（微电子学与固体电子学专业论文）高效同步整流dcdc升压变换器的研究.pdf

摘要 摘要 随着电子和通讯技术的不断发展，便携式电子设备电源管理芯片逐渐成为功 率半导体集成电路最重要的应用领域之一。高集成度、高效率和低成本是此类电 源芯片最熏要的特点。 本文设计了一种用于移动电子设备的高效同步整流的d c d c 升压芯片，该芯 片采用p f m ( 脉冲周期调制) 调制方式，工作频率最高可达5 0 0k h z ，内部集成 功率管作为同步整流管，代替传统的肖特基二极管，导通电阻仅有o 4 1 ) ，大大降 低了导通损耗。整个芯片具有极低的静态电流，使得此芯片即使在轻载的时候也 有很高的效率。该芯片无需外接电阻分压网络即可用于各种m p 3 播放器、p d a 、 手机、数码相机等便携式设备中。 本文首先阐述了开关电源的工作原理，详细介绍了本电路的整体工作原理， 最后重点介绍了白偏置电流源电路、基准源电路、单稳态触发器电路、峰值电流 限制及低电池电压迟滞比较器的工作原理，并利用e d a 工具l a r k e r a m s 、 h s p i c e 对电路进行了完整的设计和模拟仿真，给出了合理的电路数据，各子模块 电路的电特性参数均达到或优于设计所需指标。最后，对整体电路进行了联合仿 真，模拟结果表明该电路完成了设计功能、达到了预先制定的设计指标。 关键词：同步整流高效p f m 一 垒! 墅壁 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i ca n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , p o r t a b l e p o w e ri s i n c r e a s i n g l yb e c o m i n gt h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o na r e af o rp o w e rs e m i c o n d u c t o r i n t e g r a t e dc i r c u i t s s m a l lf o r mf a c t o r , l l i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s tr r et h em o s td e s i r e d f e a t u r e sf o rp o r t a b l ep o w e ri c s an e wt y p eh i g he f f i c i e n c ys y n c h r o n o u ss t e p - u pd c d cc o n v e r t e rf o rh a n d - h e l d d e v i c ei sd e s i g n e di n t h i st h e s i s i tw o r k si nt h ep f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i n g ) m o d e ，a n di t ss w i t c h i n gf r e q u e n c yc a nu pt o5 0 0k h z i to f f e r sab u i l t - i ns y n c h r o n o u s r e c t i f i e rt h a tr e d u c e ss i z ea n dc o s tb ye l i m i n a t i n gt h en e e df o ra l le x t e r n a l s c h o t a c y d i o d ea n di m p r o v e so v e r a l le f f i c i e n c yb ym i n i m i z i n gl o s s e s t h eo n - r e s i s t e n c eo ft h e s y n c h r o n o u sr e c t i f i e ri sa sl o wa s0 4 f 1 i th a sav e r yh i g he f f i c i e n c ye v e ni nt h el i g h t l o a dt h a n k st oi t sl o wq u i e s c e n ts u p p l yc u r r e n t t h ec h i pc a nb ew i d e l yu s e di nm p 3 p l a y e r , p d a ，d i g i t a lc a m e r a , c e l l sp h o n ea n dp o r t a b l ep r o d u c t se t c t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h e o p e r a t i n gt h e o r yo ft h i sc i r c u i th a sb e e nd e m o n s t r a t e d