（电路与系统专业论文）单片恒流恒压acdc变换器xd9527的设计.pdf

摘要 交流直流( a c d c ) 电源转换器是一种利用半导体器件作为开关，通过控制开 关管的关断与导通，将交流电能转换成直流电能的电路。它具有转换效率高、小 型化、功耗低以及输入范围宽等众多优点，所以应用范围比较广泛。 本论文基于西安电子科技大学c a d 研究所的科研项目“恒流恒压a c d c 电 源转换器的研究 ，设计了一款反激式结构的恒流恒压a c d c 转换器x d 9 5 2 7 ，该 芯片主要应用于便携式电源适配器和l e d 驱动等。传统的恒流恒压a c - d c 控制 器要想达到恒流恒压的目的都得通过光耦和次级环路控制电路的作用，这样不但 使得外围应用电路变得复杂，而且增加了成本。针对上述缺点，本文设计了一个 基于辅助绕组反馈，采用脉冲频率调带i j ( p f m ) 恒流和跳周期模式( p s m ) 恒压的 a c d c 转换芯片，这样能够简化外围电路和降低成本，使得该芯片在同类芯片当 中具有较高的性价比。 本文设计的恒流恒压a c d c 控制器x d 9 5 2 7 采用0 5 9 m7 0 0 vb c d 工艺，工 作于断续导通模式( d c m ) ，采用峰值电流模控制，同时该芯片能够实现频率抖动 来减小e m i ，结构简单，能够简化应用电路，大大降低应用电路成本等特点。通 过应用电路测试，改变负载，测得恒流点为l a ，恒压点为4 8 v ，恒流时电流纹波 控制在5 以内，恒压时电压纹波在4 以内。测试结果表明该芯片具有很好的恒 流恒压功能，各项指标较好地达到了预期的设计要求。 关键词：a c d c脉冲频率调制频率抖动反激变换器恒流恒压 a b s t r a c t w i t hs e m i c o n d u c t o rd e v i c ea st h es w i t c h ，a na c d cc o n v e r t e rc a nb eu s e dt o c h a n g et h ea cp o w e ri n t od cp o w e rb yt u m i n gt h es w i t c ho na n do f f h a v i n gt h e a d v a n t a g e so fh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , s m a l ls i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d 、 ，i d e i n p u tv o l t a g er a n g e ，t h ea c d c c o n v e r t e rh a sb e e nw i d e l yu s e di no u rl i f e b a s e do nt h ep r o j e c to f ”r e s e a r c ho nc o n s t a n tc u r r e n t ( c c ) c o n s t a n tv o l t a g e ( c v ) a c - d cc o n v e r t e r s ”t a k e nb yt h ei n s t i t u t eo f e l e c t r o n i cc a di nx i d i a nu n i v e r s i t y , ac c c va c d cc o n v e r t e rx d 9 5 2 7 、析t ha na r c h i t e c t u r eb a s e do nt h ef l y b a c kt o p o l o g y w a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r x d 9 5 2 7c a nb eu s e di nl e d ( 1 i g h - e m i t t i n gd i o d e ) d r i v e r s a n dp o r t a b l ep o w e ra d a p t e r s t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fc o n s t a n tc u r r e n ta n dc o n s t a n t v o l t a g e ，at r a d i t i o n a lc c c va c d cc o n t r o l l e ra l w a y sr e q u i r e st h eh e l po fo p t o c o u p l e r a n dt h e s e c o n d a r yc o n t r o l c i r c u i t s t h i sm a k e st h ea p p l i c a t i o nc i r c u i tb e c o m e c o m p l i c a t e da n di t s c o s tb e c o m e sh i 吐i no r