（微电子学与固体电子学专业论文）电流模式开关电源控制ic相关模块的研究.pdf

摘要 论文题目：电流模式开关电源控制i c 相关模块的研究 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：胡劫 指导教师：余宁梅教授 摘要 签名：嘲钓 签名：锄 开关电源s p s ( s w i t c h i n gp 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，现已成为稳压电源的主流产品，被广泛应用于各种电子、电器产品中。单片 开关电源具有高集成度、高性价比、最简洁外围电路、最佳性能指标等特点，己成为开 发中、小功率开关电源、精密开关电源以及开关电源模块的优选集成电路。单片开关电 源的核心即为控制i c ，其性能决定了产品成本、性能、可靠性、稳定性，对其研究，也 越来越深入，各种功能也逐渐被集成在控制芯片中。 本课题的研究对象为电流模式反激式开关电源控制i c 。本论文中的控制i c 吸收了 多种控制方法的优点，采用了p w m 、p f m 、p s m 相结合的控制方法，具有性价比突出、 较少的外围元件、能耗低、保护电路完善、抗e m i 特性好、无音频噪声等优点。 本课题分别采用b i p o l a r 与c m o s 工艺对反激式开关电源系统的控制i c 进行系 统仿真与系统功能的电路实现方面的研究。b i p o l a r 部分，本论文完成了系统各模块 的联合仿真，对芯片启动时、过压与欠压时、绿色模式开启时、过流保护开启时等情况 进行了仿真，验证了各模块以及系统功能的正确性。进行了系统外围电路的建模与频率 补偿网络的设计，最终使用s p e c t r e 仿真器完成了反激式开关电源整体系统的仿真， 在输出电压为5 v 时，得到了具有+ 1 0 m v 以下纹波的系统输出。同时，采用1 5 肛多晶硅 发射极工艺完成控制芯片的版图设计并编写了验证文档，完成了版图的验证工作。 c m o s 部分提出了一个具有诸多功能、保护措施较为完善的电流模式反激式开关电 源控制i c 系统。并采用了c h a r t e r 0 3 5 1 x c m o s 工艺，完成了带隙基准、振荡器、频率抖 动、前沿消隐、功率限制、f b 反馈与模式选择、斜坡补偿等主要功能模块的电路设计， 提出了新的带隙基准模块、频率抖动等功能的实现方法，并进行了带隙基准电路的流片。 s p e c t r e 的仿真结果验证了电路设计的正确性。 关键字：反激式；电流模式；脉宽调制；系统仿真：控制芯片 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nt h em o d u l e so fc u r r e n tm o d e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l li c m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s n a m e ：j i eh u s u p e r v i s o r ：p r o f n i n g m e iy u a b s t r a c t s i g n a t u r e ：监 s i g n a t ur e j 选趟蚴 s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ( s p s ) i st h em o s te f f i c i e n c ya n dc o s t l e s sp o w e rs u p p l y i ti s r e p r e s e n t i n gt h ed e v e l o p i n gt r e n do fr e g u l a t e dp o w e rs u p p l ya n dw i d e l yu s e di nv a r i o u s e l e c t r o n i c sa n de l e c t r o nd e v i c e s w i t hh i g hi n t e g r a t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c e c o s t r a t i o ，e l e g a n t p e r i p h e r a lc i r c u i t s ，a n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s ，m o n o l i t h i cs p sh a sb e c o m i n gt h eb e s tc h o i c e t od e v e l o pm i d d l ea n ds m a l lp o w e rs p s t h ec o r eo ft h em o n o l i t h i cs p si st h ec o n t r o li c w h i c hd e t e r m i n i n gt h ep