（电力电子与电力传动专业论文）可程控参考电压源电路的设计.pdf

s u b j e c t ：d e s i g no fap r o g r a m m a b l ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e rd r i v e n a m e：b a i r o n g i n s t r u c t o r ：l i us hu 1 i n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ( s i g n a t u r e ) a sah i g hs t a b i l i t yv o l t a g es t a n d a r d ，v o l t a g er e f e r e n c eh a sb e e nw i d e l yu s e di nd i g i t a l a p p l i a n c e s ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sa n dt e s t i n gs y s t e m s i th a sa d v a n t a g e ss u c ha ss t e a d y , a c c u r a t e ，s i m p l ea n dc o n v e n i e n t e x c e p tf o rt r a d i t i o n a lc i r c u i tr e q u i r e m e n t s ，p r o g r a m m a b l e v o l t a g er e f e r e n c er e q u i r e st h a ti t sv o l t a g ec a nb ep r e s e ta n dr e g u l a t e da c c u r a t e l yt h r o u g h e x t e r n a ld i g i t a ls i g n a l s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i cd e s i g na n ds e m i c o n d u c t o rp r o c e s s ，m o d e mc p u i n t e g r a t e d w i t hm o r ef u n c t i o n sh a sm o r ea n dm o r ec o m p l e xi n t e r n a ls t r u c t u r ea n dc o n s u m e sm o r ep o w e r , t h u sr e q u i r e sm u c hm o r eo nt h ep o w e rm a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r , ap r o g r a m m a b l ev o l t a g e r e f e r e n c ei sd e s i g n e df o rt h ed c - d cp o w e rm a n a g e m e n ti cb a s e do nb i c m o st e c h n o l o g y t h eo u t p u tv o l t a g et ot h ec p ui sd e t e r m i n e d 州t hv i dc o d ea c c o r d i n gt h ev r m 9 0s t a n d a r d ， i t sv o l t a g ea d j u s t m e n ts t e pi s2 5m v , v o l t a g er a n g ei sf r o m1 10t o1 8 5 v ，a n do u t p u tv o l t a g e e r r o ri s 士1 m o d u l e so ft h ep r o g r a m m a b l ev o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t ，i n c l u d i n gt h eb a n d g a pv o l t a g e r e f e r e n c e ，c u r r e n tr e f e r e n c e ，f o l d e dc a s c o d eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n ds w i s hr e s i s t o rn e t w o r k ， a r eb o t ha n a l y z e di nd e t a i l s i m u l a t i o n sa r em a d e 埘t ht h es p e c t r ea n dh s p i c e ，a n dt