（微电子学与固体电子学专业论文）开关电源中的pwm电路设计.pdf

沈刚l 。业人学硕 学f 旁论文 摘要 脉冲宽度调节器( p u l mw i d t hm o d u l a t i o n p w m ) 是开关电源的核心部分。本论文 所进行的课题是在大连连顺电子有限公司的实际项目。是一款单片m o s 集成电路。电 路的设计采用逆向设计方法。原电路为f a i r c h i l d 公司的f s d m 0 2 6 5 r n b 芯片。按照 公司的分工，论文的主要任务是p w m 电路提取( 不包括开关管和外部应用电路) ，仿真 分析并确定版图。 该p w m 可用于输入电压在2 5 v 一2 2 0 v 范围内的交流电压。该开关电源是输出电压 可调的降压型开关电源，输出电压可达1 6 v ，1 2 v ，5 1 v 和3 3 v 。原芯片版图为一层金属， p 型衬底b i c m o s 双阱工艺。特征尺寸为1 靴m 该p w m 电路的启动电压为1 3 v ，内部 工作电压为4 5 v ，工作频率为6 3 k h z 6 7 k h z 。p w m 软启动时间为1 5 m s ，并且在电压超 过1 9 v ，温度超过1 4 0 开启保护。 根据电路功能将总电路划分为基准元电路，振荡器电路，b u s t 模块，频率调制电路， 启动电路，软启动电路，温度关断保护电路，低压保护电路，过载保护电路，l e b ( l e a d i n g e d g eb l a n k i n g ) 电路，过压保护电路共十一个模块。分块仿真时，每个模块的功能仿真可 以达到，参数与技术资料相一致。在最后的整体仿真中得到整体工作的电路结构，最终 得到正确的版图。通过具体分析进而了解了现代集成电路中应用的横向高压器件的工作 原理。掌握了b i c o m s 的工艺流程。 关键词：脉宽调制、电路、版图 开关电源中的p w m 电路设计 t h ed e s i g no fp w mi ns w i t c hm o d ep o w e r s u p p l i e s a b s t r a c t p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) i s t h e c o r ep a r t o f s w i t c h m o d ep o w e rs u p p l i e s ( s m p s ) t h i sp a p e ri sad e s i g ni nd a l i a nl i a n s h u ne l e c t r o n i c sc o m p a n y t h ec i r c u i ti sas i n g l ec h i p m o si c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) d e s i g nm e t h o di sc o n v e r s ed e s i g n t h ei n i t i a t i v e c h i pi s f s d m 0 2 6 5 r n bo ff a i r c h i l d b e c a u s eo ft h ea s s i g n i n go ft h ew o r ki nt h ec o m p a n y ，t h e w o r ko ft h i sp a p e ri st oe x t r a c tc i r c u i t ，s i m u l a t et h ec i r c u i ta n dt od i s c u s st h ep r o d u c ep r o c e s s i n t h i sp a p e r ，t h e r ei sn o ts w i t c hd e v i c ee i t h e rt h ee x t e r i o rc i r c u i t s f i n a l l y ，t h ec o m p l e t e l a y o u ti sp r o v i d e d t h ei n p u t v o l t a g eo f t h es m p s w h i c ht h ep w mi ni s2 5 v 一2 5 0 v , a n dt h eo u t p u tv o l t a g e 伽b em o d u l a t e df r o m1 6 v , 1 2 v , 5 i va n d3 3 v t h eo r i g i n a lc h i pl a y o u th a so n em e t a ll a y e r ， t h es u b s t r a t ei sp t y p e i tu s e st h eb i c o m sp r o c e s s t h em i n i m a ld i m e n s i o ni s1 5i lm t h e s t a r t u pv o l t a g eo ft h