e r f o r m a n c e ，c o s t ，r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fs p s p r o d u c t s ，a n df o c u s e d o nb ym a n yr e s e a r c h e r sw i t hv a r i o u sf u n c t i o f l sb u i l ti ni tr e c e n t l y t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ec o n t r o li co ff l y - b a c k s p s b ya d o p t i n gc o n t r o l m e t h o d o l o g i e ss u c ha sp w m ，p f ma n dp s m ，ac o n t r o li cw i t hm a n yf e a t u r e ss u c ha sh i g l l p e r f o r m a n c ec o s tr a t i o ，1 0 wc o s t ，c o m p l e t ep r o t e c t i o n ，e x c e l l e n ta n t i e m ia n df r e ea u d i on o i s e i sp r e s e n t e d b i p o l a ra n dc m o st e c h n o l o g ya r cu s e dr e s p e c t i v e l yt od i s c u s ss y s t e ms i m u l a t i o na n d d e s i g na n dc i r c u i t si m p l e m e n t so fs p sc o n t r o li c i nb i p o l a rs e c t i o n ，c o s i m u l a t i o no fa l l m o d u l e sh a sb e e nd o n e ，a n dw o r k i n gs i t u a t i o ns u c ha ss t a r t u p ，o v e ra n dl a c k v o l t a g e ， g r e e n - m o d e ，c u 玎e u tl i m i t a t i o ni sa l s ob e e ns i m u l a t e da n dv e r i f l e d p e r i p h e r yc i r c u i t sa n d f r e q u e n c yc o m p e n s a t i o nn e t w o r ki sd e s i g n e da n ds i m u l a t e du s i n gs p e c t r e ，f i n a l l y , a5 v o u t p u tw i t ho n l y2 0 m vr i p p l ei so b t a i n e d m e a n w h i l e ，1 5 i xp l o ye m i t t e rt e c h n o l o g yi su s e dt o a c h i e v ei cl a y o u ta n dt h el a y o u th a sb e e nv e r i f i e da f t e rw r i t i n gv e r i f i c a t i o nc o m m a n df i l e i nc m o ss e c t i o n ，ac u r r e n tm o d es p sc o n t r o li cs y s t e mw i t hm u l t i p l ef u n c t i o n sa n d c o m p l e t ep r o t e c t i o ni sp r e s e n t e d u t i l i z i n gc h a r t e r0 3 5 1 tc m o st e c h n o l o g y , m a i nf u n c t i o n m o d u l e so fb a n dg a pr e f e r e n c e ，o s c i l l a t o r , f r e q u e n c yj i t t e r , l e ba n ds oo na r cd e s i g n e da n d v e r i f i e du s i n gs i m u l a t o rs p e c t r e ，a n dt h eb a n d - g a pr e f e r e n c eh a sb e e n t a p e do u t k e y w o r d s ：f l y - b a c k ；c u r r e n tm o d e ；p w m ；s y s t e ms i m u l a t i o n ；c o n t r o li c 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：- _ ! 