（电路与系统专业论文）高效率、低功耗的离线式开关电源控制器芯片的设计与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电源管理芯片需求的增长，同时也带来了 新的机遇和挑战。开关电源以体积小、重量轻和效率高等特点被广泛应用于手机、电脑、 数码相机等几乎所有的电子设备。开关电源控制器的低功耗、高电能转换效率是设计者不 断追求的目标。本课题针对开关电源中的离线式控制器进行研究，目的是设计一款高效率、 低功耗的通用离线式开关电源控制器芯片。 本论文提出了一种基于峰值电流模式的离线式开关电源控制器芯片。它采用脉冲宽度 调制( p w m ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 和脉冲跨周期调制( p s m ，p u l s es k i p p i n gm o d u l a t i o n ) 结合的方法，在反馈电压处于3 3 5 4 7 5 v 时采用脉冲宽度调制，按时钟下降沿开启、峰 值电流关断的方式周期性地输出控制波形，以保证重载时系统的高效率和小纹波。在反馈 电压处于4 7 5 5 5 v 时采用脉冲跨周期调制，停止输出控制波形，使功率开关管处于关断 状态，直到反馈电压小于4 7 5 v 为止，从而减小了功率开关管的开关损耗，保证了轻载时 的高效率。为了降低系统的电磁干扰( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) ，采用频率扩展 的方法，将功率开关管开关瞬间迅速变化的电压和电流的高次谐波平坦化。本芯片采用引 脚复用策略，只有三个引脚，结构简单，应用方便。此外，芯片还具有过压保护、欠压保 护、短路保护、内部电流死区控制、内部斜坡补偿等功能，可靠性高。芯片采用t s m c 公司的0 6i n nb c d 信号工艺实现。仿真结果表明，芯片可实现脉冲宽度调制和脉冲跨周 期调制及相互之间的平稳转换。用于锂电池充电器时，可实现恒压充电和恒流充电及两种 模式之间的平稳过渡。用于电源适配器时，具有良好的输出电压调整率和负载调整率。芯 片最高转换效率可达9 8 。 论文第一章首先介绍了课题的研究背景、现状、发展趋势和意义，然后对论文的主要 工作和整体结构进行了说明，最后对论文的创新点进行了总结。第二章详细叙述了论文的 研究内容，着重分析了离线式开关电源的拓扑结构、控制模式、功耗来源和电磁干扰，并 对现有技术进行了总结和比较。第三章介绍芯片的系统设计，描述了片外系统的工作原理、 稳定性分析、芯片的工作模式以及斜坡补偿分析和设计。第四章给出了芯片各个模块的具 体实现。第五章对芯片的相关性能进行了系统仿真和版图设计。第六章总结了论文的研究 工作，并对该芯片的发展提出了进一步的展望。 关键词：离线式开关电源；高效率；脉冲宽度调制；脉冲跨周期调制；频率扩展 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r a p i dd e v e l o p m e n to fp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t sp r o v i d e sal a r g en u m b e ro f n e wd e m a n d sf o rp o w e rm a n a g e m e n t ；i ta l s ob r i n g sn e w o p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e s t h a n k s f o rs m a l l e rs i z e ，l i g h t e rw e i g h ta n dh i g h e re f f i c i e n c y ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e sh a v eb e e n w i d e l yu s e di na l m o s ta l lt h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，s u c ha sc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t l o w e rp o w e ra n dh i g h e re f f i c i e n c yh a v eb e e nc o n s t a n t l yt h eo b j e c t i v e so fi c d e s i g n e r s t h et o p i co ft h i s t h e s i si st od e s i g nah i g he f f i c i e n c y ，l o wp o w e ro f f - l i n ep o w e r s u p p l yc o n t r o l l e rf o rg e n e r a lu s e a no f f - l i n ep o w e rs u p p l yc o n t r o l l e rb a s e do np e a