（微电子学与固体电子学专业论文）pwm开关电源的实用分析与设计技术.pdf

p w m 开关电源的实用分析与设计技术 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 中文摘要 电器设备的小型化、低功耗与高效率等发展趋向，对电源提出了类同的技术要求。 本文工作目标有二： 一是基于梳理已知电源芯片架构的优缺点，从测试一颗比较简单的线性电源芯片 入手，进而比较研究开关电源p w m 芯片的功率限制特性； 二是针对一款反激电流模p w mi c 型号为l d 7 5 7 5 ，设计5 0 w 以上的开关电源 系统，进行参数测试，并对系统设计及i c 提出了具体优化建议。 论文的主要内容有四： ( 1 ) 分析对比了已知电源芯片架构的优缺点。研究思路针对相对简单的l d o 电 源芯片，依据i c 测试原理，通过分析对比实测，达到对电源芯片结构与原理的初步 熟悉。 ( 2 ) 重点针对开关电源p w m 芯片的功率限制特性，通过建立评价函数打， 比较研究了3 款比较流行的p w m 芯片。 ( 3 ) 利用通嘉公司的l d 7 5 7 5 电源i c 构造了开关电源的系统，建立该系统的 p s i m ( 软件) 模型，比较研究了仿真结果和基于t e k t r o n i x 示波器的实测结果。 ( 4 ) 反复校核优化设计、仿真与实测的可比较结果，指出关于进一步优化系统 功能和i c 设计参考的建议。 研究结果的关键数据是全范围电压输入( 9 0 v - 2 6 4 v ) 且空载时，待机功耗不超 过0 2 6 w ；统计数据是全范围电压输入和不同负载时，其平均效率高于8 8 9 0 。 研究结论认为：本工作针对开关电源，分析过功率和优化设计系统，对前人在过 功率补偿及系统设计方面进行了研究总结，在此基础上提出了系统设计的新方法，与 已知商品电源系统的高性能指标有可比性，也对未来优化电源系统以及i c 设计提供 了建议。 关键词：开关电源，p w m ，功率限制，p s i m 仿真，测试，优化 作者：张杰 指导老师：李文石 p r a c t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g nt e c h n o l o g yo fp w ms w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a b s t r a c t p r a c t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g nt e c h n o l o g yo fp w m s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a b s t r a c t t h et r e n d so nm i n i a t u r i z a t i o n , l o wp o w e r ，a n dh i 曲e f f i c i e n c yh a v eg r a s p e dt h e l o w - v o l t a g ee l e c t r i c a ld e v i c e st o g e t h e rw i t ht h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h e r ea r et w oo b j e c t i v e so ft h i st h e s i s ：( 1 ) o n ei sb a s e do nt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e st oa n a l y z et h es t r u c t u r eo fp o w e rs u p p l yc o n t r o li c ，f r o mt e s t i n go n es i m p l e l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ( l d o ) t of o c u s i n go n ep w mi co nk e yp a r a m e t e ro fp o w e r - l i m i t i n g ； ( 2 ) a n o t h e ri st op r o p o s ea l le f f e c t i v ea n du s e f u ld e s i g nm e t h o do nf l y b a c ks w i t c h i n g p o w e rs u p p l yi nl d 7 5 7 5i c ，谢mp s i ms i m u l a t i o nv e r s u st e k t r o n i xo s c i l l o s c o p eb a s e d t e s t i n g ，a n d 谢t hs h o w i n gs o m eo p t i m i z a t i o na d v i c