ep w m c i r c u i ti s1 3 v ，t h ei n t e r n a lw o r kv o l t a g ei s4 5 v ，t h ew o r k f r e q u e n c yd u r i n gt h e6 3 k h zt o6 7 k h z s o f ts t a r tt i m eo ft h i sc i r c u i ti s1 5 m s w h e nt h e v o l t a g ee x c e e d s1 9 v a n dt h et e m p e r a t u r ee x c e e d s1 4 0 c ，t h ec i r c u i ts t a r tp r o t e c t i o nb yi t s e l l a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o no ft h ec i r c u i t ，d i v i d ei ti n t os e v e r a lp a r t sa sf o l l o w i n g ：v o l t a g e r e f e r e n c ec i r c u i t ，o s c i l l a t i o nc i r c u i t ，b u s tm o d ec i r c u i t ，f r e q u e n tm o d u l a t i o nc i r c u i t ，s t a t t u p c i r c u i t ，s o f ts t a r tc i r c u i t ，t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，u n d e rv o l t a g el o c k o u tc i r c u i t ，o v e r l o a dp r o t e c t i o nc i r c u i t ，l e a d i n ge d g eb l a n k i n gc i r c u i t ，o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i ta l lo f w h i c ha t e1 1p a r t s e v e r yp o r t i o nc a l lr e c e i v et h ef u n c t i o na n dt h ep a r a m e t e ri sc o n s i s t e n t w i t hw h a tt h et e c h n i q u es p e c i a lr e q u i r e d t h ew h o l ec i r c u i tc a nb es i m u l a t e db ys i m p l y a p p r o x i m a t i n g i nt h ee n d ，t h er i g h tl a y o u ti sf i x e do n i nt h ee n d ，m a s t e rt h et h e o r yo f h i g h - v o l t a g ed e v i c ea n dt h ei cp r o d u c t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：p w m 、c i r c u i t 、l a y o u t i l 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：鱼盘 日期：田军妇鲴 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：鱼童导师签名：雄皇日期：颦盔塑 沈刚工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 模拟c m o s 集成电路发展 随着大规模数字集成电路和硬件描述语言的发展，许多类型的信号处理已经转移到 数字领域。人们已经可以制造包含上百万个晶体管、每秒处理近1 0 亿次操作的处理器。 在2 0 世纪8 0 年代初期，许多专家预言模拟电路即将消失【1 1 。但是，2 l 世纪的今天，信 息产业已经成为世界经济的支柱产业。人们的生活日益离不开信息技术，甚至各国竞相 将信息技术作为衡量一个国家发展的标志。暴涨的信息量需要更高的处理能力的处理 器。 m o s v l s i 集成度的增长基本遵循摩尔定律f 2 l 。进入8 0 年代以后，m o s 存储器的集 成度以每3 年4 倍的速度增长，人们把这个增长规律叫作新的摩尔定律。在8 0 年代中 期，开始研制出兆位级d r a m 芯片，到1 9 9 5 年已研制出1 g bd r a m ，n e c 采用0 1 2 5 9 m 工艺，开发出面积为9 3 6 m m ，共集成了1 1 亿个晶体管和1 1 亿个电容的芯片。