h er e s u l t s p r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d l a y o u t so ft h ei ca r ec o m p l e t e d 、析m0 8 u m5 v b i e m o sp r o c e s sd e s i g nr u l e s d r ca n dl v sd o c u m e n t sv a l i d a t et h ea c c u r a c yo ft h e l a y o u t s k e yw o r d s ：v o l t a g er e f e r e n c e d c - d cc o n v e r t e rb i c m o sp r o c e s si c l a y o u t t h e s i s ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 娄料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 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。 学位论文作者签名：石森 日期：卯罗3 1 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适川本声明。 学位论文作者签名：囱彖 指导教师签名：勿卅乒曙彳码口 妒7 年岁月以日 1 绪论 1 1 本课题研究背景及意义 1 绪论 在晶体管发明以后，微电子技术对电子系统的发展起到了巨大的推动作用，尤其是 在计算机和信号处理方面的成果更是有目共睹【l 】【2 1 。目前，绝大部分电子系统中都大量 使用了集成电路来减小体积、减轻重量、提高可靠性。同样微电子技术对电力电子的影 响也非常明显，这一点可以从各种功率电子器件 3 1 和功率集成电路 4 1 的广泛应用看出， 并且这一趋势将一直继续下去。 电源是电子设备的重要组成部分，其性能的优劣直接影响着电子设备的工作质量。 集成电路的速度和功率特性取决于电源电压，为了电路在满足目标性能规格时可靠地工 作，一个稳定的电源电压是必须的。基准电压源是指被用作电压参考的高精确、高稳定 度的电压源。理想的基准电压源应该不受电源电压和工作温度的影响，在电路中能够提 供稳定的直流输出电压。基准电压源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成 电路和系统集成芯片( s o c ) 中，是集成电路中一个重要的单元模块，是a d 、d a 转换 器以及通信电路中的基本元件，它的温度稳定性以及电源电压抑制比甚至影响到整个系 统的精度和性能。因此，设计一个好的基准电压源具有十分重要的现实意义。 随着c p u 技术的飞速发展，其工作频率不断提高，系统的集成度也越来越大，而 工作电压却在不断降低【5 j 【6 l 。为确保系统高效可靠的运行，如何解决c p u 复杂的供电问 题成为巨大的挑战，而整个电脑系统中最棘手的电源问题就是如何驱动微处理器。处理 器的电源要求低压大电流的输出能力，高精度的调整精度以及高速的瞬态响应能力。图 1 1 说明了c p u 电源的应用原理。在负载电流和直流输入电源电压变化的情况下，为了 满足使电路合格的性能和功能，电路的直流供电电压必须保持在一个严格的电压包络线 之内。因此，供电电源不仅应该提供电压转换，也应提供电压调节。 l a cha c d c 削删削c p u i li 。i l 图1 1c p u 电源的应用示意图 c p u 工作电压的确定很关键，如果太低，由于固有的传播延时的减慢，处理器就无 法满足最大时钟速度要求，相反如果处理器的工作电压太高，可靠性和工作寿命就会呈 指数下降。对于现在的高集成度的c p u 来说，工作电压己经下降到1 v 左右，为了保持 输出功率不变，输出电流能力要求大于1 0 0 a 。如此大的电流如果集中在一个通道输出 将会加大元器件的负荷并缩短其使用寿命，所以提出了“相”数的概念，即其提出的通 道数，电源设计者依据可用的空间和散热等因素确定所需的相数。新一代的c p u 需要 西安科技大学硕士学位论文 采用3 相或4 相的电压调节器。多相控制芯片的发展也非常迅速，除了2 、3 、4 相，更 多的有8 相1 6 相不等。但是，相数越多相应的控制环路设计也越复杂，占用的面积也 越大，所以相数的选择并不是越多越好。采用多相设计必须要考虑的是电流均衡问题， 如果某相电流很大，该相的元器件寿命就会大幅缩短，也就失去了多相的意义，所以多 相电压调节器的设计必须包含能够主动均衡各相电流的电路。 v r m 是为适应各种快速微处理器、可携带式通讯设备、服务器、超高速的超大规 模集成电路芯片等供电的需求，而开发出的低输出电压、大电流d c d c 开关变换器， 因此v r m 被称为“稳压模块或电压调节器模块 。它可以检测到处理器所需要的电压幅 值，然后根据这一情况给处理器提供相应的电压。