d e rt oo v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g s ，a c c c va c d cc o n v e r t e rx d 9 5 2 7w h i c hi sb a s e do nt h ef e e d b a c kb ya u x i l i a r yw i n d i n g w a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , a n di tu s e sp f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) p s m ( p u l s e s k i pm o d u l a t i o n ) m o d et og e tc o n s t a n tc u r r e n ta n dc o n s t a n tv o l t a g e a sar e s u l t ，i tc a l l s i m p l i f yt h ea p p l i c a t i o nc i r c u i ta n dr e d u c et h es y s t e mc o s t ，s ot h a tt h i sc h i ph a sah i g h e r c o s tp e r f o r m a n c ec o m p a r e dt os i m i l a rc h i p s t h ec c c va c - d cc o n v e r t e rx d 9 5 2 7u s e so 5 p m7 0 0 vb c dp r o c e s s i tw o r k s i nd c m ( d i s c o n t i n o u sc o n d u c t i o nm o d e ) a n di sc o n t r o l l e di np e a kc u r r e n tm o d e w h a t sm o r e ，t h i sc h i pc a nr e d u c et h ec i r c u i te m ib yt h ef r e q u e n c yj i t t e r i n gt e c h n o l o g y i th a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，e t c t h r o u g hc h a n g i n gt h el o a d r e s i s t a n c eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o nc i r c u i t ，t h em e a s u r e m e n ts h o w st h a tt h ec cp o i n ti s 1aa n dt h ec v p o i n ti s4 8 vw h i l et h ec u r r e n tr i p p l ei s4 - 5 a n dt h ev o l t a g er i p p l ei s 士4 t h e s et e s tr e s u l t sp r o v et h a tt h ec h i ph a sg o o dc a p a b i l i t i e so fc c c va n da c h i e v e s t h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a c d cp f mf r e q u e n c yj i t t e r i n gf l y b a c kc o n v e r t e r c c c v 第一章绪论 第一章绪论 本文首先简单介绍了电源管理类的应用前景和发展状况，然后介绍了开关电 源的分类，简单阐述了一下开关电源的发展现状及其未来趋势，最后介绍了论文 的主要工作和章节安排。 1 1 电源管理类芯片的前景 随着现代科技地不断进步，人们的生活水平得到了很大的提高，对于像m p 3 、 手机、笔记本、平板电脑等电子产品的需求也越来越多。而这些便携式的电子产 品，需要电源管理模块为其提供稳定的电压输出、恒定的电流输出以及充放电管 理等。i h s i s u p p l i 公司的研究显示，继2 0 1 0 年增长4 1 6 之后，2 0 1 1 年全球电源 管理半导体市场销售额增长速度明显放慢，但仍保持两位数的速度增长。2 0 1 1 年 全球电源管理半导体的销售额估计将升至3 6 2 亿美元，比2 0 1 0 年要增长1 3 9 。 全球各地的消费者都希望平板电脑、手机、笔记本电脑和便携导航器材等移动设 备的电池能够使用更长的时间，这有可能促使电源管理芯片领域出现新的设计趋 势，从而提高芯片供应商的销售额。2 0 1 1 年的其它趋势包括，电源管理芯片的集 成度进一步提高，拥有进一步芯片集成技术的供应商，在芯片销售收入方面获得 利润最多。 