t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n d s i m u l a t i o na n a l y s i sa b o u tb a n dg a pr e f e r e n c e ，s e l f - b i a s e dc u r r e n ts o u r c e ，o n es h o t c i r c u i t ，h y s t e r e s i sc o m p a r a t o r , a n d c u r r e n t - l i m i tc i r c u i th a v eb e e np a r t i c u l a r l y e x p o u n d e di n t h i st h e s i s a tl a s tt h ew h o l ec i r c u i ti ss i m u l a t e da n ds h o w st h a tt h e d e s i r e df u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e sa r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sr e c t i f i e rh i g he f f i c i e n c y p f m i i 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： 鎏竭 日期：协。年 ；月歹日 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) 签名：导师签名： 叶譬， 日期：2 口吒年岛月日 第一章引言 第一章引言 随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密 切，而任何电子设备都离不开可靠的电源，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 年代开关电源相维进入各种电子、 电器设备领域。程控交换机、通讯、电予检测设备电源、控制设备电源等都已广 泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。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 t v d 或者脉冲频率调制方式( p f m ) 控制i ( 2 和外部电路构成。 1 1 开关电源发展现状及其分类 1 1 1 发展现状 近2 0 多年来集成开关电源沿着两方向不断发展： 对开关电源的核心单元控制电路实现集成化 1 9 7 7 年国外首先研制成功脉冲宽度调制( p w m ) 控制器集成电路。美国摩托 罗拉公司、硅通用公司( s i l i c o ng e n e r a l ) 、尤尼特德公司( u n i t r o d e ) 等相继推出 一批p w m 芯片，典型产品有m c 3 5 2 0 、s g 3 5 2 4 、u c 3 8 4 2 。9 0 年代以后，国外 又研制出开关频率达1 m h z 的高速p w m 、p f m ( 脉冲频率调制) 芯片，典型产 品如u c l8 2 5 、u c l 8 6 4 。 对中、小功率开关电源实现单片集成化。 此方向大致分两个阶段：8 0 年代初，意，法半导体有限公司( s g s - t h o m s o n ) 率先推出l 4 9 6 0 系列单片开关式稳压器。该公司于9 0 年代又推出了l 4 9 7 0 a 系 列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片。1 9 9 4 年， 美国动力( p o w e r ) 公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电 源，被人们称誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为t o p s w i t c h 系列，第二代产 品则是1 9 9 7 年问世的t o p s w i t c h i i 系列。1 9 9 8 年又推出了高效、小功率、低 价格的四端单片开关电源t i n y s w i t c h 系列。在这之后，m o t o r o l a 公司于1 9 9 9 年 叉推出m c 3 3 3 7 0 系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器。 又推出m c 3 3 3 7 0 系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器。 电子科技大学硕士学位论文 现在，新一代电源正在向电信业倾斜，以适应电信业发展的新需求。同时， 由于消费类电子产品的巨大市场和发展潜力，适合于电池供电的便携式电子产品 的小功率、低功耗、高效率、小体积、轻重量的d c - d c 变换器更是异军突起。 