，到2 0 0 7 年 将出现1 6 g bd r a m ，到2 0 3 1 年将做到1 t b ( t e r a b i t ) ，到2 0 5 1 年可能做到1 p b ( p e t a b i t ) 的存储器。人脑的记忆容量约0 1 l p e t a ，也就是说4 0 多年后将会出现记 忆容量超过人脑的存储元件i i 。 1 2 设计仿真工具c a d e n c e 概述 市场需求以及工艺技术的发展使得设计复杂度提高，为满足这样的需求，计算机辅 助设计必不可少同时我们还必须掌握最强大的e d a i 具。在目前众多的e d a i 具中， c a d e n c e 的工具最强大也最具竞争力，因而被广泛采用【6 1 。关于c a d e n c e i 具主要具备以 下几个特点： ( 1 ) 提供系统级至版图级的全线解决方案。 ( 2 ) 系统庞杂，工具众多。 ( 3 ) 除综合外，在系统设计，在前端设计输入和仿真，自动布局布线，版图设计和验 证等领域居行业领先地位。 ( 4 ) 具有广泛的应用支持。 开关电源中的p w m 电路设计 因此c a d e n c e 成为了集成电路电子设计工程师必须掌握的工具之一川。 在论文课题进行过程中所使用的工具是工作站环境下的c a d e n c ev i r t u o s o ( 版图应 用) 和c a d e n c es p c c t r e s ( 电路仿真) 并且通过p c 机中的p s p i c e 和l - e d i t 进行了二次 验正。 1 3 开关电源的概况 电子电源是对公用电网或某种电能迸行交换和控制，并向各种用电负载提供优质电 能的供电设备。它可分为线性电源和开关电源两种，应用大功率半导体器件，在一个电路 中运行于“开关状态”，按一定规律控制开关，对电能进行处理变换而构成的电源，被称为 “开关电源”。在实际应用中同时具备三个条件的电源可称之为开关电源，这三个条件就 是：开关( 电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态) 、高频( 电路中的 电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频) 和直流( 电源输出是直流而不是交 流) 。广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另形态的主 电路都叫做开关变换电路：转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的则称开关电 源( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 【刚。 1 ，3 1 开关电源的历史 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。开关电源 的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关，高频化的实现，需要相应 的高速半导体器件和性能优良的高频电磁器件。因此开关电源可以按照作为开关元件的 半导体功率器件分成几个阶段：最早的半导体功率器件，起始于1 9 5 8 年的晶闸管，又称 s c r 可控硅整流器，是第一个阶段；6 0 年代出现了快速晶闸管，到7 0 年代又研制成功了 高压大电流的门级可关断晶闸管( g t 、电力巨型晶体管( g t r ) ，它们都是双极型电 力半导体器件，逐渐取代了传统的s c r 。这些大功率器件与微处理机相互结合，开关电 源进入了“自关断器件”的第二个阶段；由于微电子学科的快速发展，7 0 年代中后期又出 现了m o s 场效应晶体管，特别是8 0 年代问世的功率场效应管v d m o s ( 又称“功率 m o s f e t ”) ，以及派生的m o s 型绝缘概双极晶体管( i g b t ) ，其特性和功能更新发展 沈阡il ：业大学硕士学位论文 使功率变换和稳压电源技术发生了新的飞跃，使开关电源技术发展到高频化、智能化的 第三个阶段【9 , 1 0 | 。 1 3 2 开关电源分类 开关电源中的电子电路，也就是常说的主电路，是开关电源的核心电路。对各种开 关电源主电路的工作原理与适用条件的分析是进行开关电源电路选型的基础，也是主电 路和控制电路参数设计的基础。根据电路是否具有电能回馈能力、输出端与输入端是 否电气隔离以及电路的结构形式三个原则，可以将开关电源中的电力电子电路按图1 1 分类【1 1 】。 图1 1 开关电源的分类 f i g 1 1s o r t so fs m p s 3 开关电源中的p w m 电路殴计 此外开关电源按调整管与负载的连接方式可分为串联型和并连型。按调整管是否参 与振荡可分为自激式和他激式。按使用开关管的类型可以分为晶体管、v m o s 管和晶闸 管型。1 1 2 - 1 5 1 开关电源简单的按照控制方式分类可以分为脉宽调制型( p w m ) ，频率调制型 ( p f m ) 和混合调制型。 ( 1 ) 脉宽调制型。振荡频率保持不变，通过调节脉冲宽度来改变输出电压的大小。 ( 2 ) 频率调整型。占空比保持不变( 脉冲宽度保持不变) ，通过改变振荡频率来改变 输出电压大小所示。 ( 混合调整型。脉冲宽度和振荡频率均可进行调节的开关电源1 1 6 1 。 1 4 课题来源及意义 本论文所涉及的项目来自大连连顺电子有限公司，是对f a i r c h i l d 公司的开关电 源f s d m 0 2 6 5 r n b 的逆向设计。该芯片在市场上的应用很广泛，是目前开关电源领域中 功能较全面，较为先进的芯片。本次研究将为中国的开关电源市场提供更为广泛与深入 的参考资料，为国内开关电源的i c 设计提供新鲜思维。 4 沈阳【：业犬学硕七学位论文 2p w m 控制型开关电源电路原理及p w m 控制器原理及参数 近年来，脉宽调制( p w m ) 控制技术得到快速发展，用p w m 控制开关变换器，即 p w m 开关电源。p w m 控制方式的开关电源因为电路简单，控制方便而获得普遍应用。 相对于传统的线性电源而言，开关电源具有体积小，成本低，效率高等显著优点。在电 源领域内开关电源的应用越来广泛1 1 ”。 2 1 开关电源的基本工作原理 开关电源以半导体开关器件的启闭为基本原理，即通过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。p w m 型开关电源的换能电路将输入的直 流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压经l c 滤波转换成直流电压。1 1 8 】 p w m 控制方式在d c d c 和d c a c 电路中均有广泛应用。其控制电路的基本结构 如图2 1 所示。其具体工作过程为时钟振荡产生恒定频率的脉冲作为时间比较的基准， “电压一脉宽转换”电路( 简称v w 电路) 将电压信号转换成脉冲宽度信号，v w 的输 入控制电压由误差放大电路检测电源输出电压的误差信号并经过比较放大后提供：v 厂w 电路输出脉冲的频率经同步电路和时钟振荡器同步；v ，w 电路输出的一组脉冲列经分频 电路分频，变成1 ，3 ，5 ，7 以及2 ，4 ，6 ，8 ，两列彼此交替出现的脉冲，送至 驱动电路以激励开关器件使稳压电源输出电压达到设计要求【1 9 】。控制方式简单描述为： v o 气w 、；v o 、w 、。 幽2 1p 州控制电路的基本结构 f i g 2 1 c o n t r o lc i r c u i to fp w m 开关电源中的p w m 电路殴计 对于复杂和精确的开关电源电路，一般选择回扫方式。尤其是对于多端输出电压的 情况【2 0 】。回扫方式工作的p w m 控制器成为唯一选择。回扫方式的初次级需要绝缘。下 面介绍回扫方式工作的开关电源的基本原理。 回扫方式适用于输入电压范围跨越输出电压时，初级，次极需要绝缘，及多输出的 情况下。 图2 2 回扫方式基本回路 f i g 2 2b a s i c c i r c u i t0 fr e t u r ns w e e pm o d e 基本回路如图2 2 ：三极管t r 在o n 时，输出回路的二极管方向为逆方向，无输出 电流通过。从而，变压器( 磁芯) 就可储存能量。 p = 三l ：1i ，输入电流 当t r 在o f f 时，二极管方向变为顺方向，可通过电流，初级侧的平均电流为： i ：坠 e 1 ” 初级侧的峰值电跳j l m a x 。= 等 t ：开关周期 2 2p w m 电路的分类 p w m 控制型的开关电源可分为两种类型，一种是电压控制型，它只对输出电压采 样，作为反馈信号进行闭环控制。采用脉宽调制( p w m ) 技术，调节输出电压a 从控 沈阳j ：业大学硕士学位论文 制的角度看，这是一种单环控制系统。另一种是电流控制型，在p w m 电压控制的基础 上，增加一个电流负反馈环节，使其成为双环控制系统，从而提高了电源性甜2 1 2 3 1 。 图2 3 为电压控制型开关电源的原理图。电源输出电压v o 的采样值与参考电压进 行比较放大，得到误差信号v e ，它与锯齿波信号比较后，由脉宽比较器输出占空比随 输出电压变化的p w m 波，从而控制输出电压保持稳定。这就是电压控制的原理，它是 一个单环控制系统。 图2 3 电压控制型开关电源原理图 f i g 2 3t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fv o l t a g em o d es m p s 图2 4 为电流型开关电源的原理图。它是一个双环控制系统，有一个内环，一个外 环一电压环。其工作原理是：恒频时钟脉冲、置位锁存器，输出高电平信号。驱动开 关管导通。随之开关管中的电流脉冲逐步增大，当电流在采样电阻r s 上的电压幅值v s 达到v e 电平时。脉冲比较器翻转，锁存器复位，驱动信号变低，开关管关断。电路就 是这样逐个的检测和调节电流脉冲。 图2 4 电流型脉宽调制器原理框图 f i g 2 4t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fv o l t a g em o d es m p s 开关电源中的p w m 电路设计 3 电路提取以及参数确定 本课题是在大连连顺电子有限公司实习期间，完成的实际项目。