（微电子学与固体电子学专业论文）双极电流型脉宽调制器的研究与设计.pdf

摘要 近年来，随着科学技术的发展以及计算机、通讯、汽车电子等行业对开关电 源需求的增长，开关电源控制器芯片的研究已成为国内功率电子学领域中的一大 热点。因此，选择以开关电源控制器芯片作为课题，不仅具有理论意义，同时也 有很大的经济效益和社会效益。 本文主要完成了一种基于双极工艺实现的电流型p 1 】l m 控制器芯片的设计。首先 分析了电流型p w m 控制芯片的工作原理，根据功能需要设计了整体电路框图。接 着分块设计了芯片内部各个功能模块，包括高增益、宽带宽的误差放大器、具有 欠压锁定功能的内部基准电压源、外接定时电容与定时电阻的振荡器、p w m 比较器、 大电流的“图腾柱”式输出级和欠压保护电路等，给出了各模块的晶体管级电路 图，并且各功能块都经过了p s p i c e 仿真，仿真的结果与设计指标一致，最后，介 绍了实现电路的工艺流程和版图层次，并且按照设计规则完成了部分模块版图的 设计。 关键词：开关电源p w m 控制电流型模式双极工艺 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p i n go ft e c h n o l o g ya sw e l la si n c r e a s i n go f r e q u i r e m e n tt os w i t c h i n gp o w e rs u p p l yf o rc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o na n da u t o m o b i l e i n d u s t r y ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya s i ca r e b e c o m i n gah o t s p o ti nt h ef i e l do fp o w e re l e c t r o n i c s t h e r e f o r e ，t h ec h o i c et ou s et h e c o n t r o l l e ri co ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya sat o p i c n o to n l yh a st h e o r i e sm e a n i n g , b u ta l s oh a v ei nt h em e a n t i m ev e r yb i go fe c o n o m yp e r f o r m a n c ea n ds o c i e t y p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ed e s i g nt oc u r r e n tm o d ep w mc o n t r o l l e ri c ，i ti sa c h i e v e d b yb i p o l a rp r o c e s s i nh i sp a p e rc u r r e n tm o d ep w mc o n t r o l i co fo p e r a t i o n p r i n c i p i u ma n dc i r c u i tc o m p o s i t i o nw a sa n a l y z e df i r s t l y , t h e ne a c hf u n c t i o n a lb l o c k s w a sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e de r r o ra m p l i f i e r , ap r e c i s i o nr e f e r e n c e ，o s c i l l a t o r ，p w m c o m p a r a t o r , ah i g h c u r r e n tt o t e m p o l eo u t p u ta n du n d e r - v o l t a g el o c k o u te t c a n da l l0 f c i r c u i t si nt r a n s i s t o rl e v e lf o rf u n c t i o n a lb l o c k sa r eg i v e n t h es i m u l a t i o no fe a c h f u n c t i o n a lb l o c kh a sb e e nd o n eb yp s p i c e ，a n dt h er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t hd e s i g n g o a l s f i n a l l y , t h ep r o c e s sf l