e so np o w e rs u p p l ys y s t e md e s i g n f o u rp a r t so fm yw o r k si n c l u d e ：( 1 ) t h ek n o w ns t r u c t u r e so ft h ep o w e ri cw e r e c o m p a r e da n da n a l y z e d a i m i n ga to n ek i n do fs i m p l el d op o w e ri c ，ip r i m a r i l y u n d e r s t o o dt h ea r c h i t e c t u r e sa n d p r i n c i p l e s o fp o w e ri c st h r o u g h a n a l y s i sa n d m e a s u r e m e n t s ；( 2 ) t h r e ek i n d so fm o s tp o p u l a r l ya p p l i e dp o w e rp w m i c sw e r ea n a l y z e d o ne m p h a s i so ft h ep o w e r - l i m i t i n gf e a t u r et h r o u g hb u i l d i n gi t sv a l u ef u n c t i o n ；( 3 ) t h e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys y s t e mp r o t o t y p ew a ss u c c e s s f u l l yc o n s t r u c t e d 、析t l lt h el d 7 5 7 5 i cf o rc o m p a r i n go u i d e s i g na c c u r a c yb e t w e e no u rp s i mm o d e la n dt e s t e dd a t a ；( 4 ) t h r o u g hr e - c h e c k i n ga n dc o m p a r i n gs i m u l a t e d t e s t e dr e s u l t si nd e t a i l ，s o m es h o r t c o m i n g s w e r ep o i n t e do u ta n ds o m eu s e f u l s u g g e s t i o n s w e r ep r e s e n t e df o rf u t u r ed e s i g n o p t i m i z a t i o no np o w e rs u p p l ys y s t e m t h et y p i c a lr e s e a r c hr e s u l ts h o w st h es t a n d b yp o w e ro ft h ed e s i g n e ds y s t e mi sl e s s t h a n0 2 6 wu n d e r9 0 v 2 6 4 v n ol o a da n dt h es t a t i s t i cd a t as u c ha st h ea v e r a g ee f f i c i e n c y i sm o r et h a n8 8 9 0 u n d e r9 0 v 2 6 4 v 、们t hd i f f e r e n tl o a d s t h ee x p e r i m e n t s c o n c l u s i o n sa r e ：b a s e do ns u m m i n g u pt h ep o w e r - l i m i t i n ga n d s y s t e md e s i g no ft h ep o w e rs u p p l yi nt h ep a s t ，t h i st h e s i sd i s c u s s e do n en o v e lp r a c t i c a l u p r a c t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g nt e c h n o l o g yo fp w m s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a b s t r a c t d e s i g nm e t h o do ff l y b a c ks w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , a n dt h ed e s i g n e ds y s t e mi nt h i sm e t h o d w a sc o m p 衲l et ot h er e p o r t e dh i g hp e r f o r m a n c eo n e i nt h ee n dm o r eu s e f u ls u g g e s t i o n s f o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw e r ea l s op r o v i d e df o rt h e f u t u r e 。 