。韩国市场调研公司d i s p l a y b a n k 的研究表明，由 于更多的数码相机、m p 3 播放器和掌上游戏机等便携产品的生产商开始采用 o l e d ，其全球销售量今年将增长6 4 ( 从2 0 0 5 年的6 1 0 0 万件n 2 0 0 6 年的约1 亿 件) 。 关于o l e d 、t f t - l c d 技术和驱动方法的选择，也会影响电源供应电路的需 求【8 1 。便携系统的设计者采用o l e d 时会面临另一个挑战如何给这一新的显 示技术供电。稳定的电源输出电压是o l e d 显示器良好图像显示效果的前提。目 前，1 5 英寸的o l e d 显示屏需要在1 0 1 8 v 范围的两个输出电压，以后的设计中 可能会需要更多的电压水平。 当前许多手机、数码相机及其它便携式设备中的有源矩阵l c d 和o l e d 子系 统要求正负两种偏置电源，它必须提供低功耗和高效率，解决方案的体积也要很 小。根据显示器尺寸和解析度不同，其驱动元件需要的电压值也不同。提供给显 示器的电压纹波必须很小，开关频率也必须固定，才能将画面失真和交互耦合效 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d g d c 开关电源控制芯片的设计 应减至最小。以往传统的方法是使用两套直流直流转换器来为两个电压负载供 电，这样的供电方法集成度低，导致成本和体积的增加。目前市场上完善的解决 方案极少，市场上主要的产品是t i 公司推出的用于有机电致发光二极管( o l e d ) 显示器的双输出d c d c 转换器t p s 6 5 1 3 0 ，该芯片能同时提供高达正1 5 v 和低至负 1 2 v 的两路电压输出；另外还有r i c h t e k 公司推出的一款用于给有源矩阵有机电致 发光二极管( a m o l e d ) 提供正负电源的d c d c 转换芯片。 本课题所研究的就是采用固定频率的p w m 开关信号的升压控制变换器，能 够输出两路可调的正负电压，可以为中小尺寸的o l e d 或t f t - l c d 等便携式产品 的显示屏提供一组正负电源。该升压转换器能在2 2 v 到4 5 v 电压范围内工作；因 为目前许多o l e d 显示器被用于便携应用，因此功耗特别重要，除了芯片内部要 求低的静态电流以减小静态功耗外，运用的升压转换器必须具有较高的转换效 率，能够在便携应用中的电池电压下工作；理想的器件还要求外部元件少和封装 尺寸小，以尽可能减小目前紧凑型手持设备的外形尺寸；除此而外，为了保护芯 片和外部元件，芯片内部还应集成保护电路，如欠压保护和过温保护电路等。本 研究课题是将两个结构相同但相对独立的p w m 控制模块集成到芯片内部，分别 控制正负电压输出，以实现双输出正负电压的功能。其中，负电压控制部分要考 虑将负电压反馈引入的问题，有一定的实现难度，因此本文以负电压输出控制部 分为主，设计了芯片内部控制部分的各功能模块。 1 6 本论文的开发环境和作者所做工作 ( 1 ) 硬件方面：s u ns o l a r i s 工作站。 ( 2 ) 软件方面：u n i x 环境下运行的c a d e n c ee d a 工具软件，内部模块的设计工具 是c a d 锄c c 软件中的c o m p o s e r 软件包，仿真工具是s p e c t r e 。 ( 3 ) 工艺方面：采用上华0 6 u mc m o s 工艺。 由于芯片内部集成了正负两个控制模块，这两个模块结构和功能基本相同， 其中正电压部分的实现与传统的单电源控制芯片类似，而负电压部分集成到芯片 内部有一定的难度，因为芯片内部的衬底接的是输入电源地，若将负电压直接引 入势必增加内部电路的设计难度，因此要考虑将输出负电压引入反馈的问题。基 于以上考虑和总体工作量，本文以负电压控制部分为主，设计了芯片内部的控制 6 上海大学硕士学位论文 职输出正负电压d c d c 开关电源控制芯片的设计 模块。 作者所傲的工作：设计芯片内部的各模块具体电路结构并仿真，这些模块包 括电压基准、误差放大器、振荡器、p w m h ：较器、偏置电路、功率管驱动电路、 逻辑控制电路、保护电路、采样电路；其中，误差放大器、p w m 比较器的性能 适用于正负两个控制模块，电压基准、振荡器、偏置电路和保护电路为两个控制 模块共用，功率管驱动电路、逻辑控制电路和采样电路以负电压控制模块的指标 设计；分析负电压输出升压变换器工作原理，并基于该变换器对负电压控制部分 进行系统仿真。 1 7 本文的结构 本文的章节安排如下： 第一章主要是在查阅文献资料的基础上对电源技术的相关知识进行介绍， 包括开关电源的历史、国内外动态以及今后的发展趋势；并且从技术层面和市 场需求层面阐明了本课题的现实意义；最后介绍了本文的结构安排。 