o w , l a y o u tl e v e l sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i la n dt h ew h o l e l a y o u th a sb e e na c c o m p l i s h e da c c o r d i n g t ot h ed e s i g nr u l e k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y b i p o l a r p r o c e s s 创新性声明 本人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中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盔查坠日期幽：! ! 翌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。 本人签名： 名家炙 日期! ! 三! ：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开关电源的发展概述 开关电源兴起于上世纪8 0 年代，至今仍然是电源电子技术领域的主要课题。 开关电源被誉为离效节能电源，其代表着稳压电源的发展方向，目前已成为稳压 电源的主流产品。近2 0 多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展“1 。第 一个方向是对开关电源的核心单元一控制电路实现集成化。1 9 7 7 年国外首先研制 出脉宽调制( 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 n g 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 等。上世纪9 0 年代以来，国外又研制出开关频率达i m h z 的高速p 咖，p f m ( 脉冲频率调制) 芯片，典型产品如u c l 8 2 5 ，u c l 8 6 4 。另外一个方向 则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。也就是将脉宽调制器、功率输出级、 保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压嚣与电网隔离，适于制作低 压输出( 5 卜4 0 v ) 、中小功率( 4 0 0 w 以下) 、大电流( 1 5 a - i o a ) 、高效率( 可超过 9 0 ) 的开关电源”1 。 我国的开关电源研制工作开始于上世纪6 0 年代初期，到6 0 年代中期进入了 实用阶段，7 0 年代初期开始研制无工频降压型开关电源。1 9 7 4 年研制成功了工作 频率为l o k h z ，输出电压为5 v 的无工频降压型开关电源。近2 0 多年来，我国的许 多研究所、工厂及高等院校己研制出多种型号的工作频率在2 0 k h z 左右，输出功 率在1 0 0 0 w 以下的无工频降压型开关电源，并应用于电子计算机、通信、电视等 方面，取锝了较好的效果。工作频率为l o o k h z - 2 0 0 k h z 的高频开关电源于上世纪 8 0 年代初期已开始研制，9 0 年代初就已研制成功，并逐渐走向实用阶段和再进一 步提高工作频率。许多年来，虽然我国在开关电源方面作了巨大的努力，并取得 了可喜的成果，但是，目前我国的开关电源技术与一些先进的国家相比仍有较大 的差距啪。 1 2 开关电源专用集成电路 挡前开关电源的发展趋势仍然是工作频率高频化，高频化的主要目标是为了 进一步减轻开关电源的重量，缩小体积以及改善开关电源的某些性能，如可靠性， 瞬态响应等。 高频化的基础来自开关电源的两个方面的发展，一个是开关电源用的高频开 2双极电流型脉宽调制器的研究与设计 关功率晶体管，功率场效应管；另一个就是开关电源专用集成电路一开关集成稳 压器和控制器。开关集成稳压器、控制器的功能决定了开关电源整机使用元器件 的多少，电路设计的复杂程度，调试维修的难易程度。总之，开关集成稳压器、 控制器的功能直接影响着开关电源的可靠性及其性能“1 。 开关电源专用集成电路的发展状况与发展方向主要有以下几点： 1 电流控制型p 嘲集成电路成为主流 早期的开关电源专用集成电路多数为电压控制型p w m 集成电路，它的主要缺点 是瞬态响应不好。电流控制型p w m 集成电路的性能和功能均优于电压控制型p 硼 集成电路，国外新生产的开关集成稳压器和控制器中，电流控制型的品种和数量 最多，有完全取代电压控制型的趋势。 2 开关电源专用集成电路的薪家族一谐振型控制集成电路 在更高的频率( 大于5 0 0 k h z ) 下变换功率的更有效的办法是采用谐振式变换 器，使用零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 技术。