k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , p w m ，p o w e r - l i m i t i n g ，p s i ms i m u l a t i o n , t e s t i n g ， o p t i m i z a t i o n 1 1 1 w r i t t e n b yz h a n gj i e s u p e r v i s e db y l iw e n s h i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：卷奎 日期：呢! 墨 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。：除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：毯盎 日期：2 至：苎 p w m 开关电源的实用分析与设计技术第一章绪论 第一章绪论 本章的研究针对开关电源，重点介绍开关电源的概念，阐明开关电源的原理和结 构，指明论文的具体研究工作，声明了创新点，章末给出论文结构【1 1 7 1 。 1 。1 重要概念 开关电源( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ，s m p s ) 是以功率半导体器件为开关元件， 该元件占空比的微调由输出反馈环节周期性地控制，如此调整电源的输出电压趋于稳 定【1 1 。 开关电源的电路组成：脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 器主控 芯片，变压器，功率开关管，反馈环路【2 1 。 开关电源的分类原则与不同类型，具体列入表1 1 【3 】： 表1 1 开关电源的分类p i 原则类型 输入输出类型 输入输出是否隔离 开关管驱动方式 电路组成 占空比控制方式 d c d c 变换器，d c a c 变换器，a c d c 变换器，a c a c 交换器 非隔离型，隔离型( 后者又可分为正激、反激和推挽等) 自励式，它励式 谐振型，非谐振型 脉冲宽度调制式( p w m ) ，脉冲频率调制式( p 刚) ，混合式 脉冲宽度调制( p w m ) 的控制方式，首先保持主电路开关元件的恒定工作周期 ( t = t o + ，o 矿，再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间 ，最终控制输出电压( 或电流) 的稳定。2 0 0 6 年以来问世的p w m i c 产品很多， 例如通嘉科技( l e a d t r e n d ) 的l d 7 5 7 5 7 5 7 6 ，仙童( f a i r c h i l d ) 的s g 6 7 4 1 等。 p w m 控制的采样信号可来自：输出电压、输入电压或输出电感电压，输出电流 或开关器件峰值电流。通过构成单环、双环或多环反馈系统，从而实现稳压、稳流及 恒定功率的目的。主要有五种p w m 反馈的控制模式：电压型、峰值电流型、平均电 流型、滞环电流或相加模式控制型”j 。 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第一章绪论 p w m 电压模式应用于1 9 6 0 年代后期的开关电源发展初期1 列。该技术特点是：只 有一个电压反馈闭环，将误差放大器的直流输出信号与恒定频率的三角波上斜坡相比 较，根据脉宽调制原理得到当前的脉冲宽度。 p w m 电流控制技术于1 9 6 7 年由美国b o s e 公司提出1 6 】。该技术是目前用于开关 电源领域的比较新颖的控制技术。其本质是：在电压反馈的大闭环中引入电流反馈参 与系统的动态调节，形成双闭环的控制系统。该方式相较于电压模式的突出优点是： 在输入电压和负载电流变化时，系统具有更快的动态响应速度。但在占空比大于5 0 时，电流控制p w m 技术可能发生亚谐波振荡【7 】。 1 2 开关电源的原理 作为中小功率( 5 w 1 5 0 w ) 开关电源的主流电路拓扑，反激变换器具有电路简 单、输入输出电气隔离、体积小、成本低和可靠性高等优点，其缺点是输入电流脉动 大且开关管电压尖峰高，此限制了反激变换器的输出功犁剐。 图1 1 是反激式开关电源的基本原理图p j 。 输入电压经e m i 电路滤除e m i 干扰并对交流输入整流，得到稳定的直流输入电 压。该电路可以实现多路输出，其中主输出接负反馈闭环。采样输出电压v 口，经 分压得到反馈电压，与基准电压经误差放大器e a 输出调制电压圪，圪经 脉宽调制器控制m o s 管的导通时间，从而控制输出电压圪。 