扯 励吕 年3 月2 7 日 学位论文使用授权声明 本人 童目匏一在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 塑必：导师签名：么垒孟缝知。g 年3 月2 7 日 第一章引言 1引言 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，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的 电源，它们对电源的要求也越来越高。电源性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标 及其安全性、可靠性。 直流稳压电源主要分为线性电源与开关电源。线性电源亦称串联调整式稳压电源， 其稳压性好，输出纹波电压很小，但它必须使用工频变压器与电网进行隔离，并且调整 管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低；开关电源s p s ( s w i t c h i n gp o w e r s 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，现已成为稳压电源的主流 产品。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源 效率可达8 0 - - - 9 0 ，比普通线性稳压电源效率提高近一倍，并且具有体积小、重量轻 ( 体积和重量只有线性电源的2 0 - - 一，3 0 ) 【l 】、自身抗干扰力强、输出电压范围宽、模块 化等优点，被广泛地应用于计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备及家用电器产品中。 1 1 开关电源的应用及发展趋势 上世纪6 0 年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和s c r 相控电源。 4 0 多年来，开关电源技术有了飞速发展和变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开 关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。 功率半导体器件从双极型器件( b p t 、s c r 、g t o ) 发展为m o s 型器件( 功率 m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等) ，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损 耗，电路也更为简单。 自上世纪8 0 年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器性能更好、 重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去2 0 年国际电力电子界研究的热点之一。 电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。2 0 世纪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，这更加促进了开关电源技术的迅速 发展。下面几个问题是当今开关电源发展的主要方向【2 】： ( 1 ) 开关电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必须的； 也是减小体积的重要途径。 ( 2 ) 体积要减小，变压器电感、电容都要减小体积。 ( 3 ) 效率要高，产生的热能会减少，散热会容易，容易达到高功率密度。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 单片开关电源的应用及发展趋势 单片开关电源自2 0 世纪9 0 年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项 颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有 高集成度、高性价比、最简洁外围电路、最佳性能指标等特点，己成为开发中、小功率 开关电源、精密开关电源以及开关电源模块的优选集成电路【3 】。目前，单片开关电源正 朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展【4 1 ，也涌现出了许多单片开关电源的新技 术和新产品。 1 3 本文的工作与意义 优秀的控制i c 设计，可以有效地提高系统稳定性、提升系统性能、降低整机成本、 加强系统的安全性，从根本上提高产品的竞争力。 ， 本文的目的就是设计一款低功耗的反激式开关电源控制i c 。