中国作为发展中国家，最近几年的经济都保持高速的增长，虽然受到 2 0 0 8 2 0 0 9 年的金融危机影响，增长速度有所减缓，但是中国作为新型的经济体， 经济的增长使得中国人民的生活水平得到了很大的提高。人们对消费类电子产品 有着强劲的需求，对全球的电源管理市场都有较强的拉动作用。现今我们所使用 的电子产品都必须包括电源管理模块，从而电源管理市场将会与电子产品整机的 销量休戚相关。最近几年来，伴随着电子产品整机销量的高速增长，我国电源管 理芯片的市场也保持了快速的增长，而同时美国市场和欧洲市场增长较慢。此外 由于电源管理技术门槛的进一步降低，越来越多中国大陆和台湾的芯片设计公司 开始从事电源管理芯片的研发和销售。最近几年来，这些公司发展快速，已经在 中低端的电源管理类芯片的市场中占有一席之地，同时由于电源管理市场竞争的 激烈性，电源管理的i c 价格大幅降低，从而为消费者提供更加廉价的电子产品。 目前电源管理芯片的发展已趋近于多样化，该趋势主要有：提供多个不同的 输出电压、电源的数字管理、降低成本以及减小产品面积等等，但是集成化趋势 2 单片恒流恒压a c d c 变换器x d 9 5 2 7 的设计 还是最值得我们关注的。一直以来集成化都是电源管理类产品发展的主要趋势， 其中电源管理单元( p m u ) 产品作为代表就表现得最为明显，已经广泛应用在手 机、p d a 和平板电脑等多种产品中，一个p m u 可以集成多个d c - d c 和l d o 等 产品，能够提供多种电源管理功能。此外，由于芯片集成度的不断提高，目前不 少芯片也集成了电源管理功能，从而系统级厂商能够省去外围应用电路的电源管 理芯片，能够减少应用电路的元器件个数，降低系统成本。虽然集成化技术能够 降低系统级产品的成本，但是集成化技术也存在着一定的缺点，不能解决现阶段 存在的所有问题。比如说一种p m u 芯片一般只针对一类应用，甚至某个产品，应 用范围较窄。从一定程度来说这种p m u 芯片的扩展应用性有时候还不如采用分离 的解决方案，这种解决方案可以根据不同需求选择最为适合的电源管理芯片，可 以达到最高的性能和效率。总的来说，由于集成化和分离的各自优势，集成化和 分离的解决方案将会一直长期相互共存l l j 。 1 2 开关电源的分类 一般来说，通过利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另 一形态的电路都可以叫做开关变换器电路【2 】；转换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 w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 。 1 2 1 开关电源【3 j 的分类 开关电源一般可分为两种：直流开关电源( d c d c ) 和交流开关电源( a c d c ) 。 d c d c 变换器目前已经实现了模块化，且其设计技术及生产工艺均已发展成熟和 实现标准化，被广泛应用于众多领域。但是对于a c d c 转换器来说，由于前级输 入的交流市电，峰值输入电压较高，会遇到复杂的设计技术和工艺制造技术，使 得a c d c 转换器实现模块化会有一定的难度。下面对这两类开关电源进行简要概 述。 1 1d c d c 开关电源 d c d c 开关电源是将某个固定的直流电压转换成可控的直流电压。d c d c 变 换器的工作方式主要分为两种：脉冲频率调制( p f m ) ，脉冲固定宽度不变，通过 调节功率开关管的工作频率实现电压电流输出，采用此种方式调制，效率较高， 但是由于工作频率不定，容易产生e m i 干扰，给输入级的滤波电路的设计带来了 难度；脉冲宽度调制( p w m ) ，开关管的工作频率固定不变，通过改变开关管工作 信号的脉冲宽度来达到转换的目的，此种调制方式较为简单，且应用广泛，但是 由于存在误差放大器的调节，并且占空比不定，在采用峰值电流控制模式时，当 占空比超过o 5 后，容易产生环路稳定性问题。具体电路主要有以下几种： 第一章绪论 ( 1 ) b u c k 电路也就是降压电路，电路的输出电压小于电路的输入电压，输入电 压与输出电压同相。 ( 2 ) b o o s t 电路也就是升压电路，电路的输出电压大于输入电压，输入电压与 输入电压同相。 ( 3 ) b u c k - b o o s t 电路也就是降压或升压电路，输出电压大于或者小于输入电压， 输入电压与输出电压的极性相反。 ( 4 ) c u k 电路也就是降压或者升压电路，输出电压大于或者小于输入电压，输 入电压与输出电压的极性相反，但是与b u c k - b o o s t 电路不一样，c u k 电路是通过 电容进行能量的转换，但是b u c k b o o s t 是通过电感。 2 ) a c d c 变换器 a c d c 变换器将交流电压变换为直流电压，目前绝大部分的d c d c 转换器 的直流输入电压都是通过交流输入转换得来，正是有了前级的交流转直流，才有 后级的d c d c 转换。a c d c 变换器的输入为普通的市电，整流滤波需要耐高压 的滤波电解电容，该电解电容一般体积较大。