第二章首先描述了芯片与系统设计采用的拓扑结构、调制形式、控制模式， 引出本文所要设计的整体电路结构组成、参数指标以及模块功能介绍。 第三章设计误差放大器、振荡器、比较器、电压基准等主要功能模块的实 际电路图、分析原理、并给出仿真结果。 第四章设计偏置、过温保护、欠压保护、驱动电路等辅助电路的实际电路 图、分析原理、并给出仿真结果。 第五章对芯片负电压输出部分的系统电路，包括内部控制模块和外部升压 变换器进行仿真，分孝斥仿真结果。 第六章是对本文工作的总结，反思了设计工作中的不足，并且对课题的发 展进行了展望。 7 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d c - d c 开关电源控制芯片的设计 第二章芯片与系统结构 双输出正负电源控制芯片包含两个独立的p w m 控制模块，一个用于控制 正电压，一个用于控制负电压。这两个模块结构和功能基本相同，但相对独立， 可对输出电压分别进行调节。正电压部分的结构与传统单电源控制芯片类似， 将负电压部分集成到芯片内部有一定的难度，因此本文以负电压控制部分为主， 设计了芯片内部的控制模块，并分析了负电压输出部分的外围变换电路，以下 各章节将围绕该部分进行详细分析。p w m 控制模块主要作用是产生p w m 脉冲 信号，用来控制变换器中的功率开关管，确保输出电压保持稳定。芯片工作于 2 2 v - 4 5 v 输入电压，工作固定频率1 m h z ，外围变换器由电感、电容、肖特基 二极管、功率开关管构成。 本章首先对正负电压的实现原理进行介绍，然后以负电压输出部分为例， 具体分析了文中所用升压变换器的结构和性能，接下来，通过对控制系统进行 分析，最终采用电压控制作为该芯片的控制方式，最后通过整体考虑，搭建了 芯片的整体结构。 2 1 正负电压的实现原理 正负电压的实现原理分别如图2 1 、2 2 所示。通过简单的外围电路可以实 现升压功能，由二极管可以判断输出电压的极性。实际应用中将对变换器的结 构进行适当改进。 图2 1 正电压v d d 实现原理图2 2 负电压v s s 实现原理 2 2 文中所用变换器拓扑结构 开关电源按照主回路拓扑可以分为四种：b u c k 变换、b o o s t 变换、b u c k 一 8 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d c d c 开关电源控制芯片的设计 b o o s t 变换和c u k 变换【2 】。本文所设计的升压控制芯片负电压输出部分选用b o o s t 变换器的一种衍生结构作为芯片所在系统的拓扑结构。 2 2 1 升压变换器结构 一 rv 0 + i 图2 3 升压变换器原理图 本文负电压输出部分选用的升压变换结构如图2 3 所示】。其中c l o c o 构成一个1 型滤波电路。开关s 由一个p w m 脉冲驱动，占空比k ，频率 周 期兀在每个开关周期内，电荷泵将能量传递到低通滤波器。在输入电压源与 输出负载之间，电容c 起主要的存储和传递能量作用，电容c 1 的作用是提升电 容c 上的电压。开关闭合时，电容c l 上会有一个峰值电流，但是在稳态下其 上的电流值是很小的。 2 2 2 变换器工作原理 当s 导通时，如图2 4 ( a ) 所示，二极管d 2 导通，d 1 截止，电感l 和电容 c l 充电，电感电流i l 线性增加，此时g i n = i l + i c l ；当s 断开时，如图2 4 ( b ) ， 二极管d 2 截止，d 1 导通，电感l 对电容c 充电并增强电感k 上的电流，有 赴= i c j c 聊= f c f 劬+ i r 。，电感l 的能量传递给电容c 和负载，电感电流减小。 a 图2 4 变换器工作原理 9 b 叫 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d c d c 开关电源控制芯片的设计 按t 在周期开始时是否从零开始，可分为连续工作状态和不连续工作状态两 种模式。当在周期开始时屯为零，则为不连续工作状态；当在周期开始时不为 零，则为连续工作状态。电路工作在连续模式的条件为】： m 4 k r 2 卢 ( 2 1 ) 根据电路中电容c 充放电电荷数相等，可以算得直流电压增益m ： 肘；丘：生：上( 2 2 ) k io1 一k 电容c o 上的纹波电压很小，其变化率为： 占：a v c o ：。兰一 ( 2 3 ) 2 1 2 8 f c c o t o r 2 3 系统调制方式 开关电源的调制方式主要有两种，一是脉宽调制方式：脉冲频率不变，改变 脉冲宽度；二是频率调制方式：脉冲宽度不变，改变频率，这种方法对其他设备 干扰大，不易消除，而且它的峰值频谱分布没有规律，给开关电源的滤波器设计 带来了困难。因此目前在各种d c d c 开关电源中基本采用的都是脉冲宽度调制 方式。