所做课题建立在版 图组对照片初步提取的版图基础上。 3 1 版图分析 本课题分析设计的的电路是基于f a i r c h i l d 公司的f s d m 0 2 6 5 r n b 芯片的基础 上。所得的版图如3 1 所示。 图3 1f s d m 0 2 6 5 初始版图 f i g 3 1t h eo r i g i n a ll a y o u to ff s d m 0 2 6 5 沈阳一l ：业大学硕十学位论文 3 1 1 版图标识的分析 提取电路的前提是要正确识别版图，知道版图所表达的芯片信息。这项工作的首要 任务就是要识别版图的表示层。知道每一层所代表的工艺结构。在公司内部是有画版图 要求的，有些必需层次是人所共知的，比如说第1 4 层是p a d ，第1 3 层是m e t a l1 ，第1 2 层是c o n t a c t1 。p o l y 一般会以第七层或者第八层进行表示。该芯片是一层金属结构采 用p 型衬底的b i - - c m o s 双阱工艺。经过分析得出所分析的版图的层次意义( 共1 7 层) 如表3 1 所示。 表3 1 版图标识解释 t a b l e3 1i n t e r p r e t a t i o no fl a y o u tl e v e l 层次标识代表意义 l e v e l0 l e v e li l e v e l2 l e v e l4 l e v e l5 l e v e l6 l e v e l7 l e v e l8 l e v e l 9 l e v e l1 0 l e v e l1 1 l e v e l1 2 l e v e l1 3 l e v e l1 4 l e v e l l 5 l e v e l2 3 l e v e l2 4 用于标注 埋层 下隔离 上隔离 基区电阻 注入电阻 场氧 多晶硅 基区p n + 接触孔 铝层 压焊点 n 型注入 n 阱 p 阱 出于版图的视觉可观性和个人习惯的考虑。我将层次作了如下设置：与p 型杂质相 关的设置为绿色只是填充图案不同例如阱设为淡色格式，与n 型杂质相关的设为蓝色。 多晶硅设置为实心紫色。铝线由于覆盖较广而设置称为无填充的粉色。引线孔设为实心 红色。压焊点设为黑色。 一吼吼啪舭跎帅洲卵一。 开关电源中的p w m 电路设计 3 1 2 压焊快的分析确立 电路版图提取是根据压焊点的确立而提出的。从芯片外部来看，压焊点主要体现在 外部引脚方面。该芯片的外部引脚图如3 2 所示。 图3 2 芯片外部引脚示意图 f i g 3 2s k e t c hm a p o ft h eo u t e rp i n s 在此次分析设计中，由于制造工艺的限制不包括最后的输出管。所以最后的6 、7 、 8 引脚在版图上的体现只是两个压焊点。版图中根据m o s 管的引线分析，很容易得到 g n d 和v c c 压焊点。进而进行初步的版图提取。在初步提取过程中将g n d 和v c c 电 源线用特殊图标表示出来1 。这样更有利于电路的提取和芯片功能分析。 从版图上可以看出，版图中压焊点一共有七个，分别是v s t r ， p k ，v f b ，v c c ，g n d ， d r a i n l ，d r a i n 2 。另外还有十五个测试焊点( t e s t ) ，如图3 _ 3 所标注。测试焊点和其对应 电阻是用铝线覆盖的，但是在电路上也提取出来以利于流片后进行测试。 沈rf1 业人学硕士学位论文 图3 3 电路的分块示意图 f i g 3 3t h el a b e lo fe v e r yp a r ti nt h ec i r c u i t 3 1 3l a b e i 号的标注 为了有利于电路提取，在提电路之前要进行l a b e l 的标注。即判断出是器件还是电 阻、电容等。并用第零层进行标注。标注的符号，字母选择以及字母大小写的规定都是 按照连顺公司的内部规定进行。这样更利于以后版图组的改版和对照。标注以后整个电 路的规模就显而易见了。 3 2 电路的分块提取 电路提取是分块进行的。在版图上有很多结构相似的单元位置相近。因此根据位置 关系和结构的相似性将整个版图分成若干部分。从电路设计方面来看，功能一致的电路 部分要相邻以达到最好的功能对称性，如图3 4 所示。在电路中距离较近的两个部分也 要将版图设计在一个单元当中以避免过长的金属走线带来的寄生效应。因此要将版图分 成几块来进行电路提取。 开关电源中的p w m 电路设计 图3 4 对称模块的相邻布置 f i g 3 4c l o s ed i s t r i b u t i o no fs y m m e t r i c a lm o d u l e s 对该芯片进行的分析可见。m o s 管的数字部分是集中在一起的，如图3 5 所示。距 离较近尺寸较小。其余模拟部分也是根据功能块进行布局的1 2 6 1 。最后将版图分为1 3 块 进行提取。几个功能块间通过总线联系起来，如图3 3 所示。 