同时，因遇到如u l 、c c e e 等标准 及e m c 指令等安全问题，交流输入必须加入e m c 滤波器，不仅使电路体积变大 而且增加了成本，限制了a c d c 电源变换器进一步小型化。a c d c 变换器中的 功率m o s f e t 需要能耐高压和耐大电流，a c d c 变换器对其的要求要高于d c d c 变换器的指标要求，这样大电流和高电压开关动作使得电源工作时的开关损耗大 大增加，降低了转换器的工作效率，使得a c d c 变换器进一步模块化的难度增加。 1 2 2 开关电源的发展 现在人们的生活越来越离不开电子产品，而这些电子产品都需要稳定可靠的 电源，所以人们对电源性能的要求变得越来越严格。人们对电子设备低成本和小 型化的要求，将不断推动开关电源朝着薄、小、轻和高效率的方向发展。开关电 源技术的发展趋势可以大致概括为主要以下四个方面1 4 5 】。 ( 1 ) 小型化、高频化、薄型化、轻量化：开关电源的重量和体积主要是由储能 元件( 变压器、电感和电容) 决定的，要使开关电源小型化，本质上就是要尽可 能减小开关电源中储能元件的体积。在一定程度上，提高开关频率不但能有效地 减小储能元件的尺寸，而且还能够改善系统的动态性能和抑制干扰。因此，高频 化将是开关电源的主要发展方向。 ( 2 ) 高可靠性：开关电源所使用的元器件数量比线性工作电源少得多，器件越 少可靠性越高，因此提高了电源可靠性。同时电解电容、光耦等器件的寿命决定 电源的寿命。所以在进行开关电源的设计时要尽可能减少使用器件的数量，提高 系统集成度。这样简化了系统电路，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 低噪声：过分追求高频化，将会使得开关电源的噪声大大增大。利用谐振 4 单片恒流恒压a c d c 变换器x d 9 5 2 7 的设计 电路，在原理上既能提高频率又能降低噪声。所以，低噪声也是开关电源的另一 个发展方向。 ( 4 ) 高效率：效率是电源重要的关键指标之一，开关频率的不断提高，将会使 开关管产生的功耗大大增加。所以目前很多开关电源的相关人员都热衷于研究软 开关技术。在理论上，采用软开关技术能够使电源的开关损耗降为零，同样在实 际应用上，能让目前的开关电源模块的转换效率提高到9 0 以上，实现高频高效。 开关电源的发展一直与半导体器件和磁性元件等器件的发展紧密相连。要想 实现高频化，高速半导体器件和性能优良的磁性元件是必不可少的。总而言之， 新型元器件的研制和低损耗电路技术的研究两者共同推动着开关电源向小型、高 频、低噪声、高效和高可靠性的方向发展。 1 3 本论文的工作安排 就目前市场上的恒流恒压a c d c 转换芯片来说，要想达到恒流恒压的目的， 都必须有光电耦合芯片和次级环路控制回路，这样使得芯片整体的应用成本变高。 为了达到降低成本的目的，同时又能实现恒流恒压，本课题设计一款基于反激式 结构的开关电源控制芯片，使之可以应用于低电压大电流的工作场合，如电源适 配器、l e d 驱动等。该芯片采用p f m p s m 双模调制方式以及峰值电流模式控制， 重载时采用p f m 模式进行恒流，轻载时采用p s m 模式进行恒压，能够满足现代 电子产品对轻载或无载情况下的省电要求，所设计的电源转换器将尽可能地降低 功耗。 论文首先介绍了电源管理类芯片的市场和开关电源的种类，接着详细地介绍 了开关电源的几种基本拓扑结构和各个工作模式下的工作原理，然后对芯片进行 系统架构和原理分析。最后使用c a n d e n c e 、h s p i e e 等e d a 软件，完成了一款基于 f l y b a c k 结构的恒流恒压a c d c 转换器的设计、仿真和验证工作。该芯片采用模 拟为主的数模混合集成电路实现，仿真和实测表明电路功能能够基本实现，各项 指标符合设计要求。 本文主要分为五章，第一章简单介绍了电源管理类芯片的前景以及开关电源 的现状和发展趋势；第二章对开关电源的几种基本拓扑结构及其原理进行了详细 分析；第三章对恒流恒压控制芯片x d 9 5 2 7 进行了系统设计，介绍其工作原理和 相关性能指标；第四章根据第三章的系统设计要求，对) 9 5 2 7 芯片的主要模块 电路原理进行了详细的分析以及给出仿真结果；第五章根据芯片的应用背景，设 计芯片的应用电路，并简单地讨论了外围器件的选择，并给出了实际测试电路p c b 板及其输出测试波形；最后是结束语和致谢。 第二章开关电源的几种基本架构 第二章开关电源的几种基本架构 开关电源作为高效节能型电源目前已经被广泛应用于各种电子设备中，与人 们的生活息息相关。本章将对开关电源几种基本的拓扑结构的工作原理进行简单 介绍，并详细介绍开关电源在几种工作模式下的工作原理。 2 1b u c k 型开关电源转换器 b u c k 也就是降压型开关电源转换器【每引，即变换器产生的输出电压比输入电压 低，其拓扑结构如图2 1 所示。在图2 1 中d 为续流二极管，其为肖特基二极管， m 为p 沟道m o s f e t 开关管，电感l 和电容c 为储能和滤波电路，电阻r 为转 换器输出负载。 。 