现在集成电路制造厂家己经 生产出谐振型控制集成电路，开关电路的工作频率己达i m h z ，使开关电源缩小体 积的努力取得了重要进展。 3 单片集成电路向大功率发展 早期的开关电源专用集成电路输出驱动电流都很小，而现在的开关集成稳压器 l 4 9 7 0 的最大输出电流为1 0 a ，l 2 9 6 的最大输出电流为5 a ；p w m 控制器u c l 8 5 6 的输 出峰值电流达1 5 a 驱动功率越来越大，在使用时可不用外接功率开关管。 4 集成电路所需外部元件数目越来越少 最新的开关集成稳压器，控制器需要外部元件极少，使用起来十分方便。如以 其高效取代了普通三端线性电压稳压器的l m 2 5 7 4 系列开关降压式稳压器，只需要 4 个外部元器件。m a x l 7 4 3 d c d c 变换器能把+ 5 v 转换至士1 2 v 或士1 5 v ，而不需要 外部元件。脉宽调制控制器在使用时，需要的外部元件数目也减少7 很多。 5 工作频率己超过i m h z 开关电源需要越来越高的开关频率，针对这个问题，新型p w m 控制器己经研 制出来。它们的频率在目前是比较高的，可达l , 6 1 z 以上，既适用于电压型也适用 于电流型应用。如u c 3 8 2 5 ，采用该控制器制成的开关电源整机频率达i m h z ，功率 5 0 w ，证明了它的高频特性。 专用集成控制器件的市场相当巨大，其中最重要的是电源专用集成控制器件。 随着功率电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切， 而电子设备都离不开可靠的电源。目前的电源已经从线性电源逐步过渡到开关电 源。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二 者增长的速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上反而高于开关电源，这一 点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术也在不断的 第一章绪论 3 创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移，这为开关电源提供了广阔的发展 空间。上世纪9 0 年代以来，开关电源相继进入了通讯、计算机、汽车等诸多领域， 使得开关电源市场的发展非常迅速，其对专用集成控制器件的需求也越来越大。 这对于开关电源集成电路的研究与开发具有重要意义。 1 3 本文结构和主要内容 第一章是绪论，目的在于介绍研制开关电源控制芯片的意义。首先介绍了开 关电源的发展状况，然后介绍了开关电源专用集成电路芯片的发展状况及发展方 向； 第二章讨论了p 删型集成控制器芯片的结构，包括脉宽调制控制结构的分析， 然后分别介绍了电压型和电流型两种p 删控制器的控制结构，最后总结出两种控 制方式的优缺点，选定本文所采用的控制器的控制方式； 第三章是本文的重点，分节讨论了芯片内部各个功能块的设计，详细叙述了 误差放大器、p 哪比较器、振荡器、基准电压源、欠噩保护电路和输出级的设计过 程。并给出管级电路图和相应的模拟结果。最后是芯片的一个实际应用的实例； 第四章是芯片的版图设计，介绍了实现该电路的工艺流程、版图层次和设计 规则，完成了器件和部分模块的版图设计； 第五章是结论，对全文进行总结。 第二章p w m 型集成控制器芯片的结构分析 第二章p w m 型集成控制器芯片的结构分析 2 1 脉宽调制控制结构分析 随着微电子技术的发展，各种各样的单片集成开关稳压电源控制器不断出现， 因此开关稳压电源使用的元器件数量大幅度地减小，这不但使开关电源的可靠性 提高，而且还能简化开关稳压电源的设计计算，使开关稳压电源更便于生产和维 护，实现标准化和系列化。 开关稳压电源单片集成控制器多用于它激型开关稳压电源，各种功率变换电 路的控制电路按控制方式可分为调宽( p w m ) ，调频( p f m ) 和脉宽频率混合调制三 种控制方式，其中调宽控制方式使用最多，调频控制方式用于谐振型开关电源， 近几年来其使用亦日益增多，而混合调制型单片集成稳压控制器使用较少。本文 采用的是脉宽调制控制方式。 图2 1 开关电源中的p w g 控制结构框图 图2 1 是开关电源中脉宽调制控制结构部分，主要包括检测比较放大电路、 电压一脉冲宽度转换电路( 用v 霄表示) 、时钟振荡电路、基准电压源以及过压过 流保护电路等。脉宽调制是指工作频率恒定( 即工作周期不变) ，通过改变功率开 关的导通时间( ) 或截止时间( 瑚来改变占空比d ，d = 亿( t 表示一个脉冲周 期) 。这种控制方式的单片集成控制器简单、可靠、使用方便灵活，大大简化了变 换器的设计及调试，故得到迅速发展，因而使集成p w m 控制器的功能愈加完善， 通用性更强。 一般单片集成p w m 控制器的p w m 信号产生电路及其相应的波形如图2 2 所 示。对被控电压砺进行检测所得反馈电压u = k u o ( k 为反馈系数) 加至运放的 同相输入端，一个固定的参考电压加至运算放大器的反相输入端。放大后输出 直流误差电压沈加至比较器的反相输入端，由一固定频率振荡器产生锯齿波信号 u s a 加至比较器的同相输入端。