当m o s 管导通时，变压器初级电感储能，次级截止：当m o s 管截止时，变压 器初级电感经耦合将能量传递给次级电感，又经整流和滤波输出直流电压。 图1 - 1 反激开关电源的原理图1 9 】 2 p w m 开关电源的实用分析与设计技术第一章绪论 变压器次级电流若在m o s 管导通前降为零，定义为不连续导通模式 ( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，d c m ) ；而若在m o s 管导通前未降为零，则定义 为连续导通模式( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，c c m ) 1 0 1 。 1 3 开关电源的结构 开关电源的前身是线性电源，1 9 6 0 年代问世之后，开关电源便逐渐取代了线性 稳压电源和可控硅( s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ，s c r ) 相控电源【1 1 1 。 图1 2 是线性电源的结构框图，通常由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路 四部分组成。 图1 2 线性电源的结构框图【1 2 】 载 图1 3 是开关电源电路的结构框图，主要由整流滤波电路、d c d c 控制器( 内 含变压器) 、开关占空比控制器以及取样比较电路等模块组成。 交 图1 - 3 开关电源的结构框图1 1 3 】 与线性电源相比，开关电源的优点是【1 4 】： ( 1 ) 体积小，重量轻。开关电源中的变压器可做得较小( 缩小因子约0 2 加3 ) 。 ( 2 ) 功耗小，效率高。线性电源的效率一般为3 0 0 a r 4 0 ，开关电源的效率在 7 0 9 0 之间。 ( 3 ) 稳压范围宽。开关电源采用调宽或调频进行反馈调节，在电网波动很大时， 仍能保证输出电压的稳定。 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第一章绪论 ( 4 ) 滤波效率高。开关电源与线性电源相比，整流后的滤波效率约可提高1 0 0 0 倍。 ( 5 ) 可以实现多种d c d c 变换器( 升压或降压) ，且输入输出可电隔离；而基 于d c d c 变换器实现的线性电源，只能降压，且不可实现电隔离。 开关电源的缺点是【1 4 1 ： ( 1 ) 纹波较大。开关电源典型输出为5 v 时，纹波约5 0 m v ( 在输出端并接稳压 二极管可稍加改善) ；而线性电源的电压纹波约在5 m v 以下。 ( 2 ) 动态性能较差。 1 4 研究工作与创新点 通过研读大量文献，与指导老师合作，本文的研究工作有三( 其中后两项工作具 备创新特点) ： ( 1 ) 测试接口原理与流程【1 5 】 ( 2 ) p w m 芯片功率限制的三法分析【1 6 1 ( 3 ) 反激变换器主电路的快速设训1 7 l 本文内容的结构为： 第一章，绪论中重点介绍了开关电源的基本概念和结构原理，指明了论文的具体 研究工作和创新点。 第二章，分析了测试三框图的接口原理，从实测一款结构简单的l d o 电源的数 据分析着手，引领出对一款比较流行的p w m 电源芯片的特性阐述与理解。 第三章，比较研究了开关电源p w m 芯片的三种典型功率限制方法，为电源系统 的过功率设计提供技术参考。 第四章，重点提出了一种快速设计开关电源主电路的新方法。 第五章，基于p s i m 工具软件对设计后的电源电路进行仿真；基于t e k t r o n i x 示 波器实测电源电路，通过比较分析，提出进一步的优化建议。 第六章，基于梳理前述理论分析与对比实验的结果，总结与展望开关电源的实用 分析与设计技术。 4 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 本章要点是通过分析测试接口原理和l d o 线性电源芯片，引出对本文研究对象 - p w m 电源芯片特性的理解和研究。 测试系统接口的本质是保证信号的最优化传递。简单电源i c 芯片测试旨在身临 其境地再现i c 实测技巧与数据分析要点。p w m 电源芯片的特性理解是为后续研究 工作做技术铺垫【1 8 之4 1 。 2 1 测试原理接口摘要 阐释i c 测试接口原理和系统结构，对构建具体芯片测试电路很有裨益【协1 9 1 。 测试的三框图告诉我们：沿着信号流向，信息由输入向量提供模块，至被测芯片 或系统，再到比较与输出报告单元【2 0 - 2 h 。 一 基于总线的测试系统框图示于图2 1 。 图2 1 测试系统框图【2 2 1 系统的各个板卡通过总线进行数据连接和交换。其中，我们关心待测器件( d u t ， d e v i c eu n d e rt e s t ) 和测试接口板。 直流参数测试过程：i 向d u t 施加直流参数测试条件，通过精确量测单元( p m u ， p r e c i o u sm e 栅e m e mu n i t ) 实现d u t 直流参数的精测。 功能测试过程：计算机把预先生成的测试向量送到单片机系统，单片机控制通道 板，既把信号电平转换为测试所需的电平，又把转换后的向量波形施加到d u t 的输入 管脚，接着将检测到的d u t 输出，通过总线传到单片机进行判断处理。 