该芯片应具有以下特 点： ( 1 ) 突出的性价比，较少的外围元件。 ( 2 ) 能耗低，具有绿色模式功能，使系统在空载或轻载时工作在较低的频率下，能 够有效减少能耗。 ( 3 ) 具备各种完善的保护电路，在各种突发情况下仍能保证系统安全。 ( 4 ) 优秀的抗电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 特性。 ( 5 ) 无音频噪声。 ( 6 ) 体积小，重量轻，适用于多种便携设备及电源适配器。 2 第二章p w m 开关电源的基本原理 2 p w m 开关电源的基本原理 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为另一种形态的主 电路都叫做开关电源变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开 关电源( s p s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 。 2 1 反激式开关电源的基本原理 基本的p w m 变换器主要有三种【5 1 ：b u c k 变换器、b o o s t 变换器与b u c k b o o s t 变换 器。带变压隔离的变换器的主要有正激式变换器、反激式变换器、升压式变换器等。本 论文采用的拓扑为反激式。 由b u c k - b o o s t 推演并加上隔离变压器后即可得到反激变换器的原理线路图，如图 2 1 所示。由于电路简单且能高效提供直流输出，因此该拓扑在要求有多组直流电压输 出时特别常用。它最大的优点是不需要接输出滤波电感，使反激变换器的成本降低，体 积减少。由于输出端可以不接滤波电感，该拓扑结构在电压不是很高的情况下很有优势， 而正激变换器则由于输出滤波电感必须承受高压而带来许多问题，此外反激变换器不需 要高压续流二极管，使它在高电压的场合应用更有利。 图2 1 反激变换器的电路原理图 f i g 2 1t h ep r i n c i p a ls c h e m a t i co ff l y b a c kc o n v e r t e r a 工作原理1 6 l ： 如图2 1 所示，功率开关晶体管t r 导通时为电能存储的阶段，这时可以把变压器看 成一个电感，那么原边绕组的电流i p 的变化由d l p d t - - v s l p 决定( v s 为输入电压，l p 为原边电感) ，i p 将会线性增加，达到幅值i p = ( v i n - - v d s ) t o n l p 。此时变压器存储的能 量为： e = 华 ( 2 矗二 当t r 关断，初级电流必定降到零。副边整流二极管d 1 将导通，感生电流将出现在 西安理工大学硕士学位论文 副边，初级的能量被传送到次级，提供负载电流，同时给输出电容充电。由于电感电流 不能突变，在t r 关断的瞬间，变压器次级电流幅值为： = ( 2 2 ) t r 关断时，n s 同名端为正，电流从该端流出并线性下降，斜率为d l s d t = v o l s ( 其 中l s 为次级电感) 。若次级电流在下一个周期开始前下降到零，则变压器存储的能量在 调整管t r 再次导通前已全部传送到负载端，变压器工作于不连续模式，反之变压器工作 于连续模式。由于一个周期内传递的能量e 即为输入功率，一个周期t 内直流电压v s 提供的功率为：7 尸：丢华 ( 2 3 ) 2丁 、 又因为= ( 圪一1 ) 艺。4 ，则有：p = 2 t l p2 珥 几个开关周期之后，输出端电压上升到v o 。 ( 2 4 ) b 反激式变换器的工作模式 反激式开关电源可以工作在连续模式与不连续模式两种模式下。两种模式下的电路 拓扑结构相同，均为图2 1 。决定电路工作模式的参数是变压器的励磁电感和电路的输 出负载电流。励磁电感给定以后，若负载电流超出规定范围，电路就会脱离原先设计的 不连续工作模式而进入连续模式。 两种工作模式有完全不同的工作特性和应用场合。不连续模式电路的响应更快且负 载电流或输入电压突变引起的输出电压尖峰更低。但不连续模式下的次级峰值电流为连 续模式下的2 3 倍，次级电流平均值即为直流负载电流。另外，若设两种模式下的关断 时间基本相等，且波形平均值相同，则不连续模式的三角波峰值会明显比连续模式下的 梯形波峰值高很多。 不连续模式下次级电流峰值较大，将在关断瞬间产生较大的输出电压尖峰，另外， 不连续模式关断瞬时，大的峰值电流会对输出电感造成较高的d i d t ，会在输出产生严重 的噪声。 不连续模式下次级电流的有效值可达到连续模式下的两倍。因此，不连续模式要求 大的导线尺寸和耐高纹波的输出滤波电容。同时不连续模式下初级电流峰值约为连续模 式下的两倍。这同样是因为若二者平均值相等，则不连续模式初级峰值电流值较高。 虽然不连续模式存在许多缺点，但由于它本身的变压器励磁电感小因而响应较快， 且输出负载电流和输入电压突变时输出电压瞬态峰值小的优点多用于小功率应用场合。 4 第二章p w m 开关电源的基本原理 c 反激式变换器的性能 反激式变换器属于单管式、他激式、绝缘型( 一次侧电压与二次侧电压绝缘) 变换 器。