比较器输出一方波信号，此方波信号的占空比随着 6 双极电流型脉宽调制器的研究与设计 误差电压沈变化，如图中虚线所示，这样就实现了脉宽调制。对于单管变换器， 比较器输出的p w m 信号就可作为控制功率开关管的通断信号。对于推挽或桥式功 率电路，则应将p w m 信号分为两组信号，也就是分相。分相电路由 矗 砷 ， y 一乙 j 。 一 l - lf 一 - l - a ) p 删信号产生电路b ) 相应波形 图2 2p i l l 信号电路结构图 触发器及两个“与”门组成，触发器的时钟信号对应于锯齿波的下降沿。a 和b 端输出两路p 哪信号。 2 2 电压型p w m 控制 电压型脉宽调制控制器是采用电压反馈环控制系统，它的反馈信号取自输出 电压，用反馈电压调整控制器的输出脉冲宽度，改变脉冲的占空比，实现开关电 源的稳压。这种控制器可用来控制隔离型的推挽电路，半桥电路，全桥电路和单 端正激、反激电路，也可以用来控制非隔离型的降压、升压、反相型电路“1 。但是 用于非隔离型电路需要的外部元件较多，与i ) c - d c 变换器相比较，在非隔离型开 关电源中还是使用d c d c 变换器更经济适用。 普通电压型p 删控制原理如图2 3 所示： 图2 3 电压型p w i v l 控制结构框图 第二章p w m 型集成控制器芯片的结构分析 7 输出电压y o u t 经分压后送入误差放大器的反相输入端，比较器的同向输入 端为精密温度补偿基准v r e f 电压，两者之差被放大后作为比较器的门限与控制器 内部的振荡器产生的锯齿波电压进行比较，用比较器的输出来驱动开关晶体管。 电压模式p 删控制器的误差电压越大，比较器的门限值就越高，开关保持导通的 时间也越大，电感的峰值电流也就越大，从而可以保证电感可以存储足够的能量 以维持负载电压的稳定”1 。 o 图2 4 图2 3 对应波形图 如果输出电压v o u t 为零。则误差放大器的输出为其最大值，此最大值与振荡 器输出锯齿波最大值相同。当在p 删比较器的输入存在这种条件时，则p 删比较 器的输出电压在变换器整个开关周期中保持在最大值。所以，当v o u t 为最小值时， 占空比是在其最大值。假若实际的输出电压超过v o u t 的调整范围，则误差放大器 的输出将为( 或接近) 零。在这种条件下，p w m 比较器的输出在整个开关周期期间 将保持在其最小值。输出电压和变换器占空因数之间的反比关系( 即输出电压太 低会产生最大占空因数，输出电压太高会产生最小占空因数) 为变换器的控制环 路提供稳定的反馈机构。 2 3 电流型p w m 控制 电流型脉宽调制控制器是采用电流反馈环控制系统的集成电路，它的反 馈信号取自输出电流，用反馈电流调整控制器的输出脉冲宽度改变脉冲的占空比， 实现开关电源的稳压。电流型控制器除包含全部电压型p 删控制器的功能外，还 必需能检测开关电流或电感电流。其原理图如图2 5 所示： 8 双极电流型脉宽调制器的研究与设计 图2 5电流型p w m 控制结构框图 电流型p w m 控制既有形成误差信号的外环，又有开关管瞬态电流形成的内环， 是一个双闭环系统。首先由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲，以驱动功率管导 通，使电源回路的电流增大，当电流在采样电阻r s 上的电压降幅值达到v e 时， 电流比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止。对应的波形图见 图2 6 。这样逐个检测和调节电流脉冲就可以达到控制电源输出的目的。被调制脉 冲的宽度，既与误差信号v e 成正比，又与开关管的瞬态电流到达峰值的时刻相关， 从而保证开关管的瞬态电流峰值跟随误差信号而变化。 时钟 lll ：了面工 黜八几。几一 图2 6 对应波形图 和电压模式控制的情况一样，误差放大器对精密温度补偿基准vr e f 和变换 器输出电压分量k v o u t ( k 为反馈系数) 之问的差值进行比较。误差放大器的输出 正比于基准电压和k v o u t 之间的差值。如果输出电压为零，则误差放大器的输出 是它的最大值。一旦输出电压超过vo u t 的调整范围，则误差放大器输出将为( 或 接近) 零。所以，当变换器输出正在调整时，误差放大器的输出处在最大和最小 值之间的某一平均值( v e ) ，此值实质上变成电流反馈信号的基准。”假若在p 枷 比较器的反向输入端上的电压大于其正向输入端上的电压，则p 删比较器的输出 电压是在其最小值，( 逻辑低态) 。假若电阻器r s 感测到开关或初级电流，则出 现在p 删比较器正向输入端的电压v s 为is rs 。v s 电压正比于开关电流。当v s 值达到v e 值时，p w m 比较器输出将转换到它的最大值( 逻辑高态) 并复位p w m 锁 存器，使p 踟锁存器的输出转换到逻辑低态。这种作用确定整个开关周期期问的 第二章p w m 型集成控制器芯片的结构分析 9 时间，在此期间p w m 锁存器的输出是逻辑高态并确定变换器的占空因数。 