图3 5 数字部分 f i g 3 5d i g l t a lp a r t s 3 ，3 器件的尺寸标注 在版图基础上将提取出来的器件进行尺寸标注。将这些器件进行测量后填入电路 图中的参数项。这样才可以仿真。从尺寸标注我们可见此芯片的最小尺寸是1 取三：极管 测量发射极的面积并除以1 0 0 r 2 ，其比值添在q n 【】的中括号里，m o s 管测量栅极的宽( w ) 、 长( l ) 以及条数( m ) ，电容测量其有效面积，标示完的参数如图3 6 所示。 沈阳i 业火学硕士学位论文 - 咱 k i n 剐l 号辫：嚣 三极管m o s 管 电容 图3 6 电路器件尺寸标注示意图 f i g 3 6 s c h e m a t i cp i c t u r eo f t h ed e v i c ep a r a m e t e r ( 1 1 电阻、电容类型的确定 根据版图可以确定该电路的电阻为基区电阻r b 和注入电阻r i 。通过对照片的分析 可得。版图的第五层标注的电阻是r b ，第六层标注的电阻是r i 。电容是p o l y 和n w e l l 的接触电容。 ( 2 ) 方块电阻的确定 依照技术数据，可以计算出r b ：1 3 5 0 o ，由于在实际的生产工艺中电阻有几乎l o 的阻值浮动，所以将方块电阻精确到个位是不可取的【2 7 0 8 1 。因此r b 近似记作1 3 0 0 o 。 注入电阻采用低浓度的p 型杂质注入而形成，因而可以达到较高的方块电阻值根据仿真 结果与技术资料的数值对照，将r i 近似为1 0 0 0 0 n 。根据工艺经验值和振荡器模块 的工作要求，将单位面积电容值定在2 p ，在电路中的体现就是c m = 2 p 。 ( 3 ) 电阻阻值计算 熟练的掌握了电阻的测试方法和阻值计算方法之后才可以对版图中形状各异的电 阻进行测量和电阻相关的参数填写。阻值精确才可以对电路性能进行精确仿真，尤其是 模拟电路部分。下面说明在本次的电路提取中的电阻计算方法。 注入电阻阻值的计算方法r ：r i ( l w ) 。l 和w 如图3 7 所示。 开关电源中的p w m 电路设计 b i m p l a n l p + 图3 7 注入电阻阻值的计算方法 f i g 3 7c a l c u l a t i v em e t h o do fi m p l a n tr e s i s t o r 扩散电阻在计算阻值的时候要加入端头修正，此时又涉及到电阻形状。对于简单电 阻描述为胖型和瘦型。如图3 8 所示。 i 固w国 度型胖型 图3 8 扩散电阻的形状 f i g 3 8s h a p eo ft h ed i f f u s er e s i s tv a l u e 另外一种带弯头电阻如图3 9 所示。 图3 9 有拐角的电阻示意图 f i g 3 , 9r e s i s t o rw i t hc o i t i e r s 沈刚工业大学硕士学位论文 r b 是扩散电阻的一种，其计算方法如下。 r = r 0 4 ( i _ w + k i + n k 2 ) ，k 2 一般取0 5 ，l = l i + l 2 + l 3 ，n 为弯头数目，k 1 为电阻 端头修正因子，k 2 为电阻弯头修正因子，如表3 2 所示。 表3 2 扩散电阻的端头修订因子 t a b l e3 2t h ec o r r e c t i o n a lv a l u eo fd i f f u s er e s i s t o r 测量完并标注的电阻如图3 1 0 所示( 以注入电阻为例) 。 r 3 ( 3 6 l r q 图3 1 0 电阻参数标注举例 f i g 3 1 0e x a m p l eo fr e s i s t o rw i t hp a r a m e t e r ie哆、i 开荧电源中的p w m 电路设计 最后提取的整体电路图如图3 1 l 所示。 图3 1 1 整体电路图 f i g 3 1 1t h ew h o l e s c h e m a t i cc i r c u i t 分块后的电路图如图3 1 2 所示。 图3 1 2 分块电路图 f i g3 1 2d e c i d e dc i r c u i t 沈刚工业大学硕士学位论文 4 电路分析与仿真 f s d m 0 2 6 5 r n b 是集成的脉冲宽度调制器( 课题不包括开关管的设计) 。该芯片包 括下列功能：固定的振荡器，带有降低电磁干扰的频率调制功能，低压锁定保护，触发 沿抑制功能，优化的栅极开启关断驱动，温度关断保护和用于回路补偿和误保护电路的 温度补偿精确电流源。与分立的绝缘栅型场效应管和控制器相比较，f s d m 0 2 6 5 r n b 降低了外接器件的数量，设计尺寸，重量和在相同时间下加快了效率，成品率和系统可 靠性。该器件是很好的适应反馈电压转化器的基础平台。 4 1 电路功能块的确定 对于该芯片的分析首先从引脚功能和电路整体功能框图入手。找准功能块的电路位 置。表4 1 是引脚功能的主要介绍。虽然芯片是八个外部引脚，但是由于没有输出管， 所以实际得到的版图只有七个外部引脚【2 9 】。 