2 0 0 0 年，美国国家半导体公司州s ) 研制的高效率o 5 as i m p l es w i t c h e rd c d c 转 换器，效率高达9 6 ，适应低温运行、长寿命、小体积电池电源的设计方案。德 州仪器( t i ) 公司的新型低功耗、高频d c d c 降压转抉器，可延长便携式电子 系统的工作时间，其最高工作频率为2 5 m h z ，转换效率高达9 4 ，对于那些由单 节或双节锂离子电池组供电的手持电子设备。如互联网音频播放器、数码相机、 手机、卫星电话和个人数字助理( p d a ) 等，是非常理想的电源转换器件。而安森美 半导体生产的微功率脉冲宽度调制器( p w m ) 的升压d c d c 变换器，封装体积可 节省百分之六十，并且具有增强功能，可以降低手提游戏机、传呼机、移动电话、 数码相机、工业设备以至其它消费类手提产品的电源损耗。 当今，电子产品已普及到工作与生活的各个方面，其性能价格比愈来愈高， 功能愈来愈强，供电的电源电路在整机电路中是相当重要的。电源电路的性能良 好与否直接影响着整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。随着电子技术的飞速 发展，电源技术也得到了很大的发展，它从过去的不太复杂的电子电路变为今日 的具有较强功能的功能模块。电压稳定的方式，由传统的线性稳定发展到今天的 非线性稳定，电源电路也由简单变得复杂，电源技术正从过去依附其他电子设备 的状态，逐渐演变成为一个独立学科分支。 1 1 2 开关电源的分类 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 ( 占空比) ，维持稳定输出电压的一种电源。它可分为a c d c 和d c d c 两大类， 一般由脉冲宽度调制( p w m ) 或脉冲频率调制( p f m ) 控制i c 和功率半导体器 件( 一般为m o s f e t ) 构成。具有功耗小、效率高( 可高达7 0 9 5 ) 、体积小、 重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需要大容量的滤波电容等优点。目前d c d c 变换器已实现模块化，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，但a c d c 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中， 遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 ( 1 ) a c ，d c 变换 a c d c 变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流向由电 2 第一章引言 源流向负载的称为“整流”，功率流向由负载返回电源的称为“有源逆变”。a c d c 变 换器输入为5 0 6 0 h z 的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波 电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准( 如u l 、c c e e 等) 及e m c 等的限 制( 如i e c 、f c c 、c s a ) ，交流输入端必须加e m c 滤波及使用符合安全标准的 元件，这样就限制a c d c 电源体积的小型化。另外，由于内部的高频、高压、大 电流开关动作，使得解决e m c 电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装 电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因。高电压、大电流开关使得电源工 作消耗增大，限制了a c d c 变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化 设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。a c d c 变换按电路的接线方式 可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路 工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。 ( 2 ) d c d c 变换器 d c r d c 变换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波 器。它有两种工作方式：一是脉宽调制方式，周期不变，导通时间可改变；另一种 是频率调制方式，导通时间不变，周期可改变。其简单框图如图1 - l 所示。 !l p 删哦i l - 1 瓣卜 图1 。1d c d c 变换器的简单框图 d c d c 变换器可分为两种基本类型：非隔离型( 在工作期间输入源和输出 负载共用一个共同的电流通路) 和隔离型( 能量转换是用一个相互耦合磁性元件 来实现的) 。 从结构上讲，d c d c 变换器又可分以下几种类型： 3 垒王型垫奎兰堡主堂堡丝奎 降压型变换器( b u c k ) ，它使直流电压减小，v o n i n = d ( 占空比) 。