v r m 是针对c p u 供电系统而提出的 标准，因此随着c p u 的升级而逐渐变化，早期的p e n t i u m l i 需要符合v r m 8 1 标准。遵 循这种v m r 标准的主板上c p u 稳压电路能够实现1 3 v 3 5 v 之间的电压输出，调整精 度为1 0 0 m v 。c e l e r o n 使用了v r m 8 2 标准。当时i n t e l 的高端处理器和多处理器系统使 用的则是v r m 8 3 标准，电压调整的范围和精度与v r m 8 1 类似。p e n t i u m l i i 和对应的 c e l e r o n 系列的v r m 标准同步提高到v r m 8 4 ，电压调整的范围和精度仍然没变。采用 0 1 3 岫制造的t u a l a t n i 核心p e n t i u m l i i 和c e l e r o n 的内部结构发生了变化，所以i n t e l 专 门为其制定了v r m 8 5 标准，电压调整范围下降到1 0 5 0 v 1 8 2 5 v ，调整精度则提高到 2 5 m v ，具有更高的稳定性。p e n t i u m 4 上市后，v r m 标准已经提高到9 0 ，能够实现 1 1 0 v 1 8 5 v 之间的电压输出，精度同样为2 5 m v 。从全球市场来看，随着经济的快速 发展，v r m 版本在不断的提升，而这种控制芯片也在不断的改进。欧美厂商一直是这 个产品的领先者，德国的i n f i n e o n 、美国的i n t e r s i l 、t i 等都已经成功的研制出高效的低 压大电流的d c - d c 电源管理芯片。而我国在c p u 专用电源转换器的研发水平与国外相 比还十分落后，且与c p u 设计的发展进度完全不符，这严重限制了我国在集成电路设 计尤其是开发具有自主知识产权的c p u 的发展。为了缩短与国外先进水平之间的差距， 我们急需加强通用c p u 专用电源管理芯片的研究工作。 本文采用v r m 9 0 标准规定了v i d 编码，v i d 0 v i d 4 接c p u 对应的v i d 0 v i d 4 电压识别输出引脚，c p u 输出电压识别信号v i d 给电源管理芯片，由电源管理芯片通 过控制两个场效应管导通的频率使输出电压达到c p u 的供电要求。为了能够读取v i d 码而使芯片输出所需电压，该芯片内部包含可程控参考电压源【7 】。可程控参考电压源是 在普通基准电压源的基础上按照系统设计指标所设计的一种新型的基准电压源电路，它 的特点就是可通过单片机或微处理器的输出数字信号来精确设定或调节基准电压，并且 在基准电压与输入数据( 即设定值) 之间存在着严格的对应关系。本文设计的可程控参考 电压源是基于c p u 专用可程控电源芯片设计的电路，要求基准电压源的步进量小 ( 2 5 m y ) ，电压调节范围宽( 1 1 0 v 1 8 5 v ) 。在整个芯片设计中可程控参考电压源的稳定 2 1 绪论 性对整个系统的稳定性和温度漂移有着直接的影响，关系着整个电路的精度、稳定度， 具体体现在： ( 1 ) 可程控电源管理芯片在工作的过程中会产生大量的高频噪声，参考电压源工作 在该环境中就必须对电源抑制比提出较高的要求，特别是在较高频带时，仍能有很好的 电源抑制比，这样才能保证电路工作的正常进行。 ( 2 ) v r m 标准要求系统具有能够在控制器工作的同时改变v i d 输入的功能，这就 可以在电源工作并且给负载提供电流的同时使得输出电压改变。处理器( c p u ) 通过从起 始码到终态码多步改变v i d 输入来给控制器信号，这种改变既可以是正向的也可以是负 向，通过码的改变参考电压源应产生正确并稳定的电压值。 ( 3 ) 可程控参考电压源在产生可调的基准电压外，还产生固定的基准电压值。产生 的电压值为电压保护电路、均流电路、振荡器电路等重要模块提供用于比较的电压，该 电压的精度直接影响到锯齿波振荡器所产生信号的正确性及最终输出电压的精确性，关 系到电路能否正常工作。 ( 4 ) 可程控参考电压源不仅给芯片提供参考电压还产生整体芯片中所需的基准电 流，为电源管理芯片提供稳定的偏置电流。 电源管理芯片输出的电压精确度主要由设计的参考电压源决定，所以在这款c p u 专用可程控电源管理芯片中可程控参考电压源的设计是关键的第一步。 1 2 基准电压源的特点及发展现状 零温度系数的基准电压源，是人们在电子仪器和精密测量系统中长期追求的一种理 想器件【8 】。传统的基准电压源是基于稳压管或晶体管的原理而制成，其电压温度漂移( 简 称温漂) 为m v ，电压温度系数高达( 1 0 。1 0 4 ) ，无法满足现代电子测量的需要。随 着带隙基准电压源和隐埋式齐纳稳压管的问世，才使上述愿望变为现实。 ( 1 ) 传统的基准电压源 传统的基准电压源一般利用稳压管或硅晶体发射结来获取基准电压。其缺点是稳定 性差、温度漂移量大，还称不上真正意义上的基准电压源。 ( 2 ) 新型基准电压源的分类 隐埋式齐纳二极管 早期的齐纳二极管基准电压源为减小温度漂移或温度系数( t c ) ，通常在一只反向齐 纳二极管上再串联一只正向二极管，如图1 2 所示。 