kc u r r e n tm o d ew i t hp u l s ew i d t h m o d u l m i o n ( p w m ) a n dp u l s es k i p p i n gm o d u l a t i o n ( p s m ) i sp r e s e n t e d t h ec h i po p e r a t e sa t p w mm o d ew h e nf e e d b a c kv o l t a g ei sb e t w e e n3 3 5 - - 4 7 5 v ，i nw h i c h p o w e rm o st r a n s i s t o ri s o na n do f fa c c o r d i n gt oc l o c kf a l l i n ge d g ea n dp e a kc u r r e n t ，e n s u r i n gh i g he f f i c i e n c ya n ds m a l l r i p p l ev o l t a g e w h e nf c e d b a c kv o l t a g ei sb e t w e e n4 7 5 - 5 5 v ，t h ec h i pe n t e r sp s mm o d e ，i n w h i c hp o w e rm o st r a n s i s t o ri sr e m a i no f fu n t i lf e e d b a c kv o l t a g ei sb e l o w4 7 5 v ，s os w i t c h i n g p o w e ri sr e d u c e da n dh i g he f f i c i e n c yi sa t t a i n e d f o rr e d u c i n gt h ee l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) ，t h es w i t c h i n gf r e q u e n c yi sd e s i g n e dt ob er a n d o m i z e dt of l a t t e np o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) o fr a p i dc h a n g i n gv o l t a g ea n dc u r r e n to fp o w e rm o st r a n s i s t o r p i n so ft h ec h i pa r e m u l t i p l e xu s e d ，w h i c hr e s u l t e s i n o n l yt h r e ep i n s ，s i m p l es t r u c t u r ea n de a s ya p p l i c a t i o n a d d i t i o n a lf e a t u r e ss u c ha ss h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o n ，o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n ，u n d e r - v o l t a g e l o c k o u t , i n t e r n a ls l o p ec o m p e n s a t i o n ，l e a d i n g e d g eb l a n k i n go nc u r r e n ts e n s ea r ei n c l u d e d t h e c h i pw a si m p l e m e n t e db yu s i n gt s m c0 6l a m4 0 vh i g hv o l t a g eb c dp r o c e s s s i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec h i pc a no p e r a t ea tp w mm o d ea n dp s mm o d ea n dt h e r ei ss m o o t h c o n v e r s i o nb e t w e e nt h e m w h e ni ti su s e df o rl i - i o nb a t t e r yc h a r g e r , i tc a nr e a l i z ec o n s t a n t v o l t a g ec h a r g i n ga n dc o n s t a n tc u r r e n tc h a r g i n ga n dp e r f o r ms e a m l e s ss w i t c h i n gb e t w e e nt h e m w h e ni ti su s e df o rp o w e ra d a p t e r , i th a sg o o dl i n er e g u l a