其优点主要有【1 】： 电路简单，元件数目少，成本低廉； v i n 范围较大：5 v 一- , 5 0 0 v ； 典型效率在8 0 。 其缺点有： 对开关管要求高，即在相当低的输入电压下，也有可能超出开关管的s o a ； 存在很大的尖峰电压。通常要求在反激变换器主储能元件后加小型l c 滤波器。 2 2占空比的控制方法 开关电源的控制实际上是对功率开关管导通的占空比的控制，即通过开关电源变换 器输出的反馈量来决定当前开关管的占空比，从而确定系统输出的功率，保持稳定的输 出。整个系统为一个闭环负反馈系统。当前主流的占空比调制方法主要有脉宽调制p w m ( p u l s e w i d m m o d u l a t i o n ) 、频率调制p f m ( p u l s e f r e q u e n c y - m o d u l a t i o n ) 与跳周期调 制p s m ( p u l s e s k i p m o d u l a t i o n ) 【2 】【6 1 。以上几种控制各有优缺点，通常用于不同的系统 中，或者几种模式相结合使用【5 】。 p w m ，脉冲宽度调制，也就是在脉冲频率一定的情况下，调整脉冲的占空比。基本 实现方法是由内部振荡器产生一个频率恒定的锯齿波，与一个参考电压比较，输出方波， 用于控制开关管。通过控制参考电压的大小，就可以调整输出方波的占空比。这种方法 在大负载时的效率高，对负载变化跟随较好，而且噪声频谱恒定，利于进行电磁兼容设 计，缺点是当负载较小时控制电路的工作电流在总的工作电流中比例上升，导致效率降 低、静态功耗增加。有一种解决办法是当负载较小或为零时，使用线性电源代替p w m 主电路进行工作，充分利用线性电源小电流时效率高的特点。目前的商用产品普遍使用 的是这种控制方式，如t e x a si n s t r i m e n t s 的t l l 4 5 1 a ，t l 5 0 0 1 ，t p s 5 1 0 2 ， t p s 5 1 2 0 ，m a x i m 的m a x l 6 8 4 1 6 8 5 ，m a x l 6 9 2 ，m a x 6 6 8 6 6 9 等。 p f m ，脉冲频率调制，在占空比一定的情况下( 通常为o 5 ) 调整脉冲频率。优点是 在负载较小时效率较高，缺点是工作频率随时在变化，对其他设备的干扰较大，而且不 容易消除，使用不多。p f m 可以采取两种工作方式：固定每个周期的开启脉冲宽度，这 种情况下，电感电流会随着输入电压的变化而变化，不利于选择电感；峰值电流控制 ( c u r r e n tl i m i t e dp u l s ef i e q u e n c ym o d u l a t i o n 卜检测开关器件的电流，在达到一定的值时 将开关器件关断，关断一定时问后( 一般为斗s 级的时间常数) ，再检测v o l r r ，看是否需要 重新开启开关器件，电路比前者复杂。如果开启脉冲宽度或者是开关器件的峰值电流过 大，则会加大电导损耗；反之，工作频率要求很高( 频率高的好处是可以减小功率器件和 西安理工大学硕士学位论文 电感的尺寸) ，会增加开关损耗，所以应该对其大小进行优化。 p s m ，脉冲跳周期调制模式，是在脉冲频率一定的情况下，通过调整若干个周期内 起作用的脉冲数来进行调制的方法。美国p i 公司于2 0 0 0 年研制的t o p s w i t c h - f x 系列 五端单片开关电源集成电路采用了“跳过周期”的新技术。如果开关电源的负载非常轻， 以至于在开关电源占空比最d , ( d m i n = 1 5 ) 时所提供的输出功率仍然超过负载上的功 耗，为了提高轻载时电压的稳定性，t o p s w i t c h f x 就采用跳过周期的工作方式来进一 步降低最小输出占空比，使得d m i n ( 3 7 ) 磁心制造厂商为气隙长度提供了一个a l 的参数。这个参数是电感磁心上绕上1 0 0 0 匝后 的数据( 美国) 。根据设计好的电感值，绕线的匝数可以用式( 3 8 ) 计算确定。 i p r i = 1 0 0 0 每 ( 3 8 ) 式中l p r i 为一次电感量，单位为毫亨。 原边绕组与副边绕组的比值可以使用式( 3 9 ) 计算： 生：坠幺坠坌竺竺! ( 3 9 ) 州圪( m i 。) a 懈 、7 其中v o 。为变换器经整流的输出电压，v 伽为输出端整流二极管上的压降，v i n ( r n i n ，为输 入的最小值。 变换器被设计工作在不连续模式，所谓不连续模式，即每个周期，在副边线圈的电 感值必须使电感中的电流在下一个导通周期到来前下降到零。因此，功率开关晶体管关 断的关周期开始时，副边线圈电感上的电流为： k = 惫 ( 3 1 0 ) 不连续模式下，需要在关周期内使副边线圈电感上的电流下降到0 ，可以求得次级绕组 的电感量： k ：( y o u t 了1 - v f w d ) t o f f ( 3 1 1 ) ( 2 ) 使用m a g n e t i cd e s i g n e r 软件 m a g n e t i cd e s i g n e r 是i n t u s o f l 公司继i s s p i c e 之后又一款用来设计变压器的软件。