这种方法是通过调节开关电源占空比，使输出电压基本上不随负载变化或 输入电压变化而变化，实质是对晶体管导通脉宽进行调节和控制，故称为脉宽调 制方式( p u l s e - w i d t h - m o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 【2 】。本文采用p w m 调制方式。 2 3 1p w m 调制原理 p w m 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约， 在上世纪8 0 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪8 0 年代，随着全控型电力电 子器件的出现和迅速发展，p w m 控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、 微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非 线性系统控制思想的应用，p w m 控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出 现了多种p w m 控制技术，用的比较多的是三角波比较法，这种方法是把指令电流 或电压与实际输出进行比较，求出偏差，通过误差放大器放大后再和三角波进行 1 0 上海大学硕士学位论文双输出正负电压i x 2 i x ：开关电源控制芯片的设计 比较，产生p w m 波，此时开关频率一定，由误差放大器的输出v 。调节p w m 脉冲 宽度。原理如图2 5 所示。图中t 。为脉冲周期，t o l i 为脉冲宽度，如果功率管是高电 平导通，则t o n 与t s 的比值即为占空比。当由于输出电压波动使误差放大器输入端 的差值增大时，v c 增大至0 v e - ，与三角波比较，脉冲宽度变小，即占空比减小，从 而调节输出电压，达到稳压的效果。在这个过程中，脉冲的频率与三角波频率相 同并维持不变。 v e v e 一i s 。+ 图2 5 p w m 控制原理 p w m 调制方式的优点在于：在负载较重的情况下效率较高，频率特性好，电 压调整率高，线性度高，输出纹波小，适用于电压或者电流控制模式。 2 4 系统控制模式 开关电源按控制模式可以分为电压控制模式和电流控制模式。本文经过分析 比较发现，电流控制模式需要对外部开关管的电流采样，势必要增加一个电流采 样电阻，如此将增加电路的功耗，降低系统的转换效率。且电流控制模式采用双 环控制，系统参数设计、调试都要复杂很多，鉴于此，本文选用电压控制模式。 电压型控制方式的基本原理是通过误差放大器e a 输出信号与振荡器输出的 固有频率的三角波进行比较，产生控制用的p w m 信号。误差放大器的输出信号 v 。是通过输出电压、采样后与基准电压v i e f 的差值放大后得到的。输出脉冲的 宽度随v 。的变化而变化。原理如图2 6 所示。 电压型控制方式具有以下优点：p w m 三角波的幅值范围大，脉宽调制时有较 大的抗噪声裕量；占空比调节不受限制；对多路输出电源之间的交互调节效应较 好：单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；对输出负载的变化有较好的响应调 上海大学硕士学位论文双输出正负电压i x ：d c 开关电源控制芯片的设计 节作用。 v r e f v o u t v c c 2 5 芯片整体结构设计 囤2 ，6 电压控制模式原理 双输出正负电压d c - d c 升压控制芯片的设计是基于上华c s m c0 6 u r n c m o s 工艺仿真模型。它能广泛应用于需要正负电源的电池供电产品，比如手机、数码 相机等便携式设备中的有源矩阵l c d 和o l e d 子系统均要求正负两种电源电压。 基于整个开关电源应用场合的要求，以及前文d c d c 控制理论的学习理解， 比较了各种工作方式的优势、劣势。本文所设计的双输出正负电压d c d c 升压 控制芯片采用电压控制模式，调制方式采用p w m 调制方式。正电压和负电压部 分均采用相同的控制模式和调制方式。下面将给出芯片的整体设计框图，并在后 面的章节中详细分析p w m 控制模块。 2 5 1 芯片的整体设计指标 双输出正负电压d c d c 升压式开关电源控制芯片是一种小型化、低功耗、 在重载时具有较高转换效率的新型直流升压变换控制电路。该电路在较低的电压 下就可正常工作，具有一定的自我保护调节功能。本文所设计的双输出正负电压 控制芯片的设计指标为( 在典型条件下) ： l 负电压输出为1 2 v ，正电压输出为1 5 v ； 2 开关工作频率1 m h z ； 3 输入电源电压2 2 v 4 5 v ： 4 正负输出电压误差分别s 士1 ； 5 正负两路输出满载转换效率分别8 0 ( 额定负载) 。 