t i o na n dl o a dr e g u l a t i o n t h eh i g h e s t c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi su pt o9 8 i i i c h a p t e r1f i r s t l yi n t r o d u c e sb a c k g r o u n d ，c u r r e n tr e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n ds i g n i f i c a n c eo f t h et o p i c ，t h e nd e s c r i b e sm a j o rw o r ko ft h et h e s i s ，a n dl a s ts u m m a r i z e st h ei n n o v a t i o n c h a p t e r2 d i s c u s s e sr e s e a r c hc o n t e n to ft h et h e s i si nd e t a i l ，e s p e c i a l l yt o p o l o g y ，c o n t r o lm o d e ，p o w e r c o n s u m p t i o n ，e l e c t r o - m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a l s oi ts u m m a r i z e sa n dc o m p a r e st e c h n o l o g i e so i l t h ea r t c h a p t e r3i n t r o d u c e st o p o l o g yo ft h ec h i p ，d e s c r i b e sp r i n c i p l eo fs y s t e mo f fc h i p ， a n a l y z e ss t a b i l i t y ，a n dg i v e sw o r k i n gm o d e so ft h ec h i pa n dd e s i g nt h es l o p ec o m p e n s a t i o n c h a p t e r4g i v e st h es c h e m a t i ca n di m p l e m a t i o no fe a c hm o d u l e c h a p t e r5p r e s e n t ss y s t e m s i m u l a t i o na n dl a y o u t c h a p t e r6s u m m a r i z e st h et h e s i sa n dd i s c u s s e sf u t u r ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：o f f - l i n es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；h i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ；p w mm o d u l a t i o n ； p s mm o d u l a t i o n ；r a n d o m i z e df r e q u e n c ym o d u l a t i o n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。 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，也不包含为获得逝姿苤鲎或其他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。 学位论文作者签名：灿嗄亏 签字日期： 动汐年多月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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适用本授权书) 学位论文作者虢苑j 叹考导师躲晤锄 。 l 签字日期：功d 年) 月f 0 日签字日期：年月 日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 时光荏苒，转眼间，在浙江大学超大规模集成电路研究所两年半的研究生学习即将告 一段落，有很多不舍和留恋。我想借此机会对在这两年半来指导过我、帮助过我、支持过 我的人表达一下我由衷的谢意。如果没有他们，我的学习就不会有如此进步，我的生活就 不会如此愉快，我的毕业设计也不会如此顺利完成 首先要感谢的是我的导师何乐年教授。进入实验室以来，何老师一直对我悉心指导， 他渊博的知识和丰富的经验不只在科研项目的选择上给我很多宝贵意见，更在科研项目的 进展中给予我专业的指导。他严谨踏实的科研作风和实事求是的治学态度，不只在读书期 间为我树立了榜样，更为我以后的工作与生活指明了方向。