2 4 两种控制方式的比较 电压模式p 删控制只响应( 调节变换器的占空因数) 输出负载电压的变化。这 就意味着变换器为了响应负载电流或输入线电压的变化，它必须“等待”负载电 压( 负载调整) 的相应变化，这种等待延迟会影响变换器的稳压特性，通常“等 待”是一个或多个开关周期“”。 这是因为开关电源的电流均流经电感，将使滤波电容上的电压信号对电流信 号产9 0 度的延迟。因此仅用电压采样的方法稳压，响应速度慢，稳定性差，甚至 在大信号变动时产生振荡，从而损坏功率器件，以致在推挽和全桥等电路中引起 变压器偏磁化饱和而产生电流尖峰，最终导致线路工作失常。 从电压型p w m 控制原理图中我们可以得知，当开关晶体管截止时，如果在这 段截止时间内恰好输入电压有扰动，必须等到下一个周期开关晶体管再导通时， 输入电压变化才影响到输出电压，反馈电路才能反映出输人电压的扰动。因此控 制和调节作用延迟了。这就使系统很难得到满意的动态品质。 而电流型p w m 控制技术的出现解决了“等待”问题，同时消除了与电压模式 p w m 控制有关的相应负载调整补偿。从电流型p w m 控制原理图中我们可以看 出，当输入电压变化或由负载变化引起输出电压变化时，都将引起电感电流变化 率的改变，使功率开关的转换时刻变化，从而控制了功率开关的占空比。这对输 入电压的变化而言，实际上是起了前馈控制作用，即输入电压变化尚未导致输出 电压变化，就由内环产生调节作用。由于电流内环具有快速的响应，从分析整个 系统的瞬态响应可看出，对于电压反馈外环，电流内环相当于一个受控放大器， 外环的瞬态响应速度仅决定于滤波电容c 的负载性质，所以整个系统具有快速的 瞬态响应。电流内环是一个稳定的自激振荡系统，说明内环具有高度的稳定性。 对整个系统，除内环外，只有一个与滤波电容有关的比例积分环节和一个与负载 有关的一阶或二阶环节，使整个系统具有高度的稳定性。同时，由于系统内在的 快速响应及高度稳定性，所以反馈回路的增益比一般p 咖系统高得多，不至于造 成稳定性与回路增益之间的矛盾，从而使输出电压具有很高的静态精度。此外， 电流型p 删控制具有内在的对功率开关电流的控制和限流能力以及良好的并联运 行能力。 1 0双极电流型脉宽调制器的研究与设计 2 5 本章小结 通过对两种p m t i v l 控制方式的比较，我们可以看出，电流型p 1 | | f m 控制技术具有 一系列电压型p w m 控制技术所没有的特点和优点，比如，系统具有快速的瞬态响 应及高度的稳定性，具有很高的输出电压精度以及内在的对功率开关电流的控制 和限流能力等。因此，在本设计中将采用电流型p w m 控制技术作为控制方式。在 下一章中，从分析芯片整体功能开始，到具体的模块分析，- 然后设计出满足设计 要求的电路，最后再对各模块进行仿真分析。因此，下一章将是全文的重点章节。 第三章电流型p w m 控制芯片 1 1 第三章电流型p w m 控制芯片 3 1 电流型p w m 控制芯片的原理与基本特性 3 1 1 电流型脉宽调制器的总体设计 从上一章对电流型p w m 控制原理的分析中我们可以得知，要完成一个电流型 p w m 控制芯片的设计，除了必需的电压一脉冲宽度转换电路以外，还应包含一些 完成特定功能的模块，例如高稳定、高精度的有温度补偿的基准电压源，锯齿波 振荡器，共模范围较宽的误差放大器，p w m 比较器，共模范围较宽的电流比较器， 欠压锁定等模块。 对基本的电流模式p w m 控制原理图进行扩充和细化，就得到了本文所要研究 和设计的一种电流型p w m 控制芯片。内部主要由振荡器、误差放大器、电流检测 比较器和p w m 锁存器，过低压保护电路、输出电路，内部基准电压源等模块组成。 其原理框图如图3 1 所示： 图3 1电流型p w m 控制器芯片的框图 所设计的芯片包含了如下功能： ( 1 ) 自动反馈正向补偿； ( 2 ) 用于周期电流限制的p w m 锁存功能： ( 3 ) 具有欠压锁定的内部微调基准电压： ( 4 ) 大电流图腾柱输出； ( 5 ) 具有滞后的欠压锁定； ( 6 ) 低启动和工作电流： 慨 蝴o酿 意器 o 双极电流型脉宽调制器的研究与设计 ( 7 ) 对v c c 的欠压保护电路等。 电路设计中具体的参数指标有： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 整体电路的开启闽值电压为8 4 v ，关断阈值设为7 6 v ： 输出峰值电流为1 a m p ； 内部5 v 的基准电压源，同时具有5 0 m h 的带载能力； 误差放大器的增益为9 0 d b ，单位增益带宽为t m h z ； 外接r c 的振荡器，最高频率可到达5 0 0 k h z 。 3 1 2 芯片管脚功能说明 表3 1芯片管脚功能说明 管脚号 功能介绍 标号标识 1 c a m p 补偿接误差放大器的输出端，用于网路补偿 2 v v b 电压反馈接误差放大器的反向输入端 与电感电流成正比的电压被连到这个输出端，p w m 使 3c u r r e n ts e n f 把电流检测 用这个数据决定输出开关导通 4 r t c t时间电容和时间电阻，决定振荡频率和最大输出占空比 5o r o u n d地是电源的地 6 o u t p u t 输出接芯片输出端，直接驱动功率场效应管的栅极 7 v c c v c c 芯片的正电源 8v m r v r 基准电压输出端 3 1 3 芯片工作原理说明 该芯片的工作原理是：当芯片加电后，v c c 电压超过电路的启动电压时，电 路内部产生基准电压，为芯片内部电路提供电源电压。