图2 1b u c k 型转换器的拓扑结构 当开关m o s 管m 导通时，由于二极管d 的阴极电压高于阳极电压，二极管 截止，电感l 中的电流慢慢往上升，电感开始存储能量，对电容c 充电和对负载 供电；当开关m o s 管m 关断时，由于电感电流不能突变，所以电感l 感应电动 势突变，此时二极管d 的阳极电压高于阴极电压，二极管d 导通，电感l 开始放 电，对电容c 充电和对负载供电，以上过程在开关m o s 管导通与关断之间不断重 复。由原理可以分析，导通时负载两端电压为输入电压与电感l 两端电压之差， 可知输出电压低于输入电压，所以这种结构叫做b u c k 型结构或者降压型结构。 根据电感电流的情况，开关电源变换器的工作模式可以分为连续导通模式 ( c c m ) 和断续导通模式( d c m ) ，还有一种介于这两种模式之间的临界导通模式 ( c r m ) 。在开关m o s 管导通期间，电感电流上升；当开关m o s 管关断后，电感 电流开始下降。如果在开关管关断期间，电感的电流还未降到零，开关管再次导 6 单片恒流恒压a c d c 变换器x d 9 5 2 7 的设计 通，这种工作模式称为连续导通模式；如果在开关管关断期间，电感的电流已经 降为零，但是开关管还未导通，则称这种工作模式叫做断续导通模式；如果开关 管关断期间，电感的电流刚降为零开关管立刻导通，则称这种工作模式叫做临界 导通模式。 2 1 1 连续导通模式( c c m ) 假设变换器工作在连续导通模式时【9 】，开关管m 的导通时间为t o n ，截止时间 为t 呵，且开关管m 可以看作是理想的开关管。设开关周期为t ，t = l f , f 为开关 频率，则导通状态的时间为t o a = d x t ，其中d 为占空比，若d 伽，则关断状态 时间为t o d l d ) x t 。 m 打开后，电感l 的电流从最小值i l m i n 逐渐增大到最大值i h 嗽，电感的电流 上升斜率与输入电压和输出电压的关系如下： 屯= 等= 毕 ( 2 - 1 ) 其中v i 。为输入电压，v o m 为输出电压，l 为电感值。 根据式( 2 1 ) 在开关管导通的t o l l 时间内，电感的电流为 屯：譬粤t + k ( o t t o n ) ( 2 - 2 ) 当t = t 0 i l 时，开关管关断，电感此时的电流为： 屯= 卫丑o + k 2 k ( 2 - 3 ) 此时电感电流达到最大值，也就说在开关管导通期间电感电流的增量为： a i l ( + ) _ 笔肇k ：车粤d t ( 2 - 4 ) 当开关管断开，二极管导通，开始续流，电感电流开始线性下降，电感电流 下降到最小值，电感两端的电压突变，在此期间电感电流下降的斜率为： _ = 等= 一半 ( 2 5 ) 其中v d 为续流二极管导通时两端的压降。 所以在开关管关断的t 咂时间内，电感的电流为： 屯：一气肇，+ k ( d c l 丰 一 乙l 一 1 1 c 4 ； 一_ ic 3 卜 、 d j ld sj l d 6 。5 图3 2 芯片的简单应用电路图 r 2 图3 3x d 9 5 2 7 的系统架构图 3 2 2 芯片主要模块的功能和基本原理 ( 1 ) 恒流控制模块( c o n s t a n tc u r r e n tc o n t r 0 1 ) ：在重载条件情况下，在开关管关 断期间，通过辅助绕组电阻分压反馈得到的f b 电压小于芯片比较器的阈值v f a t h ， 此时进行恒压控制的状态机模块不工作，即恒压电路不起作用，只有恒流模块起 作用。在恒流区，随着负载电阻大小的变化，采样得到的f b 端电压也随之变化。 第三章x d 9 5 2 7 变换器的系统设计与研究 2 9 f b 电压变化时，恒流控制电路会改变振荡器的充电电流，从而调节振荡器的工作 频率，也就是开关管的工作频率，从而调节输入功率实现恒流输出。 ( 2 ) 恒压控制模块( 比较器和s t a t em a c h i n e ) 恒压控制电路主要是由比较器和状 态机电路组成，在恒压区，也就是轻负载情况下，采样得到的f b 电压高于v e s t a ， 此时开关管的工作频率达到最大值，状态机电路通过采样比较器输出信号的变化 来改变开关管跳过周期的个数来实现恒压输出。此外状态机还能调节峰值电流限 制模块的限流点，使得在轻载时，降低限流点，降低变压器的磁通密度。 ( 3 ) 电源调整模块( p o w e rr e g u l a t o r ) ：开关管关断时，通过内部的高压耗尽型 m o s f e t ，对旁路电容充电，输出两个电压1 2 v 和5 v 。1 2 v 输送给驱动模块，因 为对于高压的开关m o s f e t 栅极的寄生电容较大，为了能够让开关管快速地开启， 需要使用专门的高电压大电流驱动模块；5 v 主要是给芯片内部的主要模拟模块和 数字模块供电，采用5 v 低电压供电能够降低功耗。 ( 4 ) 频率抖动模块( f r e q u e n c yj i t t e r i n g ) ：使开关管的工作频率在以某个值为中心 的很小范围内抖动，分散频谱能量，降低应用电路e m i ，减少滤波器件，降低成 本。通过使振荡器的充电电流在某个中心值周围跳动，使得振荡器的频率绕着某 个中心值抖动。 ( 5 ) 自动重启模块( f a u l t r e s t a r t o p e n l o o p ) ：一旦出现故障，例如输出短路或者 开环情况下，芯片会进入相应的保护模式，具体描述如下： 如果发生输出短路情况下，在反激期间采样得到的f b 电压将会比较低，若 f b 引脚电压低于0 7 v ，并持续约4 5 0 m s ，芯片会进入自动重启模式，将功率 m o s f e t 关闭2 秒左右。自动重启电路对功率m o s f e t 进行交替使能和关断，直 到故障排除为止。 如果在辅助绕组的上端电路开路或者丢失，此时在正激期间( 开关管导通期 间) ，检测到反馈引脚电流低于1 2 0 1 a a ，自动重启时间从4 5 0 m s 降低到大约6 个时 钟周期( 约9 0 9 s ) ，同时开关管关断2 s 左右。 ( 6 ) 过热保护模块( t h e r m a ls h u t d o w n ) ：因为该芯片内部集成了一个7 0 0 高压 m o s f e t 管，该m o s 开关管在正常的开启和关断过程中将产生很大的热量，如果 芯片的外围p c b 电路板散热不当，这样芯片在工作时的温度会越来越高。为了防 止芯片温度过高，造成芯片的不可逆损坏。当芯片温度大于1 4 2 摄氏度时，功率 m o s f e t 会被关断，直到芯片温度下降6 0 摄氏度，开关管m o s f e t 才会重新正 常关断导通。 ( 7 ) 驱动模块( d r i v e r ) ：因为高压m o s f e t 的栅极寄生电容较大，为了让开关管 快速开启关断需要一个为其提供一个高压大电流的驱动电路，使其能够快速关断 与导通，从而精确控制反激变压器初级电感的峰值电流。该驱动电路的输出电压 为1 2 v ，图腾柱的输出能够提供数m a 的充电峰值电流。 3 0 单片恒流恒压a c i x ；变换器x d 9 5 2 7 的设计 3 3 芯片工作原理和工艺选择 3 - 3 1 芯片的调制方式和工作模式 ( 1 ) i 作模式的选择：本论文所设计的芯片的应用电路结构采用的是反激式结 构，反激变换器有下面三种工作模式：连续导通模式、断续导通模式和临界导通 模式。由第二章对反激式变换器的分析，可以推出，在相同输出功率情况下，d c m 模式所需的电感量比c c m 模式和c r m 模式的变压器尺寸都要小的多，同时d c m 模式下次级整流二极管没有反向恢复问题和由其引起的振铃现象，另外c r m 模式 的控制模式比d c m 模式要复杂，因为需要额外的零电流检测电路，对于小功率的 场合，d c m 模式下的开关损耗比另外两种模式的损耗要小，传输效率要高。因此， 在小功率的应用场合，对成本要求较高的前提下，本芯片选择的工作模式为断续 导通模式，通过振荡器控制开关管的导通最大占空比，一般情况下，占空比小于 0 5 ，不存在环路稳定性的问题，所以该芯片无需p w m 控制器中常用的斜坡补偿 电路，能够节省芯片版图面积。 ( 2 ) 芯片调制模式【2 毗1 的选择：目前一般变换器有三种调制方式，脉冲频率调 $ o ( p f m ) ，脉冲宽度调s t ( p w m ) 和跳周期调制( p s m ) 。 p w m 是开关电源变换器中最常用的控制方式，芯片使得开关管的工作频率保 证不变，根据负载反馈情况，控制电路调节开关管的导通脉冲宽度，使得变换器 输出稳定的电压或者电流。 p f m 2 3 l 为固定开关管的导通时间或者关断时间而调节脉冲频率的方式，其优 点就是随着负载的变化，控制电路调节开关管的工作频率，降低开关损耗，这样 在全负载条件下，转换器效率较高。 p s m 2 4 2 5 】是结合上述两种调制模式的特点，是一种采用“恒频恒宽”的脉冲 信号，去控制开关管的导通与关断工作状态的调制模式。根据负载的不同，开关 管的p s m 控制信号会使功率开关管跳过一些时钟信号周期而不工作。因为p s m 调制的这个特点，一般情况下，p s m 方式常常应用于轻载条件下，轻载时，输出 电压变高，开关管在一些时钟周期信号内不工作，这样可以降低开关管的导通损 耗，使得变换器的转换效率变高。 p w m 与p f m 相比较而言，在重载情况下，对于相同的外围应用电路，虽然 在峰值工作点，采用p w m 和p f m 这两种模式调制的效率基本一样，但是在达到 峰值功率点以前，采用p w m 调制方式的效率要比采用p f m 调制方式的效率低得 多；另外p w m 调制方式由于存在着误差放大器的影响，回路增益以及响应速度都 会受到限制，所以相比较而言，p f m 模式具有较快的系统响应速度。在轻载下的 条件下，p w m 调制效率比较低，虽然p f m 调制的效率也比较高，但是由于其频 第三章x d 9 5 2 7 变换器的系统设计与研究 3 l 率不断变化，给滤波电路设计带来了难度，所以针对轻载情况采用脉冲跨调制( p s m ) 模式。因此，本文提出了通过反激变换变压器的辅助绕组进行反馈，在重载时采 用p f m 模式恒流和在轻载时采用p s m 模式的恒压控制电路。 3 3 2 芯片的恒流原理 本文设计的芯片x d 9 5 2 7 恒压原理比较简单，即：在轻载条件情况下，输出 电压较高，采样得到的f b 端电压高于阈值电压v r a n q ，比较器输出的信号输入到 状态机中，状态机通过逻辑控制采用p s m 模式使开关管跨过一些时钟周期，实现 恒压输出。