在生活上，何老师平易近人的 性格、关爱学生的风范、对学生的理解和宽容使我的生活轻松愉快，并学会了很多为人处 世之道，这些宝贵的财富将使我终生受益。两年半的时间内，何老师谆谆的教导和鼓励， 帮助我完成了科研项目、论文发表和毕业设计，指导我渡过了人生最宝贵的时光。 其次感谢这两年半来指导过我、帮助过我的各位老师。他们有教无类的治学态度和孜 孜不倦的教导不只帮助我解决了学术上的困惑，更让我看到了为人师表的光荣和踏实求是 的学术作风。感谢严晓浪老师、史峥老师、虞小鹏老师、沈海斌老师、王维维老师、竺红 卫老师等，他们拓宽了我的知识视野，完善了我的知识体系，更让我为踏入i c 行业感到 自豪，使我有信心面对以后的工作和生活。 再次感谢陪伴我成长的朋友们。感谢王忆师兄、巩文超师兄、王义凯师兄、陈东坡师 兄、陈琛师姐、张鲁师兄，是他们教会了我很多专业基本技能，更与我分享了很多学习经 验和专业知识。感谢陈俊晓、金津、柯徐刚、叶益迭、朱丽芳、董玲玲、胡博宇、宁致华、 邱建平、邵亚莉等各位同学，两年半来我们一起讨论问题，快乐成长，度过了一个个愉快 的日子。感谢彭曦、李西远、王聪颖、赵青芝等各位朋友，他们一直支持和鼓励着我，是 我生活中的精神支柱和快乐源泉。 最后要着重感谢我的家人，感谢他们二十四年来对我的抚育和培养，感谢他们一直以 来对我默默的关心、理解和支持。 苑婷 2 0 1 0 年1 月于浙大玉泉 浙江大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 近年来，手机、数码相机等便携式电子产品在人们生活中的迅速普及刺激了电源需求 量的快速增长，尤其是开关电源，它以低功耗、轻重量、高效率的特点被广泛应用于便携 式电子产品中。据通讯工业研究者公司发表的市场报告指出，未来几年便携式应用的电源 市场前景非常乐观。便携式电子产品与日俱增的新功能，如手机拍照、上网等，将对电源 管理芯片形成大量新的需求【1 】图1 1 为i s u p p l i 公司( 一家全球领先的针对电子制造领域 的市场研究公司) 对2 0 0 7 年至2 0 1 2 年期间电源管理市场的收入预测【2 ，3 l 。由图中可以看 出，自2 0 0 7 年开始，便携式电源管理系统的收入每年都有显著增长，2 0 1 2 年收入预计增 长至7 8 亿美元，而2 0 1 3 年预计则要超过8 0 亿美元【3 】。日新月异的电子产品促进了电源 管理芯片市场的发展，而电源管理芯片同样给电子产品提供了新的更深入的发展空间。 图1 1i s u p p t i 对电源管理市场的收入预测【3 1 电子产品不仅促进了电源管理芯片市场的发展，也给电源管理芯片市场带来了新的机 遇和挑战。目前，电源管理系统的性能远远跟不上电子产品的发展。便携式产品集成度的 增加对电源管理芯片的效率和功耗有了更苛刻的要求【4 】。不断涌现出的新型电子产品需要 开发新的电源管理系统来配合其使用。这些不断出现的机遇和挑战促进了电源管理领域不 断创新和改进。 本课题就是在电子市场迅猛发展，电子设备需求不断增加的背景下提出的。主要针对 便携式产品中广泛使用的离线式开关电源控制器芯片进行深入的研究，目的是设计出一款 具有高效率、低功耗、低成本、高可靠性的通用离线式开关电源控制器芯片。该芯片可用 于通用开关电源、反激式电压转换器、电源适配器以及电池充电器。 浙江大学硕士学位论文l 绪论 1 2 电源管理芯片的现状及发展趋势 1 2 1 电源管理芯片的现状 目前，电源管理芯片市场发展迅速，销售额和利润都不断增大。很多芯片行业的大公 司都有性能良好的电源管理系列芯片，例如德州仪器( t i ) ，美国国家半导体公司( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ) ，飞思卡尔( f r e e s c a l e ) ，英飞凌( i n f i n e o n ) 等比较著名的公司，均拥有各 式各样的电源管理芯片，包括线性稳压器( l d o ) 、开关稳压器、l e d 驱动器、锂电池充 电器等各个系列的产品。 电源管理芯片市场的不断壮大和效益的不断增长吸引了越来越多的芯片设计公司进 入这一领域，电源管理市场的竞争越来越激烈。激烈的竞争使得电源管理芯片的价格有了 大幅度的下降，影响了很多大公司的经济收入【5 1 。 为了保证充足的市场份额和稳定的经济收入，很多大公司纷纷开发出性能更优秀的高 端电源管理芯片。如德州仪器在2 0 0 9 年2 月推出的高功率d c d c 升压l e d 驱动器 ( t p s 6 1 5 0 0 ) 、高压d c d c 升压转换器( t p s 6 11 7 5 ) ，及降压d c - d c 转换器( t p s 6 2 1l o ) 三款新型电源管理芯片。这三款产品可支持高达1 8 v 的输入电压并具有较小的电压基准， 有助于改进l e d 电路设计【6 】。美国国家半导体公司在2 0 0 8 年1 2 月推出全新系列的高电 压降压控制器，其输入电压可高达7 5 v ，当高电压驱动低电压负载时，效率可达8 5 ，同 时又具有独特的频率抖动功能，可以将电磁干扰的最高振幅减少1 0 d b 或更多 7 1 模拟器 件公司( a d i ) 在2 0 0 8 年1 1 月推出的d c d c 稳压器a d p 2 1 2 1 ，在重载与轻载之间不断 转换时具有出色的瞬态性能和高效率，同时仅有0 6m m 的超薄厚度，在同类产品中尺寸 最小8 1 。