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d c i x 7 开关电源控制芯片的设计 2 5 2 芯片整体结构设计 芯片整体结构如图2 7 所示，各模块功能介绍如下。 图2 7 芯片整体结构框图 ( 1 ) 误差放大器e a 对输出电压采样值与固定基准电压之间的差值进行放大，便于后继比较 器处理。 ( 2 ) 正电压控制模块 输出正电压的控制模块，主要由p w m 比较器构成，还包括逻辑控制电 路。输出正电压经采样与内部基准、k 比较，得到的误差放大信号对脉宽进 行调节，实现稳压。 ( 3 ) 负电压控制模块 输出负电压的控制模块，结构与正电压控制模块基本相同。通过将负电 压采样反馈实现稳压。 ( 4 ) 保护电路 包括过温保护和欠压保护，过温保护的目的是，在芯片内部温度超过温 度保护点时，使芯片停止工作。当温度下降到滞回点时，芯片重新开始工作； 欠压保护的目的是，当电源电压过低时使芯片停止工作。 ( 5 ) 振荡器 设置变换器工作频率。产生频率恒定的脉冲信号用于p w m 控制，并且 产生锯齿波信号与误差放大器输出信号进行比较，改变脉冲信号宽度。 上海大学硕士学位论文双输出正负电压i x ；d c 开关电源控制芯片的设计 2 5 3p w m 控制部分的设计 结合整体电路设计要求，本文所做的设计工作主要是芯片内部控制部分的电 路设计，结构如图2 8 所示，主要由以下几部分组成：误差放大器、振荡器、p w m 比较器、电压基准，偏置电路、驱动电路、保护电路和采样电阻网络等。其中， 振荡器、偏置电路、电压基准和保护电路是正负两个控制模块的共用部分，其它 部分均独立，误差放大器和p w m 比较器的性能适用于正负两个控制模块。由于 本文涉及负电压输出，因此文中所讨论电压的高低均指绝对值。 本文所设计的p w m 控制模块的具体工作过程是：输出电压经过采样电阻得 到反馈电压作为误差放大器的同相输入电压，在负电压控制部分，由于输出是一 个负电压，因此必须叠加一个正电压才能引入芯片内部，通过将输出电压与基准 电压相叠加可以实现。图2 8 中v f b 为输出反馈电压。当 o u t l 低于( 高于) 额定 输出电压时，误差放大器输出电压降低，该电压作为比较器的同相输入与振荡器 产生的锯齿波进行比较，使控制逻辑电路输出脉冲占空比交大( 交小) 。再经过驱 动电路，增强其驱动能力后，推动功率开关管工作，使开关管的导通时间加长( 减 少) ，使电感储能增加( 减少) ，从而提高( 降低) 输出电压i o u t l 。本文中负电压 变换器选用p m o s 管作为功率开关管。 2 6 本章小结 匣2 8 本文所设计p w m 控制模块内部框图 本章主要采用从整体到局部的设计方法。首先对控制芯片所在的系统电路进 行分析，阐明正电压v d d 和负电压v s s 的实现原理，结合实际应用选择变换器 拓扑结构。芯片的控制模式为电压控制模式，芯片的调制方式为p w m 调制方式， 其中正电压部分和负电压部分采用相同的控制模式和调制方式，据此确定了芯片 1 4 上海大学硕士学位论文 双输出正负电压d c - d c 开关电源控制芯片的设计 的总体结构与模块组成。 结合整体电路设计要求，再对芯片内部的p w m 控制模块的结构和功能进行 详细说明，为后面章节进行具体电路结构的设计打下了坚实的基础。 上海大学硕士学位论文双输出正负电压d c i ) c 开关电源控制芯片的设计 第三章内部模块电路设计 3 1 电压基准的设计 3 1 1 电压基准的性能指标 电压基准电路在整个电源控制芯片设计中占有举足轻重的位置，其精度和稳 定性直接决定了整个系统的精度。在本文设计的控制模块中，输出电压经采样后 作为反馈信号送到误差放大器的输入端与基准进行比较，尤其在负电压输出部分， 输出负电压采样后必须先与基准电压进行叠加才能作为反馈电压信号，因此该电 压基准的精度决定了整个系统的精度：基准输出电压在温度、电源电压变化时能 否保持稳定、达到设计要求，将直接影响着芯片的精度、温漂等重要指标。该芯 片的输入电压范围为2 2 v 至4 5 v ，工作温度范围为2 5 至8 5 ，下面给出具体 设计指标： 基准电压的设计指标为： ( 1 ) 输出电压1 1 1 5 v ，精度优于士1 ； ( 2 ) 2 2 v 至4 5 v 的电源范围，p s r r 高于7 0 d b ； ( 3 ) - 2 5 c 至8 54 c 的温度范围内温漂小于1 0 p p m c 。 3 1 2 带隙基准的设计 3 1 2 1 带隙基准的原理 模拟电路广泛地包含电压基准和电流基准。而产生基准的目的是建立一个与 电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。与温度关系很小的电压 或电流