开关电源中的p w m 电路设计 表4 1 芯片外部引脚的功能描述 t a b l e4 1f u n c t i o n a ld e s c r i p t i o no ft h eo u t e rp i n so ft h ec h i p 图4 1 是f a i r c h i l d 提供的该芯片的整体功能框图。 沈阡i 丁业大学硕十学位论文 i n t e r n a lb l o c kd i a g r a m 图4 1f s d m 0 2 6 5 内部整体功能图 f i g 4 1t h ef u n c t i o n a lf i g u r eo fw h o l ef s d m 0 2 6 5c i r c u i t 对照电路功能描述，将该电路划分成1 1 个功能模块。分别为基准元模块，振荡器 ( o s c ) 模块，启动模块，低压锁定保护模块( u v l o ) ，超载保护模块，过压保护模 块，温度保护模块，脉冲模式( b u r s to p e r a t i o n ) ，软启动模块，频率调制模块，脉冲边 沿阻断模块。以下将一一阐述各个模块的结构及功能。 4 2 电路基准电压模块( v r e f 部分) 模块功能：该电路的功能是产生基准电压v r e f ，为内部各电路提供静态工作电流和 各别参考电压。 4 2 1 模块原理介绍 基本工作原理：该组模块的核心部分是q 5 4 4 9 。该三极管是由6 个发射极面积为 o 5 即4 2 5 以m ) 2 的n p n 管构成和q 4 8 ，这两个三极管构成了两管能隙基准源。 m 7 1 9 ，m 7 2 0 ，m 7 2 1 ，m 7 2 2 四个p m o s 管构成了共源共栅电流镜作为q 5 4 4 9 和q 4 8 集 开关电源中的p w m 电路设计 电极的有源负载。q 5 4 4 9 和q 4 8 的偏置电流由m 6 5 4 ，m 6 5 5 ，q 6 0 ，q 6 1 ，r 8 0 ，r 5 9 提供，其 中q 6 1 的结电压使r 5 9 上的电流稳定，不随v c c 的浮动而变化。而最终的v r e f 输出首 先通过r 7 1 ，r 6 9 ，r 6 6 ，r 6 5 倍压。r 7 1 上的q 4 6 4 7 是个大管耐压能力很强。v r e f 通过射 极跟随器输出。射随的输出是个大管，有提供大电流的能力。 模块的其它功能：v r e f 模块具有自己的电流保护功能，其组成有 q 4 2 ，q 4 4 ，q 4 3 ，q 4 5 ，c 1 8 。当q 5 4 4 9 电流增大时，会引起q 4 5 基极电流增大，进而对q 5 4 4 9 集电极电流分流，使其电流变低。反之亦成立。该模块还与低压锁定保护共同应用，具 体表现在m 6 5 2 上。因为m 6 5 2 漏极与射极跟随器输出管的栅极相连，所以当m 6 5 2 导 通时通过输出极的达林顿管放大，射极输出为低电平，即v r e f 输出关断。m 6 5 2 在v c c 上升超过1 2 v 和v e e 下降低于8 v 时导通。m 6 5 2 导通则基准源模块不工作，对电路起 到保护作用。具体电路如图4 2 所示。 图4 2v r e f 模块电路示意图 f i g 4 2s c h e m a t i c so fv r e fm o d u l e 沈阳l ：业大学硕七学位论文 4 2 2 模块功能仿真 s t a r 引脚的输入电压按照技术资料的1 4 v 进行仿真。得出结果是q 5 4 - 4 9 的基极电 压为1 1 9 v , q 5 8 5 9 的发射极电压即v r e f - - 4 1 v 仿真结果如图4 3 所示，基准源电压随温 度变化曲线如图4 4 所示。从图4 4 可见基准元部分的温度保护是从o c 的4 2 5 v 到1 2 0 c 的4 1 8 v ，可见基准元部分常温下的温度特性是很好的。 ，l ：一：i ：。；， t ：l ：- ，：j ： 一：i ：- ： ：1 ：t ：i ： ：弭j ；l ， ，：i ： ：j ，i _ j - - 一 - - 一 - + - + - d - o - 一 - - ”一。 。一一f + _ 。卜 o i - 一 z - 一 4 - 一 - l h e1，舢址e - - ，i m 口g e c 图4 32 7 基准源电压 f i g 4 3v o l t a g eo f r e f e r e n c e si n2 7 开关电源中的p w m 电路设计 一o j _ j 。， ，专。；。垮卜? - ! ：零母书o 。一一。“一一? 。 ；i ：， ： 一t ；，一一j 一凳啼 1，畸； 7 ：f ：? t ：，； - j ，。j j ；一 。：一：一| j 。 ， 一。：i 5 ： 。： 一。一p 。 ： 、。；十 一- ：誊： i 一 ， * ，l “ ：一 1 q 叫，i 一_ 卜k 乙_ 糕 十 十 ： ， 。 一ll _ ，j ： h k ， ：。 卜 7 翟 。 。- 。 ! ：。 巨 j | ：y 旧m ，” ”6 。” ”。“。“。 