转换率 为m ( d ) = d 。 升压变换器( b o o s t ) 与降压变换器有相似的结构，只是开关和电感的位 置互换。它的输出电压v o 比输入电压v i n 高，v o n i n = 1 ( 1 d ) 。转换率为m ( d ) = 1 ( 1 - d ) 。 升降压变换器( b u c k b o o s t ) ，它的开关通过功率输入电压连接电感到输 出，改变了电压的极性，同时使电压增加或降低，v o n i n = d ( 1 - d ) ，转换率为m ( d ) = 1 ( 1 d ) 。 1 2 同步整流技术的基本原理 1 1 1 概述 由于现代高速超大规模集成电路的尺寸不断减小，并要求功耗不断降低， 供电电源的电压也随之要求越来越低。过去输出电压为3 v - 5 v 的d c d c 开关变换 器，采用肖特基二极管( s b d ) 、快恢复开关= 极管( f r d ) 作为输出整流管，其 正向压降约为0 4 v 0 6 v ，甚至达到l v ，大电流时的通态功耗很大，在输出电压低 于3 v 的开关变化器的总损耗中，将占主要比重，现代商速集成电路的电源电压， 已降到几乎可以与s b d 或f r d 正向压降可比的程度。 从2 0 世纪8 0 年代初开始，国际电源界研究开发同步整流技术，用通态损耗 低的功率m o s 管反接，代替f r d 或s b d 用于低电压大电流输出的d c d c 变化 器中，称为同步整流管s r ( s y i l c l r o n o u sr e c t i f i e r ) 。以后陆续研究开发了同步整 流低压输出d c ，d c 变换器及其驱动方法。 与s b d 相比，用同步整流技术的优点是：正向压降很小，阻断电压高，反向 电流小等。现在的输出电压的5 0 - - 3 0 0 w 高密度d c d c 变换器己普遍使用s r ， 使正向电压降低到原来的1 2 1 3 。尤其值得注意的是，在1 m h z 1 0 m h z 软开关 d c ，d c 变换器中，应用同步整流技术，可使开关变换器效率从8 0 一8 5 提高到 9 0 。 1 1 2 基本原理 在阐述同步整流工作原理之前，先说明一下作同步整流管用的m o s f e t 的用 法。图1 2 所示为整流二极管和n 沟道功率m o s 管的电路图形符号。 第一章引言 k ( 阴极) d ( 滑极) g ( 棚极) _ j i s ( 源极) ( 阳极) 图1 - 2 整流二极管和功率m o s 管的电路图形符号 整流= 极管有两极：阳极a 和阴极k 。功率m o s 管有三极：漏极d 、源极s 和门极g 。用做s r 时，功率m o s 管的源极s 相当于二极管的阳极a ，漏极d 相 当于二辍管的阴极k 。源漏问有个寄生二极管( 或称体二极管) ，还有输出结电 容( 此处未画出) ，驱动信号加在门极和源极间。因此s r 也是一种可控的开关器 件，提供适当的驱动控制，实现整流。拓扑要求整流管有反向阻断功能。因此 m o s f e t 作为整流管用时，流过电流的方向必须是从源极到漏极，而不是通常的 从漏极到源极。同步整流管在开关电源中的应用如图所示 v o 图1 - 3 同步接流在电路中的应用 图中有两个功率m o s 开关管，即主开关s w 和同步整流管s r 。s r 和s w 以 相同频率、互补方式运行。即s w 关断时，s r 导通；s w 导通时，s r 关断。s r 和s w 的驱动电压波形如图所示 5 电子科技大学硕士学位论文 v g s 图l - 4 开关管和同步整流管的导通时序 1 1 3 功耗的计算 同步整流管的功耗可用下式近似表示： = ，。r 。+ 巳2 f ( 卜1 ) 式中，第一项为正向通态损耗，其中，。为正向电流有效值，j k 为功率m o s 管 通态电阻：第二项为开关过程中功率m o s 管输入电容充放电引起的损耗，其中厂 为开关频率；c 。为输入电容，为栅极驱动电压。 1 3 本文工作 本文的主要工作是设计了一种商效同步整流的d c d c 升压电路，该电路能够 实现0 9 v 的低电压下启动，1 8 v 至5 5 v 的输出电压，低到几十微安的静态电流， 较高的轻载转换效率等。电路可广泛应用于笔记本电脑、p d a 、数码相机、移动 电话等便携产品。内容分五章进行。 第一章主要是在查阅文献资料的基础上对论文所涉及到的主要相关学科和技 术进行概略性的介绍，从而对我们的研究工作有一个总体的概念。 第二章主要是介绍电源功率常用的拓扑结构及其控制方式。 第三章讲述整体电路设计依据、整体结构组成、参数指标及相关的子模块组 成。 6 第一章引言 第四章设计基准源、自偏置电流源、单稳态触发器振荡回路、峰值电流限制 等各子模块电路。设计出各子模块实际线路图，进行原理分析，给出仿真结果。 第五章在典型条件下对接体电路进行仿真分析，根据指标要求进行电路的优 化和元器件参数的调整，使各子模块电路与整体电路的电特性参数达到设计要求。 皇王型垫查鲎塑主堂垡鲨塞 第二章电路的拓扑结构及其控制方式 2 1b o o s t 电路的拓扑结构 2 1 1 基本原理 b o o s t 变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。