这时外围输出电压通过反 馈到输入到误差放大器的反相端，与内部参考基准电压进行比较，差值经误差放 大器放大、比较器限幅后，作为电流比较器的门限电压，与回路电流在采样电阻 上的电压，一起送到p w m 比较器，产生脉宽可调的脉冲；当时钟电平到来时， 触发器输出高电平，功率管开启，输出电压逐渐升高，取样回路中的电流线性增 加，当限流电阻上的电压超过门限电压v c 后，比较器输出高电平，r s 触发器低 电平输出，关闭功率管。开始加电时，反馈电压最小，所以输出脉冲最宽，随着 第三章电流型p w m 控制芯片 反馈电压的不断升高，脉冲宽度逐渐变窄，直到开关电源电路输出稳定。当由于 某种原因使得开关电源电路的输出电压高于平衡值时，反馈电压也升高，误差放 大器输出值变小，于是p w m 比较器的翻转时间缩短，最终输出的脉冲宽度变小， 充电时自j 变短，开关电源电路的电压降低，于是达到了稳定输出电压的目的；当 输出电压低于平衡值时，同样的道理，最终的输出脉冲宽度会变宽，使得开关电 源电路的电压升高。同时芯片内部具有完备的输入过压保护和欠压锁定功能。当 工作电压大于3 4 v 时，稳压管稳压，使内部电路在小于3 4 v 下可靠工作；欠压时， 依靠滞环比较器u v l 0 实现锁定。当工作电压小于开启电压阀值时，整个电路耗电 仅l m a 1 。 3 2 误差放大器的设计 3 2 1 工作原理及设计要求 本芯片中的误差放大器是一个典型的直流电压放大器，它是将基准电压和采 样反馈电压之间的差值线性放大，其输出经过限幅后送到p w m 比较器的输入端。 为使脉冲宽度的变化相对于外界反馈信号有很高的灵敏度，要求误差放大器具有 比较高的增益“”。 芯片对误差放大器具体的设计要求有： ( 1 ) 直流增益为9 0 d b - ( 2 ) 单位增益带宽为1 0 m h z ； ( 3 ) 输出电压摆幅在v o h s v ，v o l i 1 v ； ( 4 ) 最大输入偏置电流为一1 i i a ； ( 5 ) 相位裕度在6 0 度左右。 3 2 2 电路设计与分析7 典型的误差放大器简化等效电路如图3 2 所示，它由三部分组成：差分输入 级，中间放大级和输出级。 1 4双极电流型脉宽调制器的研究与设计 图3 2误差放大器等效简化电路 差分输入级采用p n p 管做差分输入对管，n p n 管做有源负载，中间放大级则 采用高增益的达林顿管做放大管，恒流源做负载，这样可以获得非常高的电压增 益。用射极跟随器傲放大器的输出级，起到隔离的作用，并且提高了输出负载能 力。 设计中的实际电路如图3 3 所示，误差放大器的同相输入端为q 1 3 的基极， 接2 5 v 基准电压，q 1 4 的基极接电压反馈信号，q 1 6 的基极通过电容c 连接到电 流比较器的反相输入端。q 1 1 至q 1 5 是一个多集电极的横向p n p 管，用做恒 流源，由于横向p n p 管的电流精确的正比于正对着发射结的集电结的边长，集 电结的边长则可通过版图设计精确的控制，所以多集电极p n p 管各集电极的电流 之间的相对误差很小，可以精确匹配。 图3 3误差放大器的电路结构 第三章电流型i w m 控制芯片 q 1 2 和q 9 ，q 1 0 组成恒流源差分放大器，q 4 和q 5 为恒流源负载。q 1 1 和q 1 3 分别为q 8 、0 9 及0 1 0 、q l l 提供静态时的基极电流，q 1 2 为输入对管q 9 q 1 0 设置工作电流，使输入对管工作在最佳状态。同时，为了使整个运算放大器 能够在一个较大的差模输入范围内实现线性放大，将q 8 和q 1 1 与地相接，这样输 入级增益就很小，其主要作用就是将外界输入的差模信号不失真的匹配给中间放 大级。同时，q 1 3 相当于恒流源，是q 1 4 的有源负载。 3 2 3 电路仿真与结果分析 1 交流小信号分析验证 验证条件为电源电压v c c 为1 5 v ，负载2 k o ，温度2 5 。增益一频率图如图 3 4 所示。从图中可以看出，误差放大器的增益为9 2 d b ，单位增益带宽大于1 m 。 满足设计要求。 、一 ? j 、 ； 、 ：； 漳 二言品埘= m “啦：证：靴 f r 扣矗= ， 图3 4误差放大器的交流小信号频率响应 3 3 基准电压源的设计 3 3 1 工作原理与设计要求 本设计中，芯片内部的基准电压源采用串联型集成稳压器结构。其结构框图 如图3 5 所示“”。串联型集成稳压器主要由基准电压、误差放大器和调整管三部分 组成，另外还有启动电路和保护电路。它的工作原理是：当或i o 变化时，误 差放大器的反相端接收从取样电阻r 1 和r 2 上取来的反馈信号，在和基准电压v r 比较并放大后，去控制调整元件的工作点使之作一定的变动，从而使输出电压v o 不变。