而此芯片恒流控制较为复杂，在此根据图3 2 所示的应用电路阐述一下 芯片恒流的基本原理。 因为芯片工作在断续导通模式下，则在导通阶段初级电感存储的能量全部都 传递给了输出级。当开关管导通，初级电感的电流从零开始线性上升，由于芯片 采用的峰值电流控制模式，所以当初级电感上的电流上升到所限定的电流i p c a k 后， 开关管关断。此时，变压器存储的能量为： e = 去，驯2 ( 3 - 1 ) l 当开关管关断，次级电感的电流从峰值线性下降为零，导通期间变压器存储 的能量全都传递给了输出级。 一”7 在一个周期内，输入传递给输出的功率为： r ， 2 尼啊= ，7 华f ( 3 2 ) 其中叩为反激变换器传递的效率，l p 为反激变压器初级电感的大小，f 为开关 管的工作频率。 从式( 3 2 ) 可以知道对于固定的传输效率、初级电感值和主回路峰值电流，只 要调节开关管的工作频率就可以改变输出功率。 从图3 2 可知，在开关管关断期间，f b 端电压反映的是次级电感上的电压变 化，则有： = 惫彘忆叮+ v o ) ( 3 - 3 ) 其中n a 为辅助绕组的匝数，n s 为次级线圈的匝数，v d 次级整流二极管的压 降 因为采用压降较小的快速恢复二极管，可以忽略v d ，则有： = 惫志叮 ( 3 4 ) 因为n a 、n s 、r e 和r 3 都为常数，则v f b 与v o t r r 成线性关系，则有： 3 2 单片恒流恒压a c d c 变换器x d 9 5 2 7 的设计 圪器= k i z o 时( 3 5 ) 其中墨= 惫彘为撒 在恒流阶段，在芯片内部采样得到的f b 端电压与开关管工作频率f 成线性关 系，则有： 。 f = 如( 3 6 ) 其中k 2 为常数，由芯片内部电路确定。 将式( 3 - 6 ) 代入( 3 - 2 ) 式得到： 易叮：7 7 竿丘 ( 3 - 7 ) 将( 3 5 ) 式代入( 3 7 ) 式有： ，r 2 易w = 町兰等k 2 墨叮= v o 叮i o 叮 ( 3 8 ) 二 消去v o t r r 得到输出电流的公式如下： r ， 2 i o 咿= 1 华t k ( 3 9 )咿二 t k( 3 9 ) 二 通过( 3 9 ) 式可以看出，输出电流是一个常量，只与分压电阻的大小，变压器 的传输效率、主电感值和峰值电流有关，通过确定这些变量的值，就能使得输出 电流恒定。 3 3 3 芯片的工艺选择 由于芯片内部集成了一个7 0 0 v 的功率m o s f e t ，同时也需要能够给电源模块 供电的高压耗尽型m o s 管，所以芯片选择的工艺为b c d - r 艺【2 6 , 2 7 。b c d 是一种 单片集成工艺技术，其中b 代表双极性晶体管，c 代表c m o s 互补性场效应管， d 代表高压m o s 管。在1 9 8 6 年，意法半导体公司成功研制出了b c d 工艺，这种 工艺能够在同一个芯片上制作双极性晶体管、c m o s ( 互补性m o s 管：p m o s 和 n m o s ) 和d m o s ( 高压m o s 管) 器件。由于b c d 工艺的特殊性和通用性，这种工 艺得到了业界的认可并很快发展起来，b c d 工艺的应用范围也越来越广泛，b c d 工艺包括多种典型器件，这些器件主要有：低压c m o s 管、高压m o s 管、纵向 p n p 管、纵向n p n 管、横向p n p 管、各种击穿电压的l d m o s 、阱电阻、肖特基 二极管、扩散电阻、金属电阻、多晶电阻等；除了上述器件以外，甚至有些工艺 还集成了e 2 p r o m 、结型场效应管j f e t 等器件。由于b c d 工艺下有着如此丰富 的元器件，电路设计工程师们能够发挥他们的所长，更加灵活地设计出更好的电 路。同时，随着技术的不断进步，b c d 工艺进一步模块化，灵活性也大大增强， 第三章x d 9 5 2 7 变换器的系统设计与研究 3 3 同时其基本制造工序更加标准化。表3 3 是几种工艺的特点和应用范围。b c d 工 艺把c m o s 器件和双极器件制作在同一个芯片上，它综合了c m o s 集成度高、功 耗低和双极器件高跨导、驱动能力强等优点，能够弥补这两种工艺的缺点，更好 地发挥各自的长处。同时为了适用于高压大功率电子产品的需求，例如：a c d c 、 a p f c 和汽车电子等，所以它集成d m o s 功率器件作为芯片的高压驱动部分和开 关功率m o s f e t 2 引，使得芯片外围应用电路不再需要功率器件，降低了电路的复 杂度和成本。 表3 3 双极性晶体管、c m o s 和d m o s 器件的特点 器件类型特点应用范围 两种载流子都参加导电，驱动能力 模拟电路中性能要求较高的部分( 高速、 双极性 较强，工作频率高，但功耗较大， 高精度、强驱动) 集成度低 适合做逻辑处理，和对速度和驱动能力 c m o s 集成度高，功耗低，成本低 没有高要求的模拟常用模块 m o s 器件的特殊结构( 一般为非 比较适用于模拟电路中的驱动模块，和 d m o s对称结构) 可以让该器件承受高的 作为功率开关管来使用。 