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 接口电路旨在管理两个模块之间的控制流与数据流，一般针对电压、电流和时序 等参量，重要约束为阻抗匹配，其一般原则是从d u t 索取能量最少，对其扰动也最小。 基于上述原理性的阐释，需要不断改善测试电路系统性能( 例如提高测试时钟频 率等) ，以期最优化的测试结果。 2 2 线性芯片案例分析 本节首先从结构简单的线性电源入手进行研究，通过实测调试，阐明电源芯片的 测试流程，为进一步研究开关电源芯片做准备。 选取一颗型号为a p l 4 31 l 1 2 3 】的线性调整器讨论直流参数测试过程。这颗线性稳压 芯片具有三个管脚，分别为阳极( 简称为a ) 、阴极( c ) 和稳压输出端( r ) ，其 稳压输出电压的典型值为1 2 5 0 v 。其内部电路及等效图示于图2 2 。 c a t h o d e 胁d e * c e 图2 2 低压差线性稳压器内部电路及等效图嘲 这款芯片的测试项目主要有：开路短路测试、输出( 参考) 电压，、输出电压 纹波抑制吲、输出电鳓关断电溉。田和输出阻抗。 针对测试中的以下两个问题： 测试机系统中接口之间的阻抗匹配问题； 对直接测量不方便或将出现较大偏差情形下的间接测量问题，重点讨论测试 项目用锄 其中，伪a p l 4 3 1 l 芯片稳压输出端r 的对地输出电压，单位为v ；如沩r 端的 上拉电阻中的电流值，单位为衅。 ( 1 ) 哳的量测 图2 3 是测试，的原理电路。测试方法是施加精测单元p m u 2 于c 端，使c 6 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 和a 极之间得电，在r 端用探头p m u l 量测。 p m u 2 p m u l p m u 2 p m u l 图2 3 和测试电路图图2 - 4 的测试电路图 实测中发现的问题是：由测试机的精测探头所量测之值与外接f l u k e 电表( 4 位 半显示) 量测值会有2 m v 3 m v 差异。 为了更准确地测量更大程度地消除干扰，我们做了三方面的改进工作。 s t e p l ：为了消除负载的影响，可在量测，端加一个电压缓冲器( 运算放大器 跟随) ，然后再量测。 s t e p 2 ：由于探头点测时长导线的影响，测量值会比实际大3 m v , - - 4 m v 。曾尝试 用同轴电缆( 参见图2 5 ) 代替长导线，这样约减少l m v - 2 m v 的误差。 图2 - 5 同轴电缆接线图 p m u s t e p 3 ：为进一步消除同轴线上的干扰，间接测量法可借助经典的三运算放大单 元( 详见图2 6 中虚框) 来实现，差动放大r 端和外接参考电压源，f l 了p m u 输出值推 算出啪数值，实验证明此法的准确性令人满意( 具体压流的数据分析参见表2 - 1 ) 。 图2 - 6 尹膏测试改进电路 7 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 ( 2 ) 屯r 的量测 测试电路如图2 - 4 所示。k ，的测试方法：在采样电阻两端，由p m u 2 和p m u l 分别 量测两端的电压，利用欧姆定律，压差除以电阻r 1 ，可i b - j 接得出k ，值。 因为参数韵规格范围是o 0 2 l a o 4 8 l a ，故此项测量属于小电流测试问题。由 于测试机精准度的限制，较难直接测量小电流，通常我们将它转化为大电压来间接量 测。 测试过程中注意如下两个问题。 第一，小电流测试时，在测控软件里要预置较长的延时时间( 例如1 0 m s 量级) ， 以待电流稳定后再量测，这是因为电路中存在小电容效应，电流不会立刻变成稳态， 而且启始电流还可能会出现负值( 虚值，不计) 。 第二，小电流的测量值可能存在波动。解决方法仍是运用三运放差动结构：在这 个电阻两端分别加入一个电压跟随器，再利用一只运算放大器来转化成大电压。此间 注意转化成的电压一定小于运放的饱和输出电压，否则，输出电压会被钳位( 即是造 成输出堵塞) ，重点在于选择r 1 阻值。其改进电路如图2 7 所示。 图2 7 的测试改进电路 以上概述了a p l 4 31 l 电源芯片两个指标的测试调试过程，本人针对本款芯片的9 个指标的1 0 组测试数据详列于表2 1 中。 测试数据简析： m a x 和m i n 是测量值的摆动极限。 由于须根据肭测试值对i c 进行分级( g r a d e ，g ) ，故在测试流程的最后步骤， 应重测且测试规范比前面的规范要严格，在测试规范之内的定义为a 级；而超出 规范的则为b 级。四次重复测试的v , , e组测试值都落在和m i n 区间，并且在平 均值的上下波动 。 t 韵1 0 max3mv 8 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 如肭测试值也都落在m a ) ( 和m i n 区间内且没有超过o 1 衅。 