所以整个稳压器是一个闭环的反馈系统。 1 6 双极电流型脉宽调制器的研究与设计 v l 褊出 图3 5稳压器电路框图 本设计中的基准电压源主要作用就是为r c 振荡器的定时电容器以及内部的 几个模块提供电流。基准电压有短路保护。其中，基准电压部分采用带隙基准电 压源结构，误差放大器采用达林顿管结构，调整管是一个具有较大发射极周长的 n p n 管。 设计中，要求在1 5 v 的电源电压下输出5 v 的参考电压，并且具有5 0 m a 的 带载能力。下面对各个功能模块的电路进行设计。 3 3 2 带隙基准电压源的设计 各类集成电路中常常需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的偏置电压和基 准电压。一般要求这些电压的直流输出比较稳定，不随电源电压和温度而变化， 交流输出电阻低。 在集成电路中，与电源电压无关的常用标准电压有三大类：由n p n 管 反向击穿b e 结构成的齐纳二极管击穿电压v z ，b e 结二极管的正向工作电压v b e 和热电压v t 它们的温度系数分别为一2 m v ，+ 2m w ，+ 0 ，0 8 6 m w 。将 这三种标准电压加以不同的组合就可以构成不同的电压源和电压基准。本设计中 的带隙基准电压源以两管带隙基准为基础进行设计“。 两管带隙基准电压源电路如图3 6 所示，其输出基准电压为 一+ 2 ( 式3 - - 1 ) 第三章电流型p w m 控制芯片 1 7 r 1 _ p 而 v r 2i ( 。+ l z ) 足哇+ 1 ) ：兄 ( 式3 2 ) l e 2m 毕一云等h 尝 试s 一。， 0 3 ，0 4 为p n p 恒流源，作q 1 ，0 2 管的集电极有源负载。假定 生。丘丘。p( 式3 4 ) l c 4l c 2l e t 则 k ：一 + 嗳等h 瓦j 1 拭s s ， 所以 - + 。+ 噜等k 万j 1 。k 。伸等 做s 川， 其零温度系数的条件为 * 。+ o + p ，卺等h 尧一匕。+ 伽一d 等 c 式s 1 ， 在这个电路中是通过控制晶体管的有效发射结面积比乞么：a e 3 蚀及电 阻比1 来获得接近零温度系数的基准电压。因为老t 乏，石a e 3 。乏( 式3 8 ) 而有效发射区周长比惫，每的控制相对是较容易的，控制精度高。 1 8 双极电流型脉宽调制器的研究与设计 本设计实际设计的带隙基准源如图3 7 所示，由电路图我们可知本设计带隙基 准源的主要结构：r 1 、r 2 、0 8 、q 1 7 、q 1 8 、q 1 0 、q 9 、r 5 、r 6 组成了两管式 带隙基准电压源。p n p 管q 9 、q 1 0 的基极电位为基准电位，横向p n p 管q 8 、q 1 7 、 q 1 8 为威尔逊恒流源，n p n 管q 1 9 、0 2 0 组成高增益的达林顿放大管。 图3 7带隙基准电压源 3 3 3 误差放大器和调整元件的设计 t - l r 洱t 本设计中误差放大器和基准源的部分器件是共用的，误差放大器的核心是一 个高增益的达林顿放大管，其设计和分析与3 2 节内容相近，故在此不做详细的分 析。下面主要进行调整元件的分析。 调整管对于稳压器具有非常重要的作用，因为输出电压的稳定是依靠调整管 调节其自身p 矗的变化来实现的，而且一系列重要参数都基本上由调整管的性能决 定。基本调整管稳压电路图3 8 如下： 图3 8基本调整管稳压电路图 第三章电流型p w m 控制芯片 其稳压原理如下： 当输出电压u o 升高时，调整管发射极电位升高，此时稳压管基极电位基 本不变，所以晶体管的l k 减小，导致l ( k ) 减小从而使u 。降低，因此可以保持【，。 不变。当输出电压降低时，变化与上述过程相反。可见，此晶体管的调节作用使u 。 稳定，所以称之为调整管“。 设计中，应当注意晶体管的大电流特性和发射区图形设计，功率晶体管的二 次击穿现象和镇流电阻的选取，以及功率晶体管的饱和压降p 缸和集电极串联电阻 3 3 4 整体电路设计与分析 根据实际电路的参数要求，我们设计了如图3 。9 所示的电路图。 图3 9 电压基准源电路图 从电路图中，我们可以看到整个电路图由以下部分组成： ( 1 ) 基准源和误差放大器 图3 9 中，r 1 ，r 2 ，q 2 3 ，q 2 1 ，q 2 2 ，q 4 ，q 6 ，r 3 ，r 4 ( q 6 ，0 4 ，q 2 3 同时也为 2 0 双极电流型脉宽调制器的研究勺设计 误差放大器共用) 组成了两管能隙的基准电压源。r l ，r 2 ，q 2 1 ，0 4 ，q 6 的基极电 位为基准电位。q 2 1 ，q 2 2 ，q 2 3 组成威尔逊电流源。关于屹，的推导在下面进行。 它的误差放大器由q 6 ，q 4 ，q 2 3 ，r 5 ，r 6 ，d 4 ，q 1 7 ，q 2 0 和q 1 2 ，组成，其中q 1 7 和q 2 0 组成高增益的达林顿放大管；q 1 2 形成恒流源，用做达林顿管的有源负载。 