3 西安科技大学硕士学位论文 图1 2 齐钠二极管基本原理 因为工作在雪崩状态的齐纳二极管的击穿电压在7 v 左右，具有正温度系数( 约为 + 2 - - - + 4 m v c ) ，而正向硅二极管具有负温度系数( 约为一2 m v c ) ，二者可以相互抵消。但 是由于这两个温度系数的绝对值并不相等，而且都随电流而变化，所以很难得到零温度 系数。 这种齐纳( 雪崩) 二极管的击穿电压发生在硅表面层( 见图1 3 a ) ，所以称做表层齐纳二 极管。由于硅芯片表层与其内部相比有更多的杂质、品格缺陷和机械应力，所以表层齐 纳二极管的噪声较大、长期稳定性差，而且容易受到表面氧化层中迁移电荷及外界环境 的影响。为了克服上述缺点，改进制造工艺，采用隐埋齐纳二极管结构( 见图1 3 b ) 。使 其击穿发生在表面表层的下面，从而可以避免表层的影响，使其在温度漂移、时间漂移 和噪声特性等方面得到明显的改善。但是由于表层下面的扩散工艺比表层上面难控制， 所以在制造过程中使基准电压源的绝对值和温度系数等参数的分散性比较大，常常超过 允许误差。如果选用高精度运算放大器与隐埋齐纳二极管组成基准电路，可以调整电路 的输出精度。成熟的产品有a d i 公司的a d 5 8 8 和a d 5 8 6 ，输出电压的温度系数可以达 到1 2 p p m 。c 。虽然温度特性可以做得很好，但是这的电源电压必须大于7 v ，工作电 流也( 毫安级) 很大，所以功耗很大，在一些便携式的或者是电池供电的系统中就不能采 用这种结构的参考电压源。 击穿 隐埋击 ( a ) 表面齐纳二极管( b ) 隐埋齐纳二二极管 图1 3 表层和隐埋齐钠二极管结构 带隙基准电压源 2 0 世纪7 0 年代初，w i d l a r 首先提出能带间隙基准电压源概念，简称带隙( b a n d g a p ) 电压。所谓能带间隙是指硅半导体材料在o 温度下的带隙电压，其数值约为1 2 0 5 v ， 带隙基准电压源其典型电压值为1 2 5 v ，非常接近硅带隙电压1 2 0 5 v 而得名1 9 j 。后来， b r o k a w 等人在w i d l a r 带隙结构的基础上进一步研究和改进，提出了b r o k a w 结构等多 种带隙基准结构，使基准电压的精度进一步提高。带隙基准电压源不仅可以将输出电压 4 1 绪论 的低温度系数做的很低，同时还可以工作在低电压( 甚至可以低到1 v ) 下。是目前应用最 广泛的一种技术。 带隙基准电压源的基本原理是利用双极型晶体管基区一发射区电压具有的负温 度系数，而不同电流密度偏置下的两个基区一发射区的电压差具有正的温度系数的 特性，将这两个电压线性叠加从而获得低温度系数的基准电压源。带隙基准电流源的温 度系数也比较小，同时受电源和工艺的影响也比简单基准电流源、m o sw i d l a r 电流源、 阈值电压相关电流源要小很多。 反映基准精度的主要指标有温度系数、电源电压调整率、电源抑制比等。温度系数 表示由于环境温度变化引起的输出电压的漂移量，反映了基准源在整个工作温度范围内 输出电压最大值与最小值相对j 下常输出值的变化，是衡量基准电压源的关键性技术。精 度要求不高的电路一般只要一阶温度补偿就够了，精度要求高的电路就需要采用二阶补 偿甚至是高阶补偿来获得更好的温度特性【1 0 】【l l 】【12 1 。理论研究上最好的输出电压的温度 系数可以达到0 2 p p m * c ，实际流片出来的最好效果可以达到0 5 p p m 。纵向p n p 管 的工艺可以与c m o s 工艺兼容，所以这种技术可以应用在c m o s 集成电路中，这也是 带隙技术应用最广泛的原因之一。对于一个高性能的基准电压源来说，低温度系数是必 须的。电源电压调整率是指基准输出电压自身的相对变化与规定范围内输入电源电压相 对变化的比值，反映了电源电压对基准电压源输出的影响，其值越小，表示基准受电源 电压变化的影响就越小，性能越稳定。电源抑制比是指电源电压存在的纹波电压( 即噪 声) 频率从低到高变化时，基准输出电压变化相对于电源电压变化小信号增益的导数， 反映了电源噪声对基准输出的影响。特别是在高频范围内，由于器件本身的制约，往往 使得电路的电源电压抑制比大大降低，基准性能变坏。 现在，许多学者从降低温度系数、降低电源电压调整率和提高电源电压抑制比这几 个主要方向入手，研究出许多改进的方法。温度系数主要表现为厂及基准电压值一温 度) 曲线的曲率。在带隙基准源中，厂t 曲线的曲率是有限的，即带隙电压的温度系数 在某一温度下为零，在其它温度下为正值或负值。这曲率主要是由于基极一发射极电压、 集电极电流和失调电压( 如果电路中含有运放) 随温度改变而引起的。另外，在普通的 c m o s 工艺下，由于采用标准c m o s 工艺的晶体管具有一些特殊性质，或c m o s 运放 具有高失调和高温漂，以及带隙电路含有固有曲率等问题，都使得传统的带隙基准电路 的温度性能变差。针对这一问题，目前有许多曲率校正的方法可以抑制f 的变化：如 二阶温度补偿，指数温度补偿，线性化方法，以及利用不同材料电阻的相异温度特 性进行曲率校正的方法等【1 3 1 【1 4 1 。