它 的输出电压大于输入电压，其电路图如2 1 所示； + v i n v o 圈2 - 1b o o s t 电路示意图 其工作过程为：当功率管q 导通时，电流流过电感线圈l ，电流线性增加， 电能以磁能形式储在电感线圈l 中。此时，电容c 放电，r 上流过电流厶，r 两端 为输出电压，极性上正下负由于开关管导通，一- - 极管阳极接地，二极管承受反向电 压，所以电容不能通过开关管放电当功率管q 关断时，由于线圈l 上的电流不能突 变，磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保持电感电流不变这样线圈l 磁能转化 成的电压k 与电源串联，以高于v o 的电压向电容c 、负载r 放电，维持不变。 由于屹+ 向负载r 供电时，高于，故称它为升压变换器。工作中输 入电流等于电感电流是连续的，但流经二极管d 的电流却是脉动的。由于有c 的 存在，负载r 上仍有稳定、连续的负载电流l 。 2 1 2 定量计算 下面分析功率管开关闭合和断开的情况与输出电压的关系。设开关动作周期 为疋，闭合时间为t 。= d i b ，断开时间为f ：- t 、= d ：正。b 为接通时间占空比，d ： 为断开时间占空比，它们各自小于1 ，连续状态时d 1 + d ：= 1 。 在输入输出电压不变前提下，当开关接通时，屯线性上升，其电感电流增量为 8 堑兰皇堕塑塑盐壁塑墨基墼鱼! 直塞 a i l ：阜d l 五 l 开关关断时，屯线性下降，其增量为 挑：一半d 2 瓦 由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等a 。= i ：i ，所以 化简得电压增益 ( 2 1 ) ( 2 2 ) y , d 广, t s ：虹挚( 2 - - 3 ) 山 l m ：孕：去：士 ( 2 4 ) 吃1 一d 1d 2 一“ 当电感较小，或负载电阻较大，或b 较大时，电感电流工作在不连续的模式。 此时，当开关导通后，其电感电流增量为 = 警d l 瓦 ( 2 5 ) 开关关断时，在d ：b 时间内，电感电流线性下降到零，其电感电流增量为 一半d 2 五 ( 2 卅 开关关断在b 一( d l + d ：) 五时间内，电流为零，相当于电感与并联的电容c 、 电阻r 断开。同样按交接处电流相等，即a i 。= l a i 。：l 原则有 型堡：虹= 幺照玉( 2 7 ) 三l t 。 可以推证临界电感 k = 西v o r 了, m 1 1 一d 1 ) 2 ( 2 8 ) 不连续工作模式时d 1 + d 2 l 所以电压增益m 的形式为 2 2p f m 控制方式的基本原理 m ：v ，o ：d 1 - + d 2 ( 2 9 ) d 2 p f m 调制方式是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。在电 路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压， 频率转换器( 如压控振荡器v c o ) 改变频率。p f m 方式可以分电压模式和电流 模式。电压模式只对输出电压采样，是单环控制系统；电流模式是在电压控制基 础上，增加电流负反馈环节，使其成为双环控制系统，从而提高电源的性能。 v 图2 2p f i 控制原理图 图2 2 示出电压模式脉频调 制方式的电路图。它的原理是：采 样电压加在比较器的负输入端，当 输出电压低于预设值时，比较器输 出高电平。该高电平允许振荡器输 出的方波经触发器驱动功率开关 管。若输出电压v o 高于这一预设 值时，比较器输出低电平。该低电 平进入触发器，使触发器闭锁，从而振荡器输出的方波不能通过触发器，功率管 处于断开状态。这样，控制输出信号的脉冲宽度不变而开关周期变长，使占空比 减小，从而起到稳压的作用。 电流模式的p f m 控制电路由两个反馈环路构成。一个是通过采样电压监视输 出电压的环路；另一个是功率m o s f e t 的保护电路环路。第一个环路的原理与电 压模式相同，根据输出采样电压与参考电压的误差放大，输出控制p f m 逻辑电路。 第二个环路具有电流控制的功能。它将电流信号转化成电压信号与参考电压进行 1 0 第二章电路的拓扑结构及其控制方式 比较，以控制电感电流。当电流高时，内部环路执行电流限制，缩短了功率开关 管的导通时间。p f m 方式的输出电压调节范围很宽，在输出电压较高时，其工作 频率会自动改变。所以，在负载较轻或者空载情况下，p f m 方式的芯片功耗较低， 效率较高。它的输出电压精度主要取决于内部电压比较器的精度和基准电压源的 输出电压特性。 电子科技大学硕士学位论文 第三章整体电路的构思与设计 开关电源可以采用模块化的设计思想。由于设计比较复杂，因此要把它分解 成多个基本功能模块进行设计。一般按照一定的顺序和方式进行设计会使设计变 得更加容易，因为下一步骤所需的一些信息在该步骤之前就设计好了。开关电源 的设计总是先进行总体考虑，然后对电源各部分分别进行设计，接下来是设计控 制和辅助功能，最后进行测试和设计优化。确定好电源的功能和必需的工作条件 后，就可以按一定的设计流程并结合开关电源的功能模块图进行设计，一般的开 关电源的功能模块图如图3 1 所示： 出 闰3 1 开关电源的功9 9 模块 本文参考基本的开关电源的功能模块，采用b o o s t 拓扑结构设计了一款高稳定 性的直流升压转换控制电路。