电压和大的电流 单片恒流恒压a c d c 变换器x d 9 5 2 7 的设计 第四章关键子模块电路设计与仿真 第四章关键子模块电路设计与仿真 本章以二、三章为基础，基于0 5 i - t mb c d 工艺，结合集成电路设计的特点， 根据指标要求，给出了x d 9 5 2 7 关键子模块电路的原理分析、电路设计，并利用 c a d e n c e 平台下h s p i c e 仿真工具对子模块电路进行了仿真验证。 4 1 带隙基准电压产生电路 带隙基准电路是模拟或者数模混合电路中的关键部分，它对模拟电路的发展 起着很重要的作用。一般含有模拟部分的芯片，内部的模拟电路绝大部分都会有 基准电压产生电路，例如a d c 、d a c 、光电传感器等。 4 1 1 电路功能 该模块电路主要是用来产生一个零温度系数的带隙基准电压1 2 5 v ，用作芯片 内部其它模块的参考电压。带隙基准模块是整个电路的最基础的核心电路，从而 要求产生的基准电压随电源电压和温度的变化要尽可能小，它的精度决定芯片整 个电路的电流电压精度和性能，同时也对外围应用电路输出电流或者电压的精度 起着很大的影响。 4 1 2 带隙基准基本原理 在半导体工艺各种不 同器件参数中，双极性器件 能提供严格正温系数和负 温系数的参数，因此双极器 件在一般的带隙基准电路 中必不可少。带隙基准电路 具有高的电源抑制比和良 好的温度系数，它的一般原 图4 1 带隙基准的一般原理 理是：双极晶体管的基极与发射极之间的电压，也可以理解成p n 结二极管的导通 电压v b e 具有负温度系数。在常温条件下，温度每上升一度，v b e 的电压就下降 2 2 m v 左右。同时也产生了一个与绝对温度( p t a t ) 成正比的热电压v t ，其温度 系数一般为+ o 0 8 5 m v 。如图4 1 所示，将电压v t 乘以常量k 并和v b e 相加， 就得到一个零温度系数的基准电压1 2 9 1 。 为了能够理解带隙基准的工作原理，下面分析一下v b e 对温度的依赖特性 3 0 1 。 单片恒流恒压a c d c 变换器x d 9 5 2 7 的设计 根据双极型晶体管原理，对于正向偏置的p n 结，其集电极电流密度与正向电压 v b e 的关系如下： 厶= n p o q d ”e x p l ( v b r ， l l j ( 4 。1 ) 其中，j c 为集电极电流密度蛳) ；w b 为基区宽度；瓦为电子的平均扩散常 数；v f k t q ，为热电压；n i 为本征载流子浓度；n p 0 - - - - i l i 2 n a ，为基区电子平衡浓度， n a 为受主杂质浓度；同时又有： 砰= d t 3e x p ( 一圪。巧) ( 4 2 ) 在上式( 4 - 2 ) 中，v g o 是硅的带隙电压，约为1 2 0 5 v ，d 为与温度无关的常数。 将式( 4 2 ) 代入式( 4 1 ) 中，可有： j c = a t t e 冲( 半 = a t t e 印( 吾c ) ) ， 在式( 4 - 3 ) 中，把与温度不相关的常数合成单一的常数，同时由于瓦跟温度有 一定的关系，所以温度系数) ，稍微偏离3 。故可将v b e 表达为： = 了k t h ( 去a i 卜 ( 4 4 ) g k， 。 根据( 4 3 ) 式可得j c 在温度t o 下的值为： j c o = 咖x 捂c 蚓 ， 共甲v b e 0 为征盈发t = t o h 寸v b e 的僵。 由( 4 3 ) 式和( 4 - 5 ) 式可得到j c 与j c o 之比为： 去= 7 唧( 乱毕一学) ， 对( 4 - 6 ) 式两边取对数有： h 钠+ 吾卜k 号( k 嘲 ， 由上式( 4 7 ) ，可有： c 丁，= 。( 一劲+ 。晤) + 等h ( 争) + 了k t h ( 去) 固 在t o 处推导式( 4 - 8 ) 中v b e 与温度的关系( 设j c 与温度的关系为n ，v b e 与温 度的关系为： 第四章关键子模块电路设计与仿真 3 7 等l = 芋小训考 洚9 ， 由( 4 - 9 ) 式可知，当t = 3 0 0 k 时，v b e 对温度的变化率约为- 2 2 m v c 。 根据上述分析，下面研究具有不同电流密度的两个双极性晶体管v b e 之差 a v b e ，根据式( 4 - 4 ) 和式( 4 8 ) 可得： = 。一：= 了k t h ( 丢) 加， 在t = t o 处，对( 4 - 1 0 ) 式求导司得： 盟a t l i t - r , = 等h ( 4 - 1 1 ) 毛 l 厶： 、7 为了在温度t = t o 时达到零温度系数，v b e 和a v b e 的变量加起来必须为零，即 数学表达式为： 。附n + 芋+ 学 呼， 姐“( 老 棚拭2 ，变为： 。= k + 警+ 半 解得： k ：坠丝学竺监( 4 - 1 4 ) 而由图4 1 可知： = + k 巧 ( 4 - 1 5 ) 将式( 4 1 4 ) 代入式( 4 一1 5 ) 得： l r ：r 。= 圪。+ 。( y a ) ( 4 - 1 6 ) 由式( 4 - 1 6 ) 可知，当t _ 0 时，v r e f _ v g o ，即得到的基准电压趋近于材料的带 隙电压，