针对降低电源电压调整率和提高电源抑t b g t l 5 】【1 6 i t l 7 1 的 问题，可归结为降低电源对基准影响的大问题，常见的措施有：在电路结构中使用可以 降低电源电压对基准影响的共源共栅电路，采用高性能的运算放大器结构，引入多种反 馈坏路等【l 8 】【l9 。此外，还有为降低噪声的影响而采取的优化电路结构、斩波技术等。为 5 西安科技大学硕士学位论文 降低启动时间而采用的快速启动电路结构等。这些方法的应用均为带隙基准电路今天的 高性能、高稳定性做出了极大的贡献。 带隙基准电压源由于在电源电压、功耗、稳定性等方面的优点，得到了广泛的应用。 在带隙基准电压源电路的发展历程中，传统的双极型工艺具有高速、电流驱动能力强和 模拟精度高的优点，使得这种工艺的电路最为成熟，在精度和稳定性方面具有很好的性 能，因此在双极型集成电路中带隙基准电压源的技术被广泛应用。随着集成电路工艺的 迅速发展，又出现了c m o s 工艺，它具有低功耗、高噪声容限、高集成度、高抗干扰 能力的优点，但c m o s 器件的基本参数和工艺参数都对温度有着强烈的依赖关系，这 给电路设计带来了一定的困难。2 0 世纪8 0 年代初，出现了由c m o s 工艺和双极型工艺 混合的b i c m o s 工艺。该工艺融合了这两种工艺的优点，带隙基准电压源技术也获得了 飞速发展。尽管这种工艺存在着工艺复杂和成本偏高的缺点，但由此换来的高性能确是 前两种工艺无法替代的，这使其在模拟电路设计上具有很大的潜力。因此，本课题全部 采用b i c m o s 工艺技术进行设计，本文采用该工艺和带隙基准技术来设计高性能的基准 源。 可程控基准电压源在传统基准电压源电路的设计基础上，成为研究和设计的新发展 方向，在满足基准电压源电路基本要求之外还要具有通过外部数字信号来精确设定或调 节基准电压。这就要求可编程基准电压源不仅要满足传统基准电压源的所有设计要求和 性能指标，还能将数字信号按照一定的标准转换为对应的模拟信号。可程控基准电压源 主要发展趋势是低输出误差、高转换速率、低功耗、低电压。可程控基准电压源的主要 功能单元电路一运算放大器、内部基准电压源、电阻网络、模拟电子开关和逻辑控制电 路等。要实现低输出误差、高转换速率、低功耗、低电压的可程控基准电压源，就需要 对电路中的每一部分模块根据设计指标进行优化设计。 1 3 本论文的主要工作与章节安排 本课题的主要工作是在传统基准电压源的基础上设计可程控参考电压源电路，使它 可通过单片机或微处理器发出的数字信号来精确设定或调节基准电压。本文为一颗双相 可编程控制d c d c 电源管理芯片设计了可程控参考电压源电路，芯片要求根据v r m 9 0 标准通过v i d 编码确定c u p 所需要的输出电压，要求参考电压源的步进量为2 5 m v ， 电压调节范围为1 1 0 v 1 8 5 v 。论文的主要工作如下： ( 1 ) 分析了开关电源的调制方式和控制模式，根据电流模式p w m 控制方式设计了 一款可程控电源管理芯片，该芯片的主要组成部分有可程控参考电压源、误差放大器、 锯齿波振荡器、高速比较器、均流电路、电流检测电路、逻辑驱动电路以及其它一些保 护电路等。 ( 2 ) 对可程控参考电压源电路各功能模块电路进行了深入分析，根据给定的技术指 6 1 绪论 标要求设计，其中包括内部带隙基准电压源、基准电流源、折叠运算放大器以及开关电 阻网络的设计。 ( 3 ) 基准电流源电路中设计了与电源电压无关的偏置电路，实现了输出为1 0 9 a 的 基准电流源，为整个芯片提供稳定的偏置电流；采用一级温度补偿和电阻二次分压技术 的简单结构设计了高性能的带隙基准电压源电路，实现了输出电压具有低温度系数、高 电源抑制比、范围可调的性能；设计由外部输入数字信号而转换为芯片内部的参考信号 的开关电阻分压电路，不仅提供了与转换表相对应的参考电压，还提供了整个芯片其他 电路所需的基准电压；采用折叠式共源共栅结构设计了增益为1 2 0 d b ，相位裕度为7 5 0 ， 单位增益带宽达到5 m h z 的两级运算放大器。对整体电路进行仿真使得输出电压从 1 1 0 v 1 8 5 v 变化，步长为2 5 m v ，输出电压误差为土1 ，作为芯片可程控参考电压源。 ( 4 ) 对双极性器件、运放的差分对、电阻微调电路的版图设计进行了详细的介绍， 根据设计规则设计了可程控参考电压源电路的版图。通过应用c a d e n c e 软件中的验证工 具d i v a 和d r a c u l a 分别进行了d r c 和l v s 检查，验证了设计版图的j 下确性。 论文的内容安排如下： 第l 章介绍电源管理芯片的发展以及可程控参考电压源电路的研究意义。 第2 章介绍了这款可编程控制d c d c 电源管理芯片整体结构及电路模块功能。 第3 章设计了芯片中的可程控参考电压源电路，重点是对其中基准电压源与基准 电流源和运算放大器的设计，完成了通过v i d 编码确定c u p 所需要输出电 压的功能。不仅完成了主要模块的仿真，还给出了整体电路的仿真结果， 对仿真结果进行分析。 第4 章基于0 8 9 mb i c m o s 工艺，完成了可程控参考电压源电路的整体版图设计， 并通过了d r c 、l v s 验证。 