这些新产品的不断涌现也证明了电源管理芯片高端化发展的现状。 综上所述，目前电源管理芯片市场竞争激烈，利润不断降低。开发高性能的电源管理 芯片，电源管理芯片市场的高端化发展，已成为众多具有国际领先水平跨国公司的发展路 线。 1 2 2 开关电源芯片的发展趋势 目前，开关电源以体积小、重量轻和效率高的特点被广泛应用于各种便携式电子产品 中，开关电源的发展方向是高频、高可靠性、高效率和低功耗、高集成度、数字化。 ( 1 ) 高频化 浙江大学硕士学位论文l 绪论 在一定范围内，开关频率的提高，可以在相同大小纹波的情况下有效地减小滤波器 元件如电容、电感及变压器等的尺寸，而且还能提高系统的响应速度，改善系统的动态性 能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向p 1 。 据有关资料显示，1 9 8 0 年以前，开关电源的频率为2 0 5 0k h z ，随着技术的不断创 新和发展，现在2 0 5 0 0k h z 已成为输出1 0 0w 以下开关电源的标准开关频率。特殊制造 的小功率开关电源，其开关频率已经达到了几兆赫【1 0 】。 ( 2 ) 高可靠性 电源是电子产品工作的基本保障，其可靠性直接关系到电子产品的质量和性能，因此， 实现电源的稳定和可靠始终是工程师不断的追求。 要提高开关电源的可靠性，首先要完善开关电源的保护功能。如现在市场上的开关电 源普遍具有过流保护、过压保护，温度保护等等。这些功能的完善，实现了电源系统的高 可靠性。此外，构成开关电源的元器件的寿命威胁着开关电源的寿命。因此，为了提高开 关电源的可靠性，不仅需要开发和研究新的元器件，而且要从设计方面着眼，尽可能使用 较少的器件开关电源的简洁化也成为一种新的发展趋势【“】。 ( 3 ) 高效率和低功耗 目前，能源问题成为限制未来社会发展的重要问题。减小电源管理芯片的功耗，提高 电能转换效率成为一种发展趋势。 电源管理芯片的功耗分为开关功耗、静态功耗和传输功耗其中，开关功耗的产生是 因为功率管在开关过程中存在电压和电流的交叠，与开关频率有关，高频化会提高芯片的 开关功耗。软开关技术避免了电压和电流的交叠，从而大大减小了开关功耗 9 , 1 2 1 采用这 种方式在理论上可以把开关功耗降到零，而且噪声小，成为解决高频化与低功耗矛盾的主 要方式。 越来越多的产品向高效率方向发展。据析，最近国外小功率d c d c 开关电源转换器 模块( 4 8 1 2 v ) 总效率可以达到9 6 ；4 8 5 vd c d c 转换器开关电源模块的效率可以达 到9 2 9 3 1 0 1 ( 4 ) 高集成度 高集成度是电子产品发展的另一个趋势。以手机为例，目前的手机集成了拍照、听音 乐、播放视频、上网等功能。不同功能需要不同的供电系统，为了保证电子设备的小体积 和轻重量，开发出了高集成度的开关电源管理单元( p o w e r m a n a g e m e n tu n i t ，p m u ) 1 1 3 1 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 开关电源管理单元( p m u ) 是将分立的若干类电源管理模块整合在单个的封装之内， 从而实现更高的电能转换效率和更低的功耗4 1 。它可以使不同的电源管理模块，如低压差 线性稳压器( l d o ) 、直流一一直流转换器( d c d c ) 等，都被集成到同一块芯片中。 电子产品多功能的集成促进了开关电源管理单元市场份额的提高。开关电源管理单元 内部集成的多种电源管理模块可以驱动多种不同功能的电路模块，如手机中的屏幕供电， 拍照的相机供电、音乐播放器的供电等。这样使用较少的芯片和元器件就可以解决整个手 机的供电问题。p m u 由于使用的简洁以及高集成度，将会有更大的发展前景【2 1 ( 5 ) 数字化 数字化正在成为模拟芯片设计中的另一个发展潮流。模拟控制方法存在控制电路复 杂、元器件多以及控制电路一旦成型很难修改等缺点，很难满足顾客某些定制的要求。数 字化的“特制”、“多功能”、“顾客完结型”的特征正能解决这个问题”。1 引。 顺应时代的发展趋势，越来越多的数字化开关电源被提了出来。这些数字化开关电源 的原理如图1 2 所示。一般采用模数转换器( a d c ) 对反馈电压进行模数转化，继而由离 散数字控制模块计算出导通周期，最后由数字脉宽调制( d i g i t a l l y p w m ) 模块控制开关管 的数字化p w m 控制器 1 7 - 2 0 l ，不仅提高了可控性，同时提高了抑制开关噪声的能力。相信 在不久的将来，会不断有更成熟的数字化开关电源被开发出来。开关电源的数字化发展将 有更大的空间。 4 i 舅皇撞撇一： 图1 2 数字化开关电源的原理图 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 课题意义 稳压电源是便携式电子产品中必不可少的一部分。根据不同的工作原理，稳压电源可 以分为线性电源、开关电源及电荷泵电源三种。其中，开关电源是通过控制开关功率管的 导通和关断时间来稳定输出电压的一种电源，它一般由控制芯片和外围电路组成。