本章将介绍控制电路的设计原理与各功能块的作用。 3 1 控制电路设计原理 通常升压转换电路中多采用p w m 控制电路，但p w m 控制的转换电路在低 负载时，效率、稳定性都会急剧下降。与p w m 相比p f m 方式的输出电压调节范 围很宽，在输出电压较高时，其工作频率会自动改变。所以，在负载较轻或者空 载情况下，p f m 方式的芯片功耗较低，效率较高。所以从这个角度考虑，选择p f m 作为此芯片的控制方式。 本文设计了一种电压模式的p f m 控制系统，对输出电压采样，根据反馈回来 的电压调节功率管的关断时间，保持功率管的导通时间不变，从而改变栅驱动号 的频率达到稳定输出电压的晷的，结构框图如下图3 2 所示。 一蔓三童苎堡皇堕盟塑昼兰堡盐 t x 圉3 2 p f m 控制逻辑框图 此外为了防止电感电流饱和和保护功率管不会因为流过过多的电流而烧毁， 加入了一个峰值电流限制电路，一旦电流超过限制值马上关断功率管，停止充电 进入放电模式，从而达到保护功率管的目的。常用的限流电路的做法是在功率管 上串接一个小的s e n s o r 电阻，通过监测电阻上的电压来达到限制电流的目的。但是 这样增加的电阻会消耗功率且与功耗流过功率管的电流的平方呈正比，所以从减 小功耗提高芯片效率出发，本文选择了通过监测功率管漏端电压的方法来达到限 流的目的。 3 2 整体电路设计 3 2 1 电路的整体设计基本要求 本文所设计的d c d c 于 压式电源管理电路是一种小型化，低功耗，具有较高 转换效率的新型低压直流升压变换器。 该电路在很低的启动电压下就可正常工作，具有一定的自我保护调节功能。 本文所设计的电路一般要求指标( 在典型条件下) ： 1 低的静态输入电流 3 5 i “： 2 宽的输出电压范围1 8 v - 5 5 v ，为了方便用户使用在需要3 3 v 和5 v 的输 出时，不需要外接电阻分压网络； 3 开关工作频率最高5 0 0 k h z ； 4 1 2 v 左右的基准，温度系数小于2 0 p p m ，并且具有一定的负载能力； 电子科技大学硕士学位论文 一_ - _ _ _ - - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - l _ _ 一 5 最高转换效率兰9 0 ： 6 启动电压 o 9 v ： 7 电感上的峰值电流_ 8 0 0 m a ： 8 低电池电压监测迟滞度5 0 m v ： 3 t 2 2 控制电路整体结构设计及工作过程 结合电路的设计要求，本文采用了单稳态触发器振荡回路，控制电容的充放 电时间来控制栅驱动信号的频率，从而实现升压的功能。 所设计的电源电路主要由以下几部分组成：自偏置电流源，基准电压源，单 稳态触发器振荡回路，峰值电流限制电路，迟滞比较器，开关管及同步整流管等。 其电路的整体电路图如图3 3 所示： 图3 - 3 整体电路框图 该芯片共有7 个端口，分别为输入端l x ，输出端o u t ，使能端s h d n ，低电 池电压检测输入端l b i ，低电池电压检测输出端l b o ，基准端r e f ，地g n d 。工 作原理为：反馈比较器通过电阻分压网络采样输出电压并且与基准电压比较，如 果反馈电压低于基准电压，p f m 控制逻辑就控制导通n 沟道功率管关断p 沟道功 率管，此时电感上的电流线性增加，如果电感上的电流没有达到最大限制的话，n 功率管就会导通达到一个最大开通时间4 u s ，此后n 功率管被关断p 功率管被开启， 储存在电感上的能量就会对输出电容和负载充电。放电的最小时间是l u s ，放电会 1 4 第三章整体电路的构思与设计 一直持续直到反馈电压低于基准为止，放电结束后就会自动进入下一个充放电周 期。通过以上的控制从而使输出电压稳定在预设值附近，它的精度主要取决于内 部比较器和基准的精度。 3 2 3 电路各主要功能模块的作用 ( 1 ) 自偏置电流源 此芯片用自己的输出电压作为电源电压，所以需要一个不随电源电压变化的 电流源，此电流源将会被广泛用于各个模块中。 ( 2 ) 基准电压源 基准电压用在反馈比较器的正输入端，此电压的性能影响着芯片输出电压的 精度。理想的基准电压应该不受电源和温度变化的影响，本文根据需要在面积， 功耗和性能上折衷，设计出1 2 2 v 温度系数小于2 0 p p m 的带隙基准。 ( 3 ) 单稳态触发器振荡回路 此模块为整个p f m 控制逻辑的核心，两个单稳态触发器决定了电感最大的充 电时间和最小的放电时间，他们跟一个r s 触发器形成振荡回路。 ( 4 ) 反馈比较器电路 此电路除了一个常规的c m o s 两级比较器以外还有一个集成的内部电阻分压 网络，f b 端分别接o u t 和g n d 时有两种不同的分压模式。 ( 5 ) 峰值电流限制电路 在负载较大时，电感上也会流过很大的电流，电流值有可能超过功率管的限 制值从而导致功率管烧毁，所以加入此模块对电感上的电流逐个周期进行检测， 一旦过流马上关断功率管。 ( 6 ) 低电池电压迟滞比较器 它的输出是l b o 端，用来提醒用户此时电池电压过低。此比较器带有5 0 m v 的单端迟滞。 