图4 4 基准源电压随温度变化曲线 f i g 4 4t h ec u r q eo ft h er e f e r e n c e sv o l t a g ec h a n g ew i t ht h et e m p e r a t u r e 4 3 振荡器( o s c ) 模块 模块功能：该振荡器模块的功能是产生具有一定占空比的脉冲。为开关管的导通提 供基本参考脉冲。结合负载变化和反馈电路来调节开关管的导通。 4 3 1 模块原理介绍 基本工作原理：该振荡电路的核心部分是m 6 3 和m 6 4 ，m 6 5 和m 6 6 两组交替工作的 电压比较器。m 6 5 连接的比较电压v o s c i l = 5 6 5 m v 。是v f c f 由一组电阻分压所得的电压， 分压电阻为r 9 6 ，r 6 2 ，r 6 0 ，r 6 3 ，r 4 ，r 9 9 m 6 4 连接的比较电压v o s c i 2 = 2 5 5 v 是由选择器组 合电路的输出m 5 0 0 组的m u x 提供的。振荡器通过m 6 7 的漏极输出，后通过m 7 6 ，m 7 4 进行一次反向，通过m 7 7 ，m 7 5 进行二次反向。充放电电容为c 2 。m 7 3 ，m 7 8 ，m 8 0 ，m 8 1 组成共源共栅的p m o s 镜像电流镜1 ，为电容充放电提供参考电流。m 5 3 ，m 5 4 ，m 5 5 ，m 5 6 组成共源共栅的p m o s 镜像电流镜2 ，当电容充电的时候工作，与电流镜1 共同决定电容 的充电电流，如果没有电流镜2 ，充电过程将不可以进行。m 7 0 ，m 6 2 ，m 6 1 为振荡器提 供偏置，又对哪组比较器工作进行选择。若振荡器的一次反向输出为高电平，则m 6 5 沈阳i ：业大学硕士学位论文 和m 6 6 的两个栅极电压进行比较，若电容电压高于v o s c i l ，则电容通过m 8 3 放电；若振 荡器二次反向输出为高电平，则m 6 3 和m 6 4 两个栅极进行比较，若电容电压低于v o s c i 2 通过m 5 7 和电流镜2 进行充电，振荡器的占空比取决于m 5 7 和m 8 2 两管的的大小比 较。 模块的其它功能：频率调制模块是通过振荡器模块发挥作用的。v o s c i 2 的电压为周 期为3 8 4 m s 的变化电压，使得振荡器的输出频率是一系列的变化频率而不是某个值， 有利于防止电磁干扰。具体的振荡器电路如图4 5 所示。 一。璃，。h 。 。- ，血l，。札。 j i i ! 卡ji 释配卜? i ： ：，o ；：鞠：= 。= ，琦x 。； ：h：r 。 l 。坛暂一 ic _ j ：j - 越7 f + 事翳醛| ；f 瞻角鹣 j - 鼍驿格j 辖帮1 ，彘奄鲁守 = = | 捂毛5 呵一 | 。 ： f 。 t 图4 5o s c 模块电路图 f i g 4 5c i r c u i to fo s cm o d u l e 4 3 2 模块功能仿真 可以仿真得到振荡器频率6 7 k h ，是技术资料要求的标准值。仿真结果如图4 6 所示。 锯齿波是电容的充放电电压，矩形波是最后输出的振荡器振荡电压。 开关电源中的p w m 电路设计 图4 6o s c 模块仿真波形图 f i g 4 6s i m u l a t i o nw a v eo fo s cm o d u l e 4 4 启动模块 电路功能：通过启动电路来控制v e t 外接电容的充放电以实现延时启动和自动重启 功能。f s d m 0 2 6 5 r n b 启动电路由内部高压电流源和一个开关构成，当v c c 充电超过 1 3 2 v 以后1 5 m s ，开关关断。当v c c 低于8 6 v 时，电流源开启。结构示意图如图4 7 所 示。 = 图4 7 启动模块结构示意图 f i g 4 7s t r u c t u r ef i g u r eo fs t a r tm o d u l e 沈阳工业大学硕十学f 苛论文 4 4 1 模块原理介绍 基本工作原理：该模块的控制部分比较复杂和分散。启动部分的电路如图4 4 0 所 示。但v c c 的启动电路却很明显，高压p m o s 管m 9 和m 7 用来固定相应的电流，经 q 1 ，q 2 镜像到d 1 上，r 1 ，m 8 的导通控制v c c 的充放电，m 8 导通则充电结束。m 8 关 断则v c c 充电。 模块的其它功能：该模块控制信号m 8 的栅极电压来自低压锁定保护电路 ( i r v i o ) 。该模块具有延迟启动的功能，具体表现在m 8 在v c c 达到1 3 2 v 以后1 5 m s 才会导通即停止充电，其时间的控制信号来自软启动的数字选择部分。1 5 m s 的时间延 迟就是达到软启动的效果。其具体内容请参考4 9 节。 4 4 2 模块功能仿真 启动部分的电路如图4 8 所示。 图4 8 启动部分的电路图 f i g 4 8c i r c u i to fs t a r tm o d u l e 2 5 开关电源中的p w m 电路设计 由于缺少高压m o s 管的模型和j n 玎模型。参数提取不确定，所以该电路没有 进行细致仿真。但对于m 8 的保