与线性 电源相比，开关电源具有高效率、低功耗、轻重量、稳压范围宽等特性，如表1 1 所示【l 。 这些特性使得开关电源具有广阔的发展空间。 开关电源分为直流开关电源和交流开关电源。直流开关电源是将固定的直流电压变换 成可变的直流电压。交流开关电源是将交流变换为直流。它的输入为交流电压，输出为可 变的直流电压。由于目前市电为交流电，所以交流开关电源具有更广泛的应用。 离线式开关电源( o f f - l i n es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 是交流开关电源的一种。它是交流 一一直流( a c d c ) 变换；通过整流将交流变为直流后，又作了直流一一直流( d c d c ) 变换【9 1 。因为系统中存在高频变压器隔离，所以称为离线。目前，大多数2 0 0 w 以下的电 子设备，如电源适配器、充电器、电视机等等，都是采用离线式开关电源。离线式开关电 源的主要结构图1 3 所示。由图1 3 可知，开关电源主要由变压器、控制芯片、开关管、 电容、电感及二极管等基本电路元件组成。开关电源稳压功能和抗干扰能力主要通过控制 芯片来实现。所以，高效率、低功耗和高可靠性成为控制芯片设计中需要考虑的主要问题。 表1 1 线性电源与稳压电源的比较1 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 电压 输入 塞 出 图1 3 离线式开关电源的主要结构 控制芯片是离线式开关电源的核心，决定了离线式开关电源的性能。现有的离线式开 关电源的主要研究方向是低功耗和高电能转换效率。广泛采用的控制方式包括脉冲宽度调 制、脉冲频率调制、谐振调制和脉冲跨周期调制，这些控制方式的结合使用可以实现不同 负载下的高效率和低功耗。本课题的目的就是要设计一款应用于离线式开关电源的控制芯 片，来完成复杂的控制功能，实现低功耗和高电能转换效率，对于开关电源的发展具有重 要意义本课题基于c m o s 混合信号工艺实现，体积小，可靠性高。可广泛应用于电池 充电器、电源适配器、通用离线式开关电源等 1 4 课题的主要工作与论文结构 本课题主要针对离线式开关电源控制器芯片进行研究和设计。在对开关电源进行了拓 扑分析、控制模式分析、低功耗分析与深入研究后，提出了一种基于脉冲宽度调制的高效 率、低功耗的离线式开关电源控制器芯片，对片外n p n 三极管进行射极驱动。该控制器 芯片采用脉冲宽度调制( p w m ) 与脉冲跨周期调制( p s m ) 结合的方法，既保证了重载 时的小纹波与负载调整率，又提高了轻载时的转换效率采用峰值电流控制模式，在反馈 电压小于4 7 5 v 时采用脉冲宽度调制，在反馈电压大于4 7 5 v 时采用脉冲跨周期调制。此 外，该芯片还具有短路保护、过压保护、欠压保护、内部电流斜率补偿、电流采样死区控 制等功能，从而实现了该芯片应用的完善性与可靠性为了降低系统的电磁干扰，芯片采 用频率扩展的技术来拓宽频谱，从而减小了系统的电磁干扰。该芯片只有三个引脚，电路 结构简单，面积小，成本低，可靠性高。本设计基于t s m c 公司的0 61 t mb c d 信号模型 实现，基于该芯片的典型应用锂电池充电器系统进行仿真。仿真结果表明，该芯片可实现 锂电池充电器的恒压充电和恒流充电及相互之间的平稳过渡，具有良好的负载调整率和输 入电压调整率，可实现脉冲宽度调制与脉冲跨周期调制的转换。芯片的最大效率可达9 8 。 6 浙江大学硕士学位论文1 绪论 该芯片适于于大范围交流输入( 8 5 2 6 4 v ) 的锂电池充电器或电源适配器。该芯片已完成 版图的绘制并送去流片。 本论文各个章节的安排如下： 第一章：绪论。介绍了本课题的背景、电源管理芯片发展的现状、发展趋势和本课题 的研究意义。随后，该章节简单介绍了本课题的主要研究工作及达到的目标和效果。最后， 该章节总结了本课题的创新点 第二章：离线式开关电源的系统分析。主要从系统角度对开关电源进行原理性的分析， 具体分析了开关电源目前主要的拓扑结构、控制模式和功耗、电磁干扰、传递函数及频率 补偿，分别对以上各点进行了总结和比较。 第三章：离线式开关电源的系统设计。主要介绍本课题片外电路的设计与应用，并给 出了片内系统的工作原理，详细模块图和工作状态转换图，以及斜坡补偿的设计与计算。 第四章：离线式开关电源的系统实现。对片内各个模块进行了详细的分析与设计，并 给出了具体的电路图与仿真图。 第五章：系统仿真与版图。主要完成系统功能的仿真，如锂电池充电过程、负载调整 率、输入电压调整率、转换效率等等，并给出了整个芯片的版图。 第六章：总结与展望。对本课题的设计工作进行了总结，并对未来的发展进行了展望。 1 5 课题的主要创新点 本课题设计并实现了一款基于脉冲宽度调制的高效率、低功耗的离线式开关电源控制 器芯片。主要创新点有以下几点： ( 1 ) 脉冲宽度调制( p w m ) 与脉冲跨周期调制( p s m ) 结合的控制方法 本课题采用脉冲宽度调制与脉冲跨周期调制结合的方法来达到高效率、低功耗的要 求。在重载时，反馈电压小于4 7 5 v ，采用传统的脉冲宽度调制的方法。当系统轻载时， 反馈电压大于4 7 5 v ，此时，系统停止输出控制脉冲，功率开关管处于关闭状态。