该 软件基于w i n d o w s 平台，是一款用于设计各种变压器以及电感并且可以生成相应的 s p i c e 模型的专业软件。m a g n e t i cd e s i g n e r 能够根据电学规范，产生一个完整的变压器 或绕层电感设计，包括绕组的报告说明以及带寄生参数的s p i c e 兼容模型。该软件具有 一个包含数以千计的磁心、各种材料及导线信息的数据库以及一个非线性饱和磁心的 第三章基于鼠极工艺的开关电器控制l c 的设计 s p i c e 模型。此外，用户可以将自定义的磁心、导线以及材料的信息添加到其中。软件 支持的磁心生产厂家有t d k 、m a g n e t i c s 、p h i l i p s 、t h o m s o n 、m i e r o m e t a l s 、s i e m e n s 、 k a s c h k e 、f c r r t ci n t e r n a t i o n a l 、v a c 以及f a n r i 把等众多厂家。使用m a g n e t i cd e s i g n e r ， 可以实现从1 0 h z 到高达5 m h z 的任何单相绕层电感以及变压器的设计。软件的界面如 图3 1 6 所示： 圈3 - 1 6 m a g n e l i c d e s i g n e r 软件的电感设计界面 f i g3 1 6 t h e i n t e r f a c e o f m a g n c l a e d e s i g n e r 正如前文所述，反激式变换器中，变压器起到储能以及利用原边以及副边电蒋来产 生电流的作用。在使用m a g n e t i c d e s i g n e r 设计反激式变换器时，如图3 1 6 所示，我们应 该选用的是电感即i n d u c t o r 选项页。设计时所需要确定的主要参数有：k 与k 。 由于开关频率取6 67 k h z ，周期即为1 5 u s ，原边线圈上的峰值电流为2 9 0 m a 。假设 变换器工作在最小输入电压( 经过整流之后为直流1 2 0 v ) ，且满足额定功率需要的情况 下，占空比为5 0 。则由前面的计算，可以得到输入软件的参数。 对于初级绕组，i d c 与k 的计算如式3 1 2 与式31 3 ： k ：导；莩( o2 9 ) ：0 0 7 2 5 a d c ( 31 2 ) k = 1 j 芋( 1 - 0 7 5 d ) = o2 9 拦( 1 - 0 7 5 x 0 5 ) = o 0 9 3 6 m s ( 31 3 ) 对于次级绕组，i d c 与i 的计算如式( 31 4 ) 与式( 31 5 ) ： 西安理工大学硕士学位论五 k = 詈。芋( 5 8 ) = 1 4 5 a 出 ( 3 1 4 ) 。t 。月石而- s s 厚而丽= 1 8 7 1 9 a n 其中d 为次级绕组有电流流过的时间与整个削期的时唰z 比。 辅助绕组是对芯片v c c 端进行供电的绕组，应使变换器在低雎重载情况下辅助绕 组对控制i c 的供电仍然不超过所允许的上限电压：98 v 。计算时，可以使虽小输入电压 且重载情况卜的v c c 为8 v 即可。 辅助绕组的计算方法与次级绕组的设计方法相同。先求出相应的峰值电流： ，一= ! 型i ；i ! ? z 生= 旦兰! ! ：；- ；三兰旦= 。，s 一 ( s s ) 可咀得到辅助绕组的电流参数： k 2 ：d l 矿辈( 43 5 ) ：l0 8 7 5 a d c ( 3 1 7 ) k ：= ： ( i - 0 7 5 d ) = 43 5 j 芋( 1 _ 0 7 5 05 ) = 1 4 0 3 9 a ( 3 1 8 ) 将得到的参数填入躅3 - 1 6 中的窗口中，并选择合理的磁心、导线、材料，再选择 i s s p i c e 选项卡即可得到反激式变压器的模型，如图3 - 1 7 所示。生成的s p i c e 模型经过 c a d e n c e 所带的s p p 工具进行格式转换可以得到用于s p e e l x e 仿真器的模型网表。 图3 一1 7 生成的变压器s p i c e 模型 f i g3 1 7s p i c e m o d e lo f t r z m f o r m e r g e n e r a t e d 第三章基于双极工艺的开关电源控制i c 的设计 ( 3 ) 使用互感描述变压器模型 采用互感描述变压器，具有以下优点： l 、模型中没有寄生参数，适用于理想情况下的仿真。 2 、变压器的原边与副边都以电感值描述，相互之间用互感来描述，便于反激变换器 的仿真设计。 使用l 1 = 3 2 3 1 1 t h 、l 2 = 1 1 4 5 9 h 、l 3 = 1 6 4 8 出，并设置其彼此之间的互感系数设为 0 9 9 9 9 ，即可完成理想变压器的建模，并用子电路的形式封装起来，供系统仿真使用。 b t l 4 3 1 的建模 t l 4 3 1 为一个可编程精密参考电压源，它是个三端二极管，类似于具有低温系数的 z e n e r 管，它的原理图及等效电路模型见图3 1 8 。 