（电路与系统专业论文）一种新型负载均流控制芯片的设计.pdf

y 8 7 6 3 9 2 摘要 现代分布式电源系统因具有良好的可扩展性、可靠性和冗余性，获得了臼 趋广泛的应用，使得电源模块的并联控制技术得到了高度重视和发展。若没有负 载均流技术对各独立电源模块的负载电流进行均衡控制，则并行联接的电源模块 的负载电流会产生失衡，亦衍生热应力的不平衡等，降低了电源系统的稳定性， 严重时使整个系统不能正常工作，甚至导致过载运行模块的失效。 本文在分析了解当前负载均流技术的发展现状与趋势的基础上，提出一种 采用主从控制自动均流方式工作的均流负载控制芯片的设计并予以实现。芯片设 计在b c d 工艺的支持下完成。针对此类电路对耐压与功率的要求，以及数模混 合集成的特点，在系统、电路与版图实现中充分考虑了各种因素的影响，充分发 挥了b c d 工艺的优点，取得了较为理想的结果。 论文详细讨论了芯片所用到的关键电路模块的电路设计、系统设计以及后 端设计，并进行了相应的优化工作。所设计电路的性能指标已达到设计要求，其 特点是稳定性好、可靠性高、工艺性好，能够在比较大的电源电压和环境温度变 化范围内难常工作。由于充分考虑了工艺误差，电路可在制造厂家给定的工艺误 差范围内正常工作。在版图设计中全面考虑了热源、大电流、数字噪声和高频噪 声影响等因素，采用了一系列措施提高器件的匹配性，改善器件工作的稳定性， 并且设置了微调电阻以提高精度。 由于解决了模拟与数模混合集成电路尤其是功率集成电路设计中的一些技 术难点问题，包括数字模块与模拟模块的兼容问题，耐压问题等，设计的电路已 流片成功，测试结果表明，所设计的电路功能和特性已成功实现。包括均流控制、 主要电路模块的设计，以及版图设计中的成功处理为此类芯片的开发积累了成功 的经验，可望应用于其它电源管理集成电路的设计。 关键词：负载均流；主从控制自动均流方式；均流负载总线；并行电源系统； b c d 工艺 a b s t r a c t r e c e n t l y , d u et o t h ei n t r i n s i ce x c e l l e n te x p a n s i b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds y s t e m r e d u n d a n c yf o rs e l f - r e p a i r i n g ，d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m sc o n s t i t u t e db yp a r a l l e l e da n d i n d e p e n d e n tp o w e rs u p p l ym o d u l e sh a v eh a dm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n s a n di t b r o u g h tt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h el o a ds h a r ec o n t r o lt e c h n o l o g yf o rp a r a l l e l e d p o w e rm o d u l e s o r s u p p l i e s a n da t t r a c t e dm o r ea r e n t i o n st oi t s i m p r o v e m e n t ， w h i t h o u ti tt h eu n b a l a n c e sb e t w e e nl o a dc u r r e n t so fd i f f e r e n tm o d u l e si nap a p r a l l e l p o w e rs y s t e mw i l lo c c l l ra n db r i n ga b o u tt h et h e r m a ls t r e s su n b a l a n c eb e t w e e nt h e m a sw e l l t h u st h es y s t e mw i l lb e c o m eu n s t a b l ea n de v e nr e s u l t e di nf a i l u r e a n ds o m e m o d u l e sw i l lb eo v e r l o a d e de v e nd e s t r o y e d i nt h et h e s i s ，al o a ds h a r ei cw i t ht h ea u t o m a t i cm a s t e r - s l a v ec o n t r o l ( m s c ) o p e r a t i o nm o d e lw a ss u g g e s t e db a s e do na n a l y s i so ft h ed e v e l o p m e n to ft h el o a d s h a r i n gt e c h n i q u e a si ti sat y p i c a la n a l o ga n dm i x e ds i g n a lp o w e ri c ，t h es p e c i a l p r o c e s s ，b c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) p r o c e s s ，w a sa d a p t e dt h a tw a se s p e c i a l l y s u i t a b l ef o rt h ec h i p sw o r k i n gu n d e rh i 幽v o l t a g ea n dl a r g ec u r r e n tc o n d i t i o n s t h ei c w a sa c c o m p l i s h e db a s e do nt h i sp r o c e s sa n dv a r i o u si n f l u e n c e sw e r es y n t h e t i z e di n t h ed e s i g no f i t ss y s t e m ，c i r c u i t s ，f l o o r p l a na n dl a y o u t t h ed e s i g no fs o m ek e ym o d u l