芯片内 部不断检测反馈电压的大小，直到反馈电压重新小于4 7 5 v ，系统进入正常的脉冲宽度调 制为止，即脉冲跨周期调制方式。采用脉冲宽度调制与脉冲跨周期调制结合的方法，能够 在轻载时有效地减小功率开关管的开关损耗，从而保证了较高的电能转换效率。 ( 2 )频率扩展的方法降低系统的电磁干扰( e m i ) 开关电源是一个电磁干扰源。为了降低开关电源本身的电磁干扰，本课题采用了频率 浙江大学硕士学位论文1 绪论 扩展的方法，使原本固定的开关频率在一定范围内( 本课题是1 k h z ) 抖动开关频率固 定的开关电源的电压与电流的高次谐波总是固定在几个频率上，会形成数值很大的尖峰， 而频率扩展的方法虽然不能降低电压与电流的总能量，却可以将这些高次谐波平稳分散在 各个频率上，从而使电压和电流的功率谱密度( p s d ) 曲线平坦化，以达到降低电磁干扰 的效果。 ( 3 ) 引脚复用 本课题将功率开关管集成在芯片内部，芯片与外部只有三个接1 ：1 ：电源电压v d d 端、 驱动电压d r v 端和接地端g n d ，电路结构简单。其中，电源电压v d d 端是复用端口， 同时作为供电电压端口和反馈电压检测端1 3 驱动电压d r v 端在上电时是高压电源输入 端口，整个芯片通过d r v 端口获得电能启动芯片正常工作时，d r v 端1 1 1 则成为了驱动 端口，根据内部输出的p w m 脉冲信号，对片外的n p n 三极管进行射极驱动。 浙江大学硕士学位论文 2 离线式开关电源的系统分析 离线式开关电源的系统分析 本章节主要针对离线式开关电源的系统原理进行研究和分析。首先介绍了现有的离线 武开关电源的拓扑结构，即初级线圈反馈与次级线圈反馈，并对两种拓扑进行了比较。其 次，研究了目前开关电源主要的控制方式及优缺点。第三，分析了开关电源的功耗来源及 有效的减小开关电源功耗的方法。第四，分析了电磁干扰的来源及目前广泛使用的抑制电 磁干扰的方法。最后，分析了常用的拓扑结构的传递函数及通用的频率补偿方法。 2 1 拓扑分析 离线式开关电源的主要特点是系统中使用变压器，将输出电压端口与输入电压端口进 行了隔离。变压器包括初级线圈和次级线圈，针对检测反馈电压的位置，离线式开关电源 主要有初级端口反馈模式和次级端口反馈模式两种。 2 1 1 初级端口反馈 初级端口反馈模式主要检测初级线圈的端口电压而不是次级线圈的端口电压。由于电 压输出端在次级线圈，所以初级端口反馈模式存在电压检测不精确的问题。图2 1 为典型 的初级端口反馈模式的离线式开关电源控制器。它包括变压器、控制芯片、功率开关管、 分压电阻、电流检测电阻和其他一些电路元件。其中，变压器含有三个线圈，分别为初级 线圈n p 、次级线圈n 。和辅助线圈n 。当芯片上电时，k 。输入高压电压，电阻岛与电容 c d 为芯片的电源电压v c c 提供足够稳定的电压，从而使芯片内部上电。当电路工作稳定 时，芯片由变压器的辅助线圈n 。通过二极管d 1 和电容c d 来供电。输出电压经过辅助线 圈n a 回到初级端口，经过二极管伤、r l 与飓分压后进入芯片反馈电压f b 端。电阻凡 检测初级线圈n d 的电流，并将检测到的电流反馈到c s 端，内部电路经过检测反馈电压和 电流从而调节功率开关管的开启与关闭。这是一个典型的电流与电压双环控制的离线式 p w m 开关电源控制器。 初级端口反馈控制方式的缺点是负载调整率的局限性。由于变压器的漏感功耗随输出 电流变化较大，影响变压器的耦合功能，辅助线圈不可能精确的反映次级线圈输出电压的 变化。当控制器工作在断续工作状态时，由于次级线圈中没有电流流过，辅助线圈的寄生 电容和电感会发生谐振，从而也影响了反馈电压的精确性。一般来说，负载变化在1 0 一 9 浙江大学硕士学位论文2 离线式开关电源的系统分析 1 0 0 之间时，负载调整率是理想的，当负载变化为1 0 以下时，负载调整率将会非常差 因此，采用初级端口反馈模式的离线式开关电源控制器面临着改善负载调整率的问题 2 1 2 3 2 1 2 次级端1 3 反馈 塞 出 图2 1 初级端1 3 反馈模式的离线式开关电源控制器 由上一小节所述，初级端口反馈模式存在反馈电压不准确的问题，为了更准确地反映 负载的变化，可以将反馈电压直接放在次级端口。但是，离线式开关电源一般应用于输入 为高压，输出为低压的情况，初级端口的高压可能会损坏次级端1 5 1 的反馈电路。为了安全， 一般会在初级线圈与次级线圈间进行隔离。所以，通常将高压控制电路放在初级端口，次 级电路的反馈电压通过光耦合器反馈到初级，从而使次级电路的输出电压或电流得到控 制。 图2 2 所示为典型的次级端口反馈模式。与初级端口反馈模式类似，咫检测初级线圈 的电流，采用峰值电流与电压双环控制模式辅助线圈n a 在系统稳定工作时对芯片提供 电压。次级端口反馈模式的主要特点是反馈电压直接从次级的输出电压进行检测，通过光 耦合器进入到控制器的反馈电压输入端。这样的好处是反馈电压不受变压器漏感等因素的 影响，比较准确，因此，负载调整率比较高，负载变化可以从0 至1 0 0 。所以，目前大 多数离散式开关电源都采用次级端1 ：3 控制的方式进行反馈2 4 2 7 1 。 次级端1 3 控制模式的缺点是电路复杂，光耦合器等反馈网络的加入增大了电路的尺寸 和功耗，效率较低。 