其工作原理是，当输出电压发生变化时，反馈电阻r 5 ，r 6 使q 4 ，q 6 的基极电流变 化，导致q 2 3 的基极电位改变，从而使q 2 0 的基极电位发生变化，最后控制调整 管的基极偏鬣电压，使输出电压保持稳定。 ( 2 ) 调整单元和过流保护电路 q 1 9 是调整管，工作时将有大量电流流过，因此在版图设计时应有较大的发射 极周长。q 5 和r s 组成保护电路，若流过q 5 的电流过大，则r s 上的压降会使q 5 导通，从而减小流过q 1 9 的电流，防止0 1 9 电流过载。 ( 3 ) 隔离启动电路 q 1 8 ，q 1 6 ，d 3 ，r 9 组成启动隔离电路，电路刚通电时，电路中的恒流源还未 开始工作，首先q 1 8 导通，q 1 8 的导通使q 1 2 的基极电位下降，q 1 2 管导通，进而 使整个恒流源电路开始工作，之后由于q 1 8 的基极电位被嵌位在1 4 v ，当恒流源 正常工作后，q 1 8 的发射极电位升高到大丁0 7 y ，从而使q 1 8 截止，这样就实现 了启动隔离的功能。 ( 4 ) 取样电阻 r 5 和r 6 为取样电阻，负责将输出基准电压p 0 的变化反馈到误差放大器。例 如：当乙升高时，由r 5 ，r 6 取样获得的电压反馈到q 4 ，q 6 的基极使其电位升高， 流过q 4 的电流增加，q 2 3 的基极电位下降，从而使0 2 0 的基极电位上升，q 1 9 的 基极电位下降，i ，名也随之下降。 ( 5 ) 偏置电路 。 偏置电路也是整个电路中很重要的一部分。为了使该电路能工作在电源电压 波动比较大的情况下，采用了上面的稳压电路，以保证电路内部各个部分的工作 不受电源波动的影响。q l ，q 2 ，q 3 ，以及q 1 4 的基极产生了四个偏置电位。它们将作 为各部分电路中恒流源工作的偏置电压。 下面进行 名的推导。 第三章电流型p w m 控制芯片 忽略基区电流 当t = 瓦时， 即 所以有 r 。恐 l e 一2 3 和警 v e , - 触曩一等a p 孟。t ( b + r ) 一+ 等) 警 - 等b 老 ( 式3 9 ) ( 式3 1 0 ) ( 式3 1 1 ) ( 式3 1 2 ) ( 式3 1 3 ) ( 式3 1 4 ) - 警”鲁仙老警 c 舻蛳 一v , o o + 争+ 。嗉，+ 警h 争 c 式。一t e ， o v _ k i ，一。0 o t i 。- t o ( 式3 - - 1 7 ) 警学+ 等等h 铷喝。 c 持姗 一垒+ 鳖+ 堕+ 2 r , k _ l n 丘。o t t oq r 3q j 6 ( 式3 - - 1 9 ) 一t r s + r 6 啦- 。一争嘲- 2 0 5 - 4 8 2 缈 c 式。刊 3 3 5 仿真与结果分析 本电路设计要求达到的指标如表3 2 所示； 双极电流型脉宽调制器的研究与设计 表3 2 仿真指标 表示方法典型值 参数测试条件最小值最大值 单位 基准电压源 4 9 55 5 0 5 v 线性调整率 1 2 2 5 v62 0 m v 温度稳定性 一5 5 1 2 5 m o 2 ( 一)电压调整率 在电源电压v c c 处加一线性直流信号，o s 时为1 2 v ，i s 时线性变换到2 5 v ， 波形如图3 ，1 0 所示； ! ；：i ! ! ! ；： + ：， 一 ；l ：j ： ； ；： 一曩参 ：，：i ；i ! ；l ； ；1 ! ，”一 ：，l ：；j ；l ；：；一7 霸； ii ；： ：；：f ：! ll ； ： ； i ：i ：l ，j 0t i ；： ! ； ；一：蟹一| ；：；： f ；i | l ；：；： ；：j ：一j 焉：爱工；- 一 l ：r r ，： ：i ： ；ij ri ；：r ；： 警誊豢蓑誊 ； ；善参； 舅。r 誊寰蔓 尊磊，慝 ! | 。= ， “l -。“ 乱缸。“。打 t “ 图3 。1 0v c c 线性变换曲线图 在负载r t = i o k ，环境温度t = 2 5 c 条件下对电路进行瞬态分析，得到的 曲线如图3 1 l 所示： 。一奠譬弹“ i ， 1 誓誓“曩：! i 。j ” i ：z ： ：， ， ：i ：， ! ，：j ，：f ，： 一of ：一： ：? ：! ；、l ：， 毒譬薷警垂：未“，? 4 7 + i 。 ：ri 二 ，j 。 o 一二；i + 。 。o ? 一i ，? _ | ， ； 二。二_ ：，。- i ：” ： 矿“ l ；，：c = z 9 i ：。+ i “：l ：，o ? 磐= ：= ： v 一一 i t ! 叠髯一簪赫t ： ， 一4 勿鬈“”i ：一 o ”：一 毛* o 。0 毒二o 。童。 ， i 糍 t t ! 哇；咒：j 滢； t 一一j ；t 、 ， “：j ： ”、4 t 芝” “9 “”“” ” ，0 一 图3 1 1基准电压源的瞬态响应曲线 第三章电流型p w m 控制芯片 在o s 时= 5 0 3 1 1 v ，i s 时p ：。= 5 0 4 5 8 v ，满足l ，r 艇，的变化指标。其线性 调制为p ，麟- 5 0 4 5 8 - - 5 0 3 1 1 = 1 4 6 8 6 m v ，处于6 2 0 m y 之间，满足指标。 且由电压调整率公