表2 1a p i a 31 l 的l o 组测试数据 i r e m li t e m 2i t e m 3i t e m 4i t e m 5i t e m 6i t e m 7i t e r n 8i t e m 9 n a l t l e ：b i n # o ，s lo s 2 v r e f tv r e f 2v r e f 3 z k a l r e f1 k ( o f f )v r e f u n i tn vv v ( g ) vv o h m 衅衅 v m a x1 6- o 3 40 3 4n1 2 5 11 2 5 l0 2 90 4 8o 4 81 2 4 5 m i n1o 7- o 7n1 2 2 91 2 2 90 0 30 0 2n1 2 3 5 15 0 5 2 9 6- 0 5 6 7 l 1 2 4 1 31 2 3 8 41 2 4 9 40 1 0 7 5o 1 3 9 00 0 2 2 61 2 4 1 4 25o 5 3 0 40 5 6 8 21 2 3 8 11 2 3 5 91 2 4 7 4o 1 2 2 20 1 4 7 9 0 0 6 6 4 1 2 3 8 1 35- o 5 3 1 l- 0 5 6 8 71 2 4 2 l1 2 3 9 0 i 2 5 0 9o 1 1 9 5o 1 6 6 90 0 7 1 71 2 4 2 l 450 5 3 1 90 5 6 9 01 2 3 8 41 2 3 5 01 2 4 7 3o 1 1 6 8o 1 2 7 3o 0 9 1 01 2 3 8 4 550 5 3 0 90 5 6 8 51 2 3 9 61 2 3 7 61 2 4 8 0o 1 3 6 8o 1 3 9 20 0 9 6 91 2 3 9 7 65- 0 5 2 9 10 5 6 6 61 2 3 8 01 2 3 5 61 2 4 7 40 1 4 2 10 1 4 6 20 0 7 4 71 2 3 8 8 750 。5 3 1 10 。5 6 8 9l 。2 3 8 21 。2 3 5 01 2 5 0 8o 1 7 1 3o 1 5 9 90 0 8 4 01 2 3 8 2 850 5 3 0 90 5 6 8 91 2 3 8 81 2 3 5 01 2 4 7 70 1 2 3 50 1 7 1 4o 0 5 8 41 2 3 8 7 95 o 5 2 8 3 0 5 6 6 21 2 4 0 6i 2 3 8 21 2 4 9 4o 1 1 6 8o 1 5 0 60 0 7 9 71 2 4 0 6 l o50 5 2 8 0- 0 5 6 5 81 2 3 8 21 2 3 5 71 2 4 7 60 1 2 0 80 1 4 6 6 o 1 1 3 61 2 3 8 2 a v c - 0 5 3 0 1- 0 5 6 7 81 2 3 9 3 1 2 3 6 51 2 4 8 60 1 2 7 70 1 4 9 50 0 7 5 91 2 3 9 4 综上，对结构相对简单的线性电源进行实测和调试，逐渐掌握了电源芯片的研究 范式，这为进一步分析、测试与优化设计p w m 芯片系统的研究工作奠定坚实的基 础。 下节具体引出本文的研究对象叫，d 7 5 7 5 【2 4 】。 2 3p w m 芯片特性理解 l d 7 5 7 5 是通嘉科技近两年一直在推的主要p w m 控制芯片产品。 对该芯片的特性理解，以如下顺序展开：首先是内部框图和管脚性能表，接着是 简述芯片特点，重点做了高压启动和前沿消隐的原理介绍，又特别分析了过压保护和 过载保护的工作过程。 ( 1 ) 内部框图和管脚性能表【2 4 l 图2 8 为l d 7 5 7 5 的内部框图。该芯片内部模块主要包括：基准电压源，振荡器， 9 p w m 开关电源的实用分析与设计技术第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 p w m 控制器，误差放大器，电压检测器，输出驱动电路和必要的保护电路等。 图2 - 8l d 7 5 7 5 的内部框副2 4 l 表2 2 示出了d i p ，8 封装的l d 7 5 7 5 管脚描述。l d 7 5 7 5 通过r t 脚来外设工作频 率；通过c o m p 脚和c s 脚的采样和检测信号进行闭环调节，维持输出稳定。 表2 - 2l d 7 5 7 5 管脚描述i m i 注：u v l o 汹) 是指低压锁定开启电压。 1 0 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 ( 2 ) 芯片特点 l d 7 5 7 5 是电流模式控制芯片，其主要特点是： 高压5 0 0 v 启动电路；可控开关频率：c s 脚的前沿消隐( l e a d i n g - e d g e b l a n k i n g ，l e b ) ；过压保护( o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n ，o v p ) ：过载保护( o v e r l o a dp r o t e c t i o n ，o l p ) 。 高压启动电路 传统的p w m 控制器电路由外电阻来启动电路并提供启动电流，此法在启动期间 损耗比较多。