巍 e a 魏 a e 图3 一1 8 ( a ) t l 4 3 1 的符号 图3 1 8 ( b ) t l 4 3 1 的等效电路 f i g 3 1 8 ( a ) t h es y m b o lo f t l 4 3 1 f i g 3 1 8 ( b ) e q u i v a l e n tc i r c u i to f t l 4 3 1 本文中采用的模型为p s p i c e 中t l 4 3 1 的模型，经过工具进行格式转换，可以很好 地用于s p e c t r e 仿真。s p e c t r e 的模型网表为： s u b c k t t l 4 3 1123 v l ( 67 ) v s o u r c ed e = 1 4 i 1 ( 24 ) i s o u r c ed c = 1 e 一3 r 1 ( 12 ) r e s i s t o rr = 1 2 0 0 k r 2 ( 42 ) r e s i s t o rr = 2 4 9 5 r 3 ( 57 ) r e s i s t o rr = 0 2 d 1 ( 36 ) d m o d l d 2 ( 23 ) d m o d l d 3 ( 27 ) d m o d 2 v 25242 12 p v c v sc o e f f s = 07 1 0 - 7 1 0 g a i n = l m o d e ld m o dld i o d er s = 0 3 m o d e ld m o d 2d i o d er s = le 一6 e n d st l 4 3 1 2 l 西安理工大学硕士学位论文 c 光偶的建模 一 光偶在系统中，起到传输误差电流，并对高压侧、低压侧进行隔离的作用，所以可以 使用一个流控电流源来代替，其控制系数为1 。 3 4 3 频率补偿电路的设计 负反馈是所有线性电源与开关电源的核心部分，它使电源的输出电压保持恒定。为 了实现这一功能，采用误差放大器来减小输出电压与理想参考电压的误差。从理论上来 讲，采用极高增益的反相放大器可以实现该目的。但实际上应用存在负载变化、输入电 压突然升高或降低等情况，要求误差放大器对这些变化有相当快的反应，并且不会产生 振荡。这样问题就会变得复杂，因为电源功率部分的响应相对比较缓慢，如果误差放大 器对变化的响应很慢，会使电源响应变得很迟缓；相反，如果加快响应速度，会使电源 系统出现振荡。所以反馈设计就成了确定电源系统中误差放大器的响应速度和反馈深度 的问题【1 0 】。 图3 1 9 系统的闭环框图 f i g 3 1 9t h ed i a g r a mo f c l o s e dl o o ps y s t e m 在闭环控制中进行理论分析时，常常用开环传递函数的特性评价闭环系统的性能。 一般是绘制出系统中各典型环节的以对数坐标为横坐标的幅频特性和相频特性，然后将 它们的纵坐标各自相加，得到系统的开环对数幅频特性和相频特性。 对于本论文中的反激式开关电源系统而言，通常将其分为如图3 1 9 中的两个部分： 误差放大器部分以及从误差放大器输出到v o 部分( 包括电阻分压器的虚线部分) ，分别 考虑其幅频曲线以及相频曲线，并相加即可得到系统开环的波特图，从而对整个系统的 稳定性进行分析设计。 系统稳定的判据是：为了保证系统稳定，在系统的剪切频率f 。o 处( 开环增益0 d b 处) ，总开环相位延迟必须小于3 6 0 0 ，通常相位裕度通常不能小于4 5o ，并且开环的幅 频曲线在f 处的斜率应为1 ( 2 0 d b 每1 0 倍频) 。 根据采样定理，剪切频率f 。o 必须小于开关频率的1 2 。但实际上f 。o 必须远小于开 关频率的1 2 ，否则在输出中将会有很大的开关纹波。因此，f 。o 通常为开关频率的1 4 - - - 1 5 。 第三章基于双极工艺的开关电源控制i c 的设计 对于本系统而言，由于系统频率为6 6 k h z ，可以选定剪切频率f c o 为1 0 1 d - i z 。 从误差其放大器输出到v o 部分的增益以及相位延迟通常分三部分考虑：l 、p w m 调制器即p w m 与d c - d c ；2 、输出滤波器；3 、光耦以及电阻分压器。 对于输出滤波器，其拓扑如图3 1 4 中所示，l 4 、c 4 构成的l c 滤波器决定了系统 在该频率处有两个极剧1 1 】，其频率为： ：_ ； ( 3 1 9 ) 2 丌、l l i 如果考虑输出滤波电容的等效串联电阻e s r ，输出电路中将出现一个零点，其频率为： 1 f c s rm 南0 2 对于光耦，通过a c 分析可以得到其直流增益，并且由于采用电流控制的电流源来 实现光耦，且光耦处的电容值、电阻值较小，可以认为光耦部分电路对系统仅带来高频 极点，其影响可以忽略。 p w m 与d c d c 部分对于系统而言，其作用为将误差放大器输出部分的电压在一定 占空比下变换为输出端的电压。由于本系统为反激式拓扑，其不连续模式下的增益可以 用式3 2 1 计算： g ：v d c 0 4 r o t 3 1 j ( 3 2 1 ) 电阻分压器的增益在本系统中为1 2 ，即为6 d b 。 通过以上对误差放大器输出到v o 部分的零极点以及低频增益的分析，可以得到该 部分的幅频、相频曲线。 