3 2 4 电路典型应用 此芯片典型应用电路有以下三种： 一皇王登垫奎堂堡主堂垡堡塞 图3 - 4f b - = o u t , 输出为3 3 v 时 图3 - 5f b = g n d ，输出为5 v 时 图3 - 6 外接电阻分压时 1 6 苎璺整查垫堕王堡墨盟墼生 第四章各功能子模块的设计 4 1 自偏置电流源电路设计 4 1 1 基本原理 芯片的电源电压由它的输出电压提供，所以我们需要一个不随电源电压变化 的电流源来提供芯片内各个模块的偏置电压。它的核心电路是一个自偏置的电流 源，它的电路如下图所示： ( t l ) p ( v l ) n 图4 - 1 自偏置电流源 它的工作原理为：m 3 ，m 4 是一对p m o s 电流镜，它们的宽长比相同，如果 忽略沟道调制效应的话，流过m 3 和m 4 的电流相等，即i l _ 1 2 。对于下面的一对 n m o s 来说它们的栅压相等，那么可以写出： 忽略体效应，我们有 v 6 n = v g s 2 + i2 r ( 4 1 ) 。+ k 。，= 磊。+ 巧。：+ - ：r c 4 一：， 1 7 曼! 型堡丕兰堡主兰堡堡苎 鼯k c w l ) 。( t 一捌“e s ， 1 卢。 。l 届j q “1 ”。7 因此 = 赢寿( t 一爿 4 ， 以c 。( 矿，工) 置2 x j 一” 正如我们所希望的那样，电流与电源电压无关，但仍就是工艺和温度的函数。 4 1 2 改讲方塞 在上面的计算中我们忽略了集体管的沟道调制效应，如果考虑沟道调制效应 的话漏端电压的失配可以导致两路电流的失配达到7 - 8 。单独增大管子的沟道长 度l 只能有限的消除沟道调制效应的影响。所以本文采用低压的c 嬲c o d e ( 共源共 栅) 结构，它的输出电阻远远大于单管的输出电阻。 ( a ) ( b ) 图4 2 基源共栅电路的优点 如果x 和y 点的电压有失配，那么在图4 2 ( a ) 中电流的失配为 d i - - ，。：= 互1 肌c 倒帆一) 2 以。一 ：) = 圭儿以一) 2 m y ) ( 4 - 5 ) 如果是使用如图4 - 2 ( b ) 所示的c a s c o d e 结构，v 和v y 之间的差别a v 转换 为p 和q 两点之间的电压差为 第四章各功能予模块的设计 2 矿踊i 瓦r o 蕊1 五百 。广耳( 4 - 6 ) “砭了而 因此 ，d l i d 2 = 扣c o a v 一) 2 瓦丽a a v ( 4 7 ) 也就是说，c a s c o d e 结构使，。，和，。2 的失配减小了( g ，3 + g 枷k 3 倍。 41 气章际由略图 l 端h t 。 止。w ” i ll 障 。bi i q u lr 。i 勺 哔。lq 已 l 。il 。一 “l u “ _ 1 1 一 一 一 上“ 111t c ： h ，l 图4 3 自偏置电流源电路图 如图4 3 所示，该电路主要由启动电路，偏置电路，低压c a s c o d e 电路组 成。 电路的工作过程如下：电路正常工作时，s h d n l 信号为高，n s h d n l 信号为 低，使得开关管p 2 2 9 和n 1 9 4 关断，同时使得p 1 8 8 和p 1 8 9 关断，n 2 0 9 和n 2 1 0 打开。p 1 7 4 的栅信号接地，始终处于开启状态，电路刚上电时，使得c t r l 2 为高， 1 9 电子科技大学硕士学位论文 将n 2 0 7 和n 2 0 8 打开，将p 1 8 7 、p 1 9 1 和p 1 9 0 的栅电位拉低，同时也把p 1 7 7 、 p 1 7 8 和p 1 8 6 的栅电位拉低，此时上面的两层p 管已经全部打开。p 1 8 6 打开之后， 使得n 2 1 2 和n 2 1 3 开启，p 1 7 7 和p 1 9 1 工作后，将n 2 0 4 和n 2 0 2 打开，则低压 c a s c o d e 开始工作。由于低压c a s c o d e 基准电流是不随电源电压变化的，同 时也使得1 , 1 2 0 2 和n 2 1 2 的栅信号恒定不变，得到稳定的偏置输出信号。当v b i a s l 逐渐增大后，将为n 1 9 9 、n 1 9 8 、n 2 0 0 和n 1 8 1 提供偏置信号。由于p 1 7 4 的宽长 比很小，而n 1 9 9 的宽长比很大，将使得n 1 9 9 工作在线性区，将c h 也2 拉低， 同时也将关断n 2 0 7 和n 2 0 8 ，由于，n 1 9 8 已经开启，以保证持续为c a s c o d e 中 p 1 9 1 和p 1 9 0 提供偏置信号。 而v b l a s 3 是由n 2 0 0 ，n 2 0 1 和p 7 6 产生的，p 1 7 6 是二极管连接的负载。在 启动的时候，由于v b i a s 3 与电源电压之间接入电容c 4 ，因为电容电压不能突变， v b i a s 3 保持为电源电医值。当n 2 0 0 和n 2 0 1 开启之后，电容c 4 将通过n 2 和 n 2 0 1 开始放电，直到得到稳定的v b i a s l 和v b i a s 2 信号后，电容放电结束，该 条支路产生恒定的电流，且与p 1 7 6 产生的电流相等，进入稳定状态，使得v b i a s 3 与电源电压保持一个固定的差值，跟随电源电压变化。 