第5 章结论与展望部分，主要是对论文工作的总结以及后续工作的展望。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 可程控d c d c 变换器控制器的组成和工作原理 2 1 引言 可程控d c d c 变换器是由一个d c - d c 开关变换器和可程控的基准电压源构成， 如图2 1 所示。可程控d c - d c 变换器的基本思路是通过输入数字信号设定其基准电压， 基准电压与反馈电压经误差放大器比较放大，放大后的电压信号和锯齿波比较，产生相 应的p w m 波，从而控制m o s 管的开关状态，产生所需要的电压值。可程控d c d c 变换器利用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空 比从而调整输出电压的一类电路。开关电源的基本构成，其中d c d c 变换器用以进行 功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电 路。输出采样电路( r 1 、r 2 ) 检测输出电压变化，并与基准电压蚱比较，其误差电压通过 误差放大器放大，并用放大后的电压控制脉宽调制电路，产生占空比变化的周期信号， 这个周期信号经过驱动电路控制半导体开关的通断时间比，从而调整输出电压的大小。 图2 1 开关变换器的基本构成 随着c p u 技术的飞速发展，其工作频率不断提高，系统集成度越来越大，而工作 电压却在不断降低。为确保系统高效可靠的运行，如何解决复杂的供电问题成为巨大的 挑战。c p u 的电源要求低压大电流的输出能力，高精度的调整精度以及高速的瞬态响应 能力，随着所需输出电流的增大，功率元器件有限的承受能力，电源控制器的功率耗散 和散热成为让电源设计者首先关心的问题。最直接的解决方法就是采用多通道输出将功 耗分散开来，但通道数的增加意味着控制环路的设计复杂性也相应增加，所以最先想到 的是采用两相的降压型控制器。它一方面能有效的分散功耗，最大限度的减小输入纹波 电流，另一方面相对于更多相控制电路的设计又简单。两相降压型控制器采用两相交错 同步整流b u c k 变换器。利用功率m o s 管导通时正向压降小的特点，将功率m o s 管反 接，作为低电压输出开关变换器的功率整流二极管使用，从而减小整流管的通态功耗， 8 2 可程控电源管理芯片工作原理 这种技术称为同步整流技术。图2 2 为两相交错同步整流b u c k 变换器的结构示意图。 图2 3 为流过电感电流与输出电流。两个相同的b u c k 变换器并联，并且其导通的相位 差为1 8 0 0 。这样，每个模块只需承受1 2 的总输出电流，应用波形交错技术，保证电路 输出纹波小，改善输出瞬态响应，并可以减小输出滤波电感核和电容。 图2 2 两相交错同步整流b u c k 变换器 图2 3 输出电感电流以及输出电流波形 2 2 开关电源调制方式 开关电源管理芯片的控制方式按照调制波形分，分为三种基本形式【2 0 】【2 l 】： ( 1 ) 脉冲宽度调制方式：简称脉宽调带l j ( p l u e sw i d t hm o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 式。 其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期也是固定的，这 就为设计滤波电路提供了方便。 脉冲宽度调f l 引j ( p w m ) 控制技术，其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节 占空比。因开关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供方便。目前，集成开关电源 大多采用p w m 方式。d c d c 变换电路是通过控制开关器件的导通和关断时间，将一 9 西安科技大学硕士学位论文 个输入的不稳定直流电压转换成另一个输出稳定的直流电压。p w m 工作方式的简化原 理图如图2 4 所示，可以看出控制信号是由反馈的实际电压和期望值通过差分放大得到， 然后和锯齿波信号比较，n 仃o i 为输出电压与基准电压经误差放大器比较产生的电压幅 值，当n 们l 高于锯齿波幅值时，开关器件导通，当。仃。i 低于锯齿波幅值时，开关器 件关断，由此得到开关器件实际工作的驱动信号。如果定义开关器件开通时间占整个周 期的比值为d ，则 1 ， d = 鱼= 尘l = 二鲤理盟( 2 1 ) c t o + t o g v s t 公式中，o n 为器件导通时间，如f r 为器件关断时间，瓦为周期，为锯齿波幅值。一般 锯齿波信号工作频率为几十到几百k h z ，甚至某些双极型电路工作频率可以达到1 m h z ， 但n 仃0 i 变化频率很低。电路工作波形图如图2 5 所示。 