1 0 浙江大学硕士学位论文2 离线式开关电源的系统分析 2 2 控制模式分析 塞 出 图2 2 次级端口反馈模式的离线式开关电源控制器 开关电源由控制芯片和外围器件两部分组成，控制芯片的功能是在输入电压或外接负 载变化时，快速调节开关功率管的导通和关断时间，使系统的输出电压或者电流保持恒定。 因此，开关电源的设计中，控制方法的选择和设计对于开关电源的性能十分重要。采用不 同的检测信号和不同的控制电路会有不同的控制效果。 2 2 1 按导通时间的不同 按照导通时间的不同，开关电源主要有三种控制方式：脉冲宽度调制方式( p w m ) 、 脉冲频率调制方式( p f m ) 和谐振调制方式2 引。 ( 1 ) 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 ) 脉冲宽度调制固定开关频率，通过改变脉冲宽度( 即功率开关管的开通和关断时间) 来改变占空比，从而调整输出电压或电流的值。当负载电流较小时，由于开关频率恒定， 开关功耗所占的比例增大，从而减小了电能转换效率。脉冲宽度调制在负载电流较大的电 路中效率较高，负载调整率好，纹波小，目前，使用最广泛的依然是脉冲宽度调制。 ( 2 ) 脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p f m ) 脉冲频率调制通过改变开关频率来改变占空比。由于开关频率不固定，增加了输出滤 波器设计的难度。 脉冲频率调制有开通时间恒定、关断时间恒定和迟滞比较等几种控制方式【2 9 1 。在负载 为大电流时，脉冲频率调制效率较低，但在系统轻载时，由于频率降低，减小了开关功耗， 能够达到很高的效率。因此，现今流行的高效率开关电源一般采用p w m 与p f m 相接合 的方式，在重载时采用p w m 方式控制环路，在轻载时采用p f m 提高效率。 浙江大学硕士学位论文2 离线式开关电源的系统分析 ( 3 ) 谐振调制方式 传统的开关电源在开关过程中，存在开关功率管中电压和电流的交叠，因而开关损耗 大，而且开关频率越高，开关损耗越大，限制了开关电源的高频化发展。谐振调制方式利 用谐振原理，使开关元件中电流( 或电压) 按正弦或准正弦规律变化，避免了开关过程中 电压和电流的交叠，从而开关损耗为零9 1 谐振调制方式减小开关损耗的优越性使得越来 越多的开关电源使用这种技术，并出现了越来越多的设计方案【3 0 3 2 1 。虽然谐振调制方式有 效地减小了开关损耗，但由于谐振网络集成度不高，一般不用于便携式电子设备。 2 2 2 按检测信号的不同 按照检测信号的不同，开关电源的控制方式可以分为电压型控制、电流型控制和电荷 控制例。 ( 1 ) 电压型控制 电压型控制是发明最早，使用最广泛的控制方法。其典型结构如图2 3 所示，一般由 误差放大器、p w m 比较器、开关网络及反馈电阻组成。输出电压圪m 经过反馈电阻辟l 和r f 2 的分压后，输入误差放大器中。误差放大器将反馈电压与基准电压f 进行比较， 产生放大信号圪，输入到p w m 比较器中。而p w m 比较器将圪信号与频率固定的锯齿 波进行比较，从而产生频率固定，占空比与圪相关的p w m 波形信号p w m 波形 圪通过驱动器d r i v e r 的放大后输入到开关网络，控制开关管的导通与关闭，从而调节了输 出电压m 具体过程如图2 4 所示。 电压型控制只检测输出电压一个变量，因此只有一个控制环路，设计比较简单。负载 的变化能够及时反馈到控制环路，负载调整率比较好。大负载电流时，转换效率比较高。 然而，由于开关系统中存在两个状态变量，即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的 电流，电压型控制没有反馈电感电流，存在不稳定因素，因此需要对补偿网络进行精心设 计和计算，以保证系统稳定工作。此外，输入电压的变化必须首先转化为输出电压的变化， 再经过反馈网络的调节才能稳定输出电压，因此，电压型控制对输入电压的变化响应较慢， 当小负载电流时，转换效率比较低3 引 浙江大学硕士学位论文2 离线式开关电源的系统分析 锯 v s a w v e v p 图2 3 电压型控制结构图 图2 4 电压型控制的过程图 ( 2 ) 峰值电流控制 峰值电流型控制保留了电压型控制的输出电压反馈环，在此基础上增加了电感电流反 馈环，加快了系统的负载调整率和输入电压调整率，使系统的性能有了明显提高。越来越 多的开关电源开始使用这一技术并做了深入的研究瞰3 6 1 。文献 3 5 】提出了一种片内的电流 检测结构并详细介绍了应用此结构实现的峰值电流控制模式的d c d c 转换器并做了仿真 与测试。文献 3 6 分析了峰值电流控制模式的直流转换器的工作原理并总结了该结构的闭 环传递函数及用升压( b o o s t ) 电路做实验进行验证。 峰值电流控制模式的结构图如图2 5 所示。主要有两条反馈环路：电压反馈和电流反 馈。电流检测模块检测电感电流，并将电感电流转化为电压圪，同时，输出电压经过腓l 和尺f 2 分压后的电压输入到误差放大器中。误差放大器将与基准电压f 进行比较， 输出一个圪。p w m 比较器不是将圪与标准的三角波进行比较，而是与k 进行比较。在 每个周期开始时，开关导通，电感电流增大，厶与以上升。 - 3k 上升到圪时，p w m 比 较器翻转，输出驱动信号，通过逻辑控制与驱动电路的放大后，关断开