n 1 8 1 的漏端与电源电压之间接了一个电阻，使得c t r l l 输出在电路的启动 前后会出现切换，c t r l l ，c t r l 2 信号是为了芯片能够正常启动。 4 1 4 电路仿真 在整体电路设计中要求电流源电路要在低压下启动，在1 5 v 下能够正常工作。 用h s p i c e 对此电路在典型情况下进行仿真，仿真波形如所示。从上图可以看出 此电流源在7 0 0 m v 时已经开始启动，到了1 3 v 左右已经能得到稳定的输出。启 动后v b i a s l 和v b i a s 2 与电源电压无关，v b i a s 3 跟随电源电压变化。 2 0 一 苎璺童查垫堂主垫塞鲤塑生 钒1 1 8 钒l ，t h “lt 钿 1 t 图4 - 4 典型情况下的偏置电压随电源电压的变化 图4 - 5v b i a s l 随电源电压的变化 从上图可以看出在芯片的正常工作范围1 8 v - 5 5 v 内，v b i a s l 的变化量只有 0 0 4 m v 4 2 带隙基准电压电路 4 2 1 概述 在许多集成电路内部往往需要能提供稳定的电压或电流的模块，称之为基准 电压( 或电流) 源。理想的基准电压源，要求它不仅有精确稳定的电压输出值， 而且具有低的温度系数。温度系数是指输出电参量随温度的变化量，温度系数可 咀是正的，也可以是负的，正温度系数表示输出电参量随温度上升而数值变大， 负温度系数则相反。对于基准电压源通常要求电压源的直流输出电平较稳定，而 且这个直流电平应该对电源电压和温度不敏感。 5 s 3 5 2 5 l 0 ：= = ： 3 。 。 o 一皇量塾垫盔堂堡主兰垡量壅 要设计一个适用于电路的合理的基准电压源，就需先了解一下各集成元件的 温度特性。 1 电阻： 集成电路中的电阻一般为扩散电阻，影响电阻阻值的因素有：载流子迁移率、 载流予浓度。半导体的电导率为： 盯2 n q a 一+ p q # 口 ( 4 8 ) 其中，刀、p 分别为电子和空穴的浓度，。、以分别为电子和空穴的迁移率。 载流予迁移率主要受晶格散射与电离杂质散射的影响，随温度升高而降低。 以“p = 一2( 4 9 ) 而载流子浓度随温度升高而增加，主要受半导体中本征载流子浓度影响。其 中，n 。为半导体的本征载流子浓度。载流子浓度和迁移率对阻值的影响趋势相反， 具体要看实际的杂质浓度、晶格完整性等。实际的s i 集成电路中一般扩散电阻中 的掺杂浓度大于i e l 6 ，工作温度低于1 5 0 c ，考虑这些因素可将本征载流子浓度 视为不变，扩散电阻的温度系数主要受迁移率的影响，其阻值随温度系数为正。 2 二极管 二级管的导通电阻主要受半导体的能带宽度的影响。根据能带理论，随温度 升高，半导体的禁带宽度减小。对p n 结来讲，禁带宽度越小，正向导通压降也越 小。所以，温度升高二极管正向压降减小，正向电流增加，其温度系数： 品t ， 等一2 “- 1 0 ) 对于齐纳管来讲，由于击穿机理为隧道击穿，温度升高，其反向电压下降。 3 m o s 管 影响m o s 管漏极电流k 的因素有阙值电压、栅电压、载流子迁移率三方面。 小华 眩一坼k 一互1v 。2 ( 4 - 1 1 ) 阈值电压随温度的变化趋势如下：对于n m o s 管，阈值电压的温度系数为负 第四章各功能子模块的设计 值；对于p m o s 管，阈值电压的温度系数为正值。但由于n m o s 阈值为芷。p m o s 阈值电压为负，所以温度阈值电压的影响均使i o 有增大的趋势。载流子迁移率随 温度升高而下降。总结如下： a 当( 一吩) 较大时，温度增加j 。减小，漏极电流的温度系数为负； b 当( 一) 较小时，温度增加，。增加，漏极电流的温度系数为正： c 当满足公式( 4 一1 1 ) 时，随着温度升高，。不变； a _ 一昙：下z not(4-12) _ 一言2 可f ) a 丁 在集成电路中，与电源无关的常用标准电压有以下三类： ( 1 ) b e 结二极管的正向压降，= o 6 0 8 v , 它的温度系数 孥。- 2 m r a 7 1 ( 4 1 3 ) ( 2 ) 由n p n 管反向击穿b e 结构成的齐纳二级管的击穿电压v z ，匕= 6 9 v ，它 的温度系数a 。v ，z 。十2 珊z a j ( 4 1 4 ) ( 3 ) 等效热电压= 2 6 m v , 温度系数鲁z + o 0 8 6 v 。c ( 4 1 5 ) 由上可见，这三种标准电压的温度系数有正、有负。利用，和圪，的温度 系数符号相反以及集成电路中组件问匹配和温度跟踪较好的特点，将这三种标准 电压加以不同的组合，可望得到不同的对电源电压不敏感的电压源和基准电压。 常用的基准电压源有双极型三管能隙基准源、双极型两管能隙基准源、c m o s 基 准电压源和e d n m o s 基准电压源。本文所设计的基准源电路是采用p 衬n 阱标 准c m o s 工艺的寄生p n p 两管能隙基准源。 4 2 2 基本原理 能隙电路的主要原理是利用具有正温度系数电压和具有负温度系数的电压相 电子科技大学硕士学位论文 叠加，产生一个具有较低温度系数的稳定的电压输出。如图4 - 5 所示，为此需要 有正温度系数的电压和负温度系数的电压。 b + 匕= b 图4 - 6 基准电压源的基本原理 在半导体工艺的