辋l 主蛩 嶂幢 ：7 陶剧 图2 4p w m 控制方式工作原理 八瞻肝 v 一 l 、( v t t v t 埔t r o i v m _ 1 0 0 d b 电源抑制比： 8 0 d b 3 1 2 组成和原理 可程控参考电压源的输入是一个码字( d i g i t a lw o r d ) ，它由c p u 数字信号处理系统产 生的并行二进制信号组成，利用基准电压将这些并行二进制信号转换成等价的模拟信 号，模拟输出信号经过滤波和放大后被应用于模拟信号处理系统中。 图3 1 为可程控参考电压源的功能框图。输出电压m 可以表示为 v o m = k 圪f d ( 3 1 ) 式中k 为比例因子，是基准电压，d 是位数已知的数字代码，它可以表示为 d = b , 2 1 + 6 2 2 之+ + 6 n 2 一 ( 3 2 ) 1 6 3 可程控参考电压源电路设计 式中是位的总数，b l ，b 2 ，氐是各位的系数，其中b i 等于1 或o ( 即b i 是一个二进 制数) 。同时定义6 l 为最高有效位( m s b ) ，6 n 为最低有效位( l s b ) 。因此，的可程控参考 电压源的输出可以表示为 = k ( h i 2 - 1 + 2 2 _ 2 + 6 3 2 - 3 + + 6 n 2 一) ( 3 3 ) 论文所设计的可程控参考电压源电路的工作原理是将一个电阻链连接在基准电压 和低之间，选择电阻链的抽头来获得模拟电压。一个位电路的电阻链是由2 n 个阻值 相同的电阻串联连接而成，输出电压的选择是由二进制开关完成。图3 2 是根据上述原 理工作的3 位数字信号输入的示意图。它的电阻链由8 个相同的电阻构成，接于基准电 压v r e f 和地之间，每个电阻两端的电压等于输出电压变化的最低位。输出电压由开关矩 阵产生，然后通过一个缓冲放大器输出。开关矩阵将输入逻辑信号译码成模拟电压的工 作原理如下：在图中标有字母a 、b 、c 的模拟开关，由对应输入位b l 、b 2 、b 3 的逻辑 信号驱动，其中b l 对应最高有效位，b 3 对应最低有效位。标有x 、百、石的模拟开关， 由输入逻辑信号的互补电平所驱动。假设对应的逻辑电平为1 时开关闭合，则输入代码 0 0 0 对应的输出将是开关a 、b 、c 都打开，天、百、琶都闭合的情况，其结果是输出电 压为0 v 。 b ob lb 2b 。 图3 1 可程控参考电压源电路结构 圪m 3 占 |i|k 3 入 厂1 图3 2 可程控参考电压源电路的示意图 1 7 西安科技大学硕士学位论文 根据上面的原理本论文所设计的可程控参考电压源电路包括内部基准电压源、基准 电流源、运算放大器、分压电阻网络、二进制开关。论文对每一部分电路都经行了设计， 其中可程控参考电压源的输出电压的精度主要由内部基准电压源控制，产生温度系数 小、电源抑制比高的基准电压值；偏置电路为可程控参考电压源电路提供受电源电压、 温度影响小的偏置电流；二进制开关采用m o s 管作为开关，电阻分压网络和二进制开 关根据基准电压产生一个与码字对应的电压；输出放大器为电压跟随器的形式，这种电 路的输出电压与输入电压不仅幅值相等，而且相位也相等二者之间是一种“跟随 关系， 使输出相对稳定提高输出电压的精确度。 3 2 基准电流源的设计 3 2 1 概述 电流源作为模拟集成电路的关键电路单元，广泛应用于运算放大器、，d 转换器、 d a 转换器中。偏置电流源的设计是基于一个已经存在的标准电流参考源的复制，然后 输出给系统的其他模块。因此，电流源的精度直接影响到整个系统的精度和稳定性，是 模拟集成电路中应用最广泛的单元电路之一【2 4 】。对电流源的基本要求是有足够大的动态 电阻，对温度的敏感度极低，能抵抗电源电压或其它外因的变化。归结为一点，就是电 流源电路应具有不受外界因素影响的恒流特性。 ( 1 ) 简单基本电流源 作为一种广泛使用的电流源电路，其基本形式为镜像电流源电路，如图3 3 所示。 v m i i n i m 图3 3 简单的基准电流源 忽略沟道长度调制效应，由饱和区电流一电压关系可得 l = 圭心( 孙吲2 4 ) k = j 1 “c o x ( 警) ：( 一k ) 2 ( 3 5 ) 公式中n 为电子迁移率，c o x 为单位面积栅氧化层电容，s 为栅源电压，k 为阈值电压， 1 8 w 为沟道宽度，l 为沟道长度。 通过式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) 得 ，：! 竺! 丛， ( 3 6 ) 。”( w l ) 1 4 该电路的一个关键特性是：它可以精确复制电流而不受工艺和温度的影响。厶m 与 厶n 的比值由器件尺寸的比例决定，该值可以控制在合理的精度范围内。 作为一种近似的电流源，我们将电阻接在d 和m l 的栅极之间，由图3 3 可得 d l 墨一圪。= 0 ( 3 7 ) d 厶足一矿，一k = 0 ( 3 8 ) 其中v o v i = v o s i - - v t l = ( 2 1 i n n c o x ( w l ) l 】) 舵为过驱动电压，代入上式整理可得 d - - p t l2 “即2 历丽， 。9 由于跨导g m l - ( 和n c o x ( w l ) l 五n ) 1 陀上式可以表示为 一k 。= k ( 墨+ 三) ( 3 1 0 ) 将式( 3 10 ) 代入式( 3 6 ) 可得 。