系统的开环特性可以根据误差放大器输出到v o 部分以及误差放大器的幅频相频曲 线相加得到，根据误差其放大器输出到v o 部分的幅频、相频曲线，可以设计出满足系 统稳定条件的误差放大器的幅频相频曲线，最终完成误差放大器频率补偿电路的设计。 图3 2 0 误差放大器与频率补偿网络 f i g 3 - 2 0e r r o ra m p l i f i e ra n d 行e q u e n c yc o m p e n s a t i o nn e t w o r k 系统中的误差放大器使用t l 4 3 1 以及频率补偿网络构成。由图3 1 8 ( b ) 中t l 4 3 1 的等效电路图可知，其本质为同相端接基准电压，反相端接输入的负反馈运算放大器， 西安理工大学硕士学位论文 通过在其输入输出端加频率补偿网络，即可得到满足系统需要的幅频、相频特性。 系统所采用的频率补偿网络【1 0 1 如图3 - 2 0 所示，在该电路在中频即系统剪切频率f c o 处的增益为r 2 r 1 的水平曲线。为了使电网纹波( 5 0 h z ) 能够减少到较低的水平，使用 电容c 1 与电阻r 2 串联，在低频处加入一个零点，该零点频率为： e 。芴1 再 ( 3 2 2 ) 同时当频率较高时，r 2 、c 2 形成一个极点，其频率为： f n ：土一 ( 3 2 3 ) 2 a r 哩c 2 选择合适的r l 、r 2 、c 1 、c 2 的值，即可得到波特图中的转折频率f z 和f p ，并使 f c o f z = f p f c o 成立，在f z 与f p 距离较远时可以获得较大的相位裕度。图3 2 1 即为a c 仿真得到的误差放大器以及频率补偿网络的幅频特性波特图。 e x p r e s s i o n s a 口u w r j u u i ”l - _ 口嘲 。 、卜 、 、。 f r e q 州订 图3 2 l 误差放大器的波特图 f i g 3 21t h eb o d e - p l o to fe r r o ra m p i f i e r f i i 、 、1 铲2 4 冒热嚣船盘圳- 1 、鼹= = 。、i 悝 、 、 八 型岁洲“叭。 i f r t q 州4 图3 2 2 整体系统的开环波特图 f i g 3 - 2 2t h eb o d e - p l o to fl o o pc l o s e ds y s t e m 第三章基于双极工艺的开关电源控制i c 的设计 在得到了具有特定幅频、相频特性的误差放大器之后，可以使系统得到满足满足系 统稳定条件的开环幅频、相频特性。整体系统的开环仿真波特图如图3 2 2 ，从中可见， 系统的剪切频率f 。o 为4 2 4 8 k h z ( 开环增益0 d b 处) ，位裕度通常为7 5o ，并且开环的 相频曲线在f 。o 处的斜率为1 ( 2 0 d b 每1 0 倍频) 。 3 4 4 系统仿真结果 对于本系统而言，系统仿真的目的是为了验证控制i c 是否能够实现预期的功能并且 构成稳定的电源系统。在该部分中，我们主要通过对不同工作状态下的系统进行瞬态仿 真来验证系统环路的稳定性。仿真结果显示，在低压重载、高压重载、低压轻载、高压 轻载这4 种不同的工作情况下，系统纹波电压的峰峰值都小于2 0 m v 。 图3 2 3 为系统工作在低输入电压( a c 8 5 v ) 、重载( r l = 5 0 h m s ) 时的瞬态仿真波形， 可以看到，由于系统环路负反馈，f b 的电位稳定，同时由于系统的负载较重，功率晶体 管的基极脉冲o b 的占空比较高，f b 处于较高电位。 芑 e e 荨e ， 5 j 。iii1 1iiii1iiil 1 州l 巾m 吖r 1r 1 | 11r 1r 1 门| 1r 心n 他 i-1i- i i 1_1- i iri-ii_i ii il vl l l l n 一厂、厂、n 厂、厂、厂、，、，、八，、卜厂、厂n 厂、，厂、n 卜n 厂、厂、，、 l ll i 图3 2 3 输入为交流8 5 v 、负载为5 时系统的瞬态仿真波形 f i g 3 2 3t r a n s i e n ts i m u l a t i o nr e s u l tw h e ni p u t = a c 8 5 vr l = 5 0 h m s 图3 2 4 为系统工作在高输入电压( a c 2 2 0 v ) 、重载( i b 5 ) 时的瞬态仿真波形， 可以看到，由于系统环路负反馈在高输入电压时相位裕度变小，f b 的电位有较小的纹波， 同时由于系统的负载较重，功率晶体管的基极脉冲o b 的占空比较高，f b 处于较高电位。 西安理工大学硕士学位论文 宅 5 5 2 ，2 s 5 2 ，5 5l 5 1 j 1 皂 t r ；n s i e n tr e s p o n i v - ，u ，。 ljtj hf 扯北 p们 - | ij i l 一 - | 1 l f y j | 硎 m l i r ”r 邢i r 1 。 m1 1 1r 1 r lr 一。 、r 、i 厂、厂1 、，、r、厂、，、厂、- r 一 v i l ，r ，。 ，一、_