理论上，为降低启动电流，启动电阻可取为高阻值，但此举也会增大启 动时间。 图2 - 9 是l d 7 5 7 5 的高压启动电路( 包括部分等效电路) 及其主要波形。l d 7 5 7 5 内部集成的高压启动电路旨在最大程度地降低功耗。 在启动期间，h v 脚内接的高压电流源从电容岛上抽取电流，给电源脚v c c 供电并给该脚的外接电容c j 充电。启动初始时间段t 内，高压电流源开启并提供l m a 电流，此时v c c 电压比低压锁定电压( l l o ) 的开启阈值稍低，且v c c 脚的漏电流 仅有1 0 0 1 a a ，高压电流源上的电流主要用来给v c c 电容充电；当v c c 电压比u v l o ( ) 高时，l d 7 5 7 5 启动并传递门驱动信号，高压电流源关断，同时，辅助绕组开始供电。 因此，采用高压启动电路仅在启动时间t 内发生尺，的微小电流损耗，当i c 正常工作 后，由于高压电流源关断，尺j 上几乎无损耗。内部的u v l o 比较器用来侦测v c c 脚 电压值，保证其足够给l d 7 5 7 5 供电并驱动m o s 管。u v l o ( 伽1 和l r v l o ( o 0 电压分别 设定为1 6 v 和1 0 v 。 图2 - 9l d 7 5 7 5 高压启动电路( 包括部分等效电路) 及其主要波形酬2 4 】 p w m 开关电源的实用分析与设计技术第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 可控开关频率石 l d 7 5 7 5 的频率石可通过连接于r t 脚和地之间的外部电阻尺j r 7 1 加以设定： 正：掣x l o o ( 1 )“ r 盯 r7 l d 7 5 7 5 的频率范围建议设定在( 5 0 k h z ，1 3 0 k h z ) 。 前沿消隐 结合图2 1 0 来阐述。 前沿消隐是指m o s 管突然导通时，由于输出整流二极管存在反向恢复特性，在 电流检测电阻上将得到1 个电压尖峰值，为防止调整管误动作，在其导通初始须屏蔽 脉宽调制信号。l d 7 5 7 5 通过c s 脚检测初级m o s 管的电流，己在i c 内部设定该脚 的电压阈值为o 8 5 v 。则m o s 开关管的峰值电流可表示为： 钿。眦) - 警 ( 2 ) 3 5 0 n s 的前沿消隐单元内置于c s 脚内，用以消除由电流尖峰引起的错误触发。 在低功率应用中，如果c s 脚的导通尖峰的总脉宽小于3 5 0 n s 且负尖峰不超过 0 3 v ，则c s 脚所接的r c 滤波器可以省去：而在高输出功率应用中，则必须使用 r c 滤波器，避免c s 脚被负的导通尖峰损坏。 一一 r c 滤波可省去 ( a ) 低功率的应用( b ) 高功率的应用 图2 1 0l d 7 5 7 5 的高低输出功率应用酬“i 过压保护 过压保护( o v p ) 是指当v c c 端的电压过高时，从i c 内部送出关断调整管的信 号并由泻流回路对v c c 泻流。 1 2 第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 目前多数片外m o s 管的栅源电压的最大耐压为3 0 v 。为防止过压，当 v c c 电压高于o v p 阈值时，输出栅驱动电路将关闭m o s 管直到下一个u v l o ( 彻、( 低 压锁定开启电压) 到达。l d 7 5 7 5 的v c c 过压保护功能是一种自恢复类型的保护。 当v c c 电压低于u v l o ( 。固时，芯片重启，进入“打嘱 模式( 参见图2 一l l ，其中 为i c 的脚o u t 的输出波形) 。 过载保护 一三验 一一一一一一一一- 一一一：，乞 ；一- 一一 图2 11v c c 脚的过压保护波形副2 4 1 图2 1 2 示出了过载时的波形。在这种故障情况下，反馈系统( 请参见图4 1 ) 将 迫使电压环路趋向饱和，c o m p 脚电压升高。当c o m p 的电压达到o l p 阈值电压5 0 v 并保持3 0 m s 后，o l p 输出关断m o s 管信号，3 0 m s 的延迟时间用来防止触发信号误 动作。下章将重点分析o c p 过功率限制特性。 图2 1 2 过载保护时的v c c c o m p o u t 三管脚波形图 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 2 4 本章小结 第二章测试原理与p w m 电源芯片特性 本章主要从一款简单的线性电源芯片的测试入手，从而过渡到较复杂的p w m 电 源芯片的研究，力求层次分明，内容包括： ( 1 ) 从测试三框图出发，揭示芯片测试接口的要点保证最优化地传递信号， 着重介绍了直流参数测试和功能测试过程。 ( 2 ) 以线性电源a p l 4 31 为例，重点阐释该i c 测试项目和知的量测，通 过实际调试，的测试结果上下波动士3 m v ，如，的测试值不超过0 1 衅。经过实测， 初步了解了电源i c 的简单特性。 ( 3 ) 在线性电源研究的基础上，研究了脉宽调制电源l c 的重要特性高压启 动、可控开关频率、前沿消隐、过压保护与过载保护，为第四章的系统设计做铺垫。 1 4 p w m 开关电源的实用分析与设计技术第三章p w m 芯片功率限制三种方法的研究 第三章比较研究p w m 芯片功率限制的三种方法 本章要点是研究脉宽调制芯片的其中的一个重要特性输出过功率限制，并以 此为例说明系统设计须对该特性的考虑。 主要内容概论了控制此类芯片的输出过功率点的三种典型方法：( 1 ) 减小过流保 护( o v e rc u r r e n tp r o t e c t i n g ，简称o c p ) 的延迟时间乃；( 2 ) 调整o c p 的电压阂值 v l i m 打；( 3 ) 同时调整乃和打。通过构建评价函数所，历圩，统计其优点和缺点，为电 源芯片的过功率设计提供技术参考细节【2 5 之9 】。 3 1 功率限制原理 随着开关电源需求量的增加及成本的降低，电源主控i c 面临着增加功能的需求 和优化性能的挑战【25 。电源系统的一个重要指标是输出功率控制，设若电阻的端电压 达到功率限制阈值( 棚) ，功率管则经一段延时( 乃) 后被关吲2 6 1 。 针对某些特定应用，例如笔记本适配器等，要求在全范围电压输入 ( 9 0 v 6 0 比吨6 4 v 5 0 h z ) 条件下，保证输出功率具有一致性，即p w mi c 具有一致 的o c p 值( 称为输出功率控制点) 。 图3 1 是采用p w mi c 的反激变换器电源的局部电路示意图。 图3 1p w m 系统初级侧的结构原理示意图 t 反激变换器的初级电感电流易穿过导通的功率开关管m 后，经采样电阻b 将动 作电压比送入p w mi c 的c s 脚内，当圪达到固定阈值电压加时，内部控制信 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第三章p w m 芯片功率限制三种方法的研究 号经过i c 传输延迟时间乃后使开关管m 变为截止。 功率限制原理的数学模型概括如下： 理想状态，忽略延迟时间乃，假设初级电感中的能量完全传递到次级( 经过滤 波) 输出端。系统在p w m 的固定周期t 内存储于初级电感中的能量为【9 】： e = ，；= 尸t ( 3 ) j 尸= 三上p x 霉) x ；= l 三z 尹( 考x 乙) 2 x 五 c 4 ， 式中，p 为电感上消耗的功率，五为p w mi c 的固定- 1 - 作频率。 实际犏考虑乃的影响。由关系式 p - - - - - 堡l p 叱+ 乃) 及每乞= 警， 则有： p = 扣酗批，卜= 扣( 警+ 和卜 式中，为输入峰值电压，t o n 为单周期内检流电阻电压从0 上升至所胁神的时1 s q 。 等式( 5 ) 提示我们：实际考虑乃的存在，则有电感电流比理想状态多出数值 ( 圪乃4 ) ；当固定输入峰值电压、初级电感岛和工作频率石时，通过调 整电压阈值n 和乃，可使系统输出功率为定值。 3 2 功率限制优化的三种方法 精确控制p w m 芯片输出功率的三种方法包括：( 1 ) 减小i c 内部的延迟时间乃； ( 2 ) 调整o c p 的电压阈值打；( 3 ) 同时调整延迟时间和电压阈值( 乃+ f f ) 。 己知统计信息参见表3 1 。它列出了三家主流公司( o n s e m i ，f a i r c h i l d ，i n f i n e o n ) 的固定频率p w mi c 的o c p 补偿方式。 表3 1 固定频率p w m 主流芯片的o c p 补偿方法 1 6 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第三章p w m 芯片功率限制三种方法的研究 3 2 1 减小延迟时间乃 图3 2 是动作电压( 正比于输入电压) 、延迟乃和功率限制点滑动( 由理 想至实际) 的时域关系示意图。 芯片c s 脚内的实际功率限制点可建模为： l r = + a v = 所拥神+ k t a ( 6 ) 其中：竞= d v t i m i d t 。 芯 妇 如h 小上 ：冬沙 】= r 知以 】= t ( n s ) 图3 - 2 乃，和。n 的关系 考虑到k 与成正比，寻优即为缩减芯片造成的系统误差项a v , 最大限度地减 少乃，就成为稳定功率限制点圪揪的迫切之选。 例如，在表3 1 中n c p l 2 7 1 是目前市场上广泛应用的n c p l 2 0 3 的下一代产品， 其将乃由原来的9 0 n s 减d , n y5 0 n s t 2 刀，这是目前所能做到的最小的传输时间。 讨论：在设计电源系统时，由于初级电感厶、检流电阻见以及其它电路存在的 影响，只有针对固定成熟的系统才容易评估乃减小的效果。 很多欧美公司在o c p 补偿的实现上均有自己的专利，故在考虑i c 设计整体的风 险时，将乃减小不失为一种简单而有效的方法。 3 2 2 调整阈值电压t , 腑 图3 3 是重新调整阈值电压打的示意图。 | | 、。一 是少 p w m 开关电源的实用分析与设计技术 第三章p w m 芯片功率限制三种方法的研究 芯片c s 脚内的实际功率限制点可重新建模为； m n = 枷+ a v = ( 斜坡线段a b 上的某点) +