黯乇= 潞嚣 。1 1 ) 从式( 3 1 1 ) 可以看出，输出基准电流受电源电压的影响是比较明显的。 ( 2 ) w i d l a r 电流源 如图3 4 所示为w i d l a r 电流源，这种电路的特点是输入电流在很大范围内变化，输 出电流相对于它几乎是独立的。 在栅一源回路由k v l 得 1 图3 4 w i d l a r 电流源 。一一k 是= 0 1 9 ( 3 1 2 ) 西安科技大学硕士学位论文 假设两个管子工作在饱和状态则可得 l m r +一v o v l ：0 ( 3 1 3 ) 由此二次方程可以解出( 厶。t ) z 厂一赢+ 赢“马- 。3 “) 压；血亚型霉夏型竺 ( 3 - 描述输入或输出电流随电源电压变化的参数是敏感度s ，描述电路中变量y 对于参 数x 的敏感度定义可表示为 影：l i m 垒坐：一x _ 0 y ( 3 1 5 ) a x - 0 a x x v 缸 将式( 3 1 5 ) 应用于输入电流对于电源电压变化的敏感度，在图3 4 中当g d d v g s l 时 可得 跏：鳖且1 ( 3 1 6 ) ”o 血0 d 对于输出电流来说敏感度的推导如下，公式( 3 1 4 ) 两边对v d d 作微分得 ；监：上， 1 4 足监 3 1 7 ) 2 厄一是鬲毓n l ) “t v 以( ： ” 其中 一0 v o v t ：兰： 里：监堕 ( 3 1 8 ) a 以巳( 吲) ：2 佤a d 2 la 代入式( 3 1 5 ) 中整理可得 s 坦：1 当坠一s 曼 ( 3 1 9 ) 。2 + 4 1 0 u l r 2 v o v l 。 由于r 2 的取值一般在数千欧，。通常比矗小，使得v o v 2 很小且厶嘏2 v l ，上式可简 化为 s i o u 。t v 4 0 磊v i s 怎姐5 跪 3 御 如果v d d s l ，则i i , , = v d d r 1 且输入电路对于电源电压的敏感度是一定的。这样， 电源电压每变化1 0 会导致。变化5 。在电路中电源电压发生变化时，输入五n 电流 发生变化，但在一定的范围内o u 。的变化远小于矗的变化。通过对电阻r 2 的不同取值可 以看到厶。随五。的变化曲线，如图3 5 所示。 3 可程控参考电压源电路设计 缸 善6 ” 芎 ”如 2 w 0 l ， 。 ? l 谚， 0 2 0 m4 0 m6 0 m 8 0 m1 0 0 m i i n x o 的甜- 姬s ) 图3 5 随毛变化曲线 w i d l a r 电流源与简单电流源相比较，当电源电压发生变化时，输出电流对电源电压 的敏感度减小，但输出电流依然受电源电压的影响。 3 2 2 与电源无关的电流源 为了得出一个对d 不敏感的解决方法，我们假设电路必须由自己偏置，即k f 必 须通过某种方式由厶u 。得到。这种电路的思想是如果最终与d 无关，那么k f 就可 以是厶。的一个复制了。这里就使用自偏置技术，自偏置会显著降低输出电流对电源电 压的灵敏度。与其使用在输入端接一个电阻的方式改善输入电流，不如让输入电流直接 与镜像电流源的输出电流直接相关。这个概念通过图3 6 ( a ) 所示的框图给予说明。 公共端 i 镜像电流源 0 mi n qj 如 i no m i 镜像电流源 公共端 亨 ( a ) 自偏置参考图 ( b ) 工作点的确定 图3 6 自偏置原理图 假设这种连接的反馈回路有稳定的工作点，则相对于电阻性的偏置，流入电路的电 流对电源电压的灵敏度要低的多。这种电路结构中两个最关键的变量是输入电流如和输 出电流厶m ，这两个变量之间的关系由w i d l a r 电流源和镜像电流源共同控制。从w i d l a r 电流源的角度来考虑，输入电流在很大范围内变化时，输出电流相对于它几乎是独立的。 2 l 西安科技大学硕士学位论文 从镜像电流源的角度来考虑，假设镜像电流源的增益为单位增益时，五n 和厶m 相等。工 作点必须同时满足两项约束条件，因此它必然位于两条特征曲线的交点位置处。在3 6 ( b ) 所示的曲线中有两个交点，或称电压工作点。点a 是所期望的工作点，而点b 则是不 期望的工作点，此点的o u 。嘲。= o 。为了确保电路工作在正常状态下，必须加入启动电路。 通过对w i d a r 电流源电路的分析，在其基础上设计出一个与电源电压无关的电流源 电路，如图3 7 ( a ) 所示。m 3 和m 4 复制了厶m ，从而确定了五n ，因为每个二极管方式连接 的器件都是由一个电流源驱动的，所以相对来说，五n 和厶。与d 无关。从本质上讲， 五。被“自举 到厶m ，选择一定的m o s 管尺寸，忽略沟道长度调制效应，有i o u t = k i n ，k 为输入电流与输出电流的比例关系。 在电路中加入电阻r s 确定相对应的输出电流，如图3 7 ( b ) 所示，图中p m o s 器件具 有相同的尺寸，虽然要求i o u t - i i n ，但是电阻r s 减小了m 2 的电流，可以得到 1 = v o s 2 + o u t r ( 3 2 1 ) 即 赢+ 圪5 旒+ + l u t r ( 3 2 2 忽略