e sa n ds y s t e ma sw e l la st h eb a c ke n dd e s i g nw e r e d i s c u s s e di nd e t a i l s a l lt h e s ew e r eo p t i m i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e p e r f o r m a n c e so f t h ec h i pm e tt h es p e c i f i c a t i o n sw e l l t h eh i 曲s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n d f e a s i b i l i t yc o u l db ee x p e c t e da n dt h ec h i pc o u l dw o r kp r o p e r l ya n de f f i c i e n t l yi na w i d ev a r i a t i o nr a n g eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r ea n ds u p p l yv o l t a g ef l u c t u a t i o n m u c h a t t e n t i o nw a sp a i do nf l o o r p l m aa n dl a y o u td e s i g ni n c l u d i n gi n f u e n c ef r o mh e a t ，l a r g e c u r r e n t ，d i g i t a ln o i s ea n dh i g hf r e q u e n c yn o i s e t h ec h i ph a sb e e nt a p e d - o u ta n d t e s t e d s o m et e c h n i c a lp r o b l e m sh a v eb e e ns e t t l e di np o w e ri cs u c ha sc o m p a t i b i l i t y b e t w e e nd i g i t a la n da n a l o gm o d u l e s ，w i t h s t a n dv o l t a g e ，e t c t h et e s t i n gr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ee x p e c t e df u n c t i o n sa n df e a t u r e sw e r er e a l i z e ds u c c e s s f u l l y a n d i i e x p e r i e n c e si nc i r c u i td e s i g na n dl a y o u tc a n b er e f e r e n c e di nd e s i g no fd i f f e r e n tp o w e r m a n a g e m e n ti c s t e s ts h o w e dt h a tt h ee x p e c t e df u n c t i o n sw e r ea c h i e v e da n dm a i nf e a t u r e sm e t t h er e q u i r e m e n t sw e l l k e y w o r d s ：l o a ds h a r e ；a u t o m a t i cm a s t e r s l a v ea r c h i t e c t u r e ；l o a ds h a r eb u s ； p a r a l l e l e dp o w e rs y s t e m s ；b c dt e c h n o l o g y i i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 大量电子设备，特别是服务器、通讯、工作站等的广泛应用，要求组建一个 大容量、安全可靠、不间断供电的电源系统。如果采用单台电源供电、该变换器 势必处理巨大的功率、电应力大，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提 高带来困难。并且一旦单台电源发生故障，则导致整个系统崩溃。采用多个电源 模块并联运行，来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向。并联系统中每个 模块处理较小功率，解决了上述单台电源遇到的问题 1 1 1 2 3 1 上世纪八十年代起，分布式电源供电方式成为电力电子学新的研究热点。相 对于传统的集中式供电，分布式电源利用多个中、小功率的电源模块并联来组建 积木式的大功率电源系统。在空间上各模块接近负载，供电质量高，通过改变并 联模块的数量来满足不同功率的负载，设计灵活，每个模块承受较小电应力，开 关频率可以达到兆赫级，从而提高了系统的功率密度 4 儿5 】 6 。 大功率输出和分布式电源，使电源模块并联技术得以迅速发展。但是一般情 况下不允许模块输出间直接进行并联，必须采用均流技术以确保每个模块分担相 等的负载电流，否则，并联的模块有的轻载运行，有的重载甚至过载运行，输出 电压低的模块不但不为负载供电，反而成了输出电压高的模块的负载，热应力分 配不均，极易损坏。这将使系统的稳定性降低，会给生产和生活带来严重的后果， 而且电源模块自身的寿命也会大大缩短。国外有资料表明，电子元器件在工作环 境温度超过5 0 c 时的寿命是在常温( 2 5 c ) 时的1 6 。因此，使各并联电源模块 的输出电流平均分配，是提高并联电源系统稳定性的一个必须解决的问题 7 】。 对于多个模块并联运行电源系统的基本要求：一是输入电压或者负载发生变 化时，保持输出电压稳定；二是控制各模块的输出电流，实现负载电流平均分配， 均流动态响应良好。为提高系统可靠性，并联系统应该具备以下特性：实现冗余， 当任意模块发生故障时，其余模块继续提供足够电能，整个电源系统不会崩溃； 实现热拔插，电源系统真正意义上的不间断供电；均流方案无需外加均流控制单 元：使用一一条公共的低带宽均流总线来连接各模块单元【8 9 。 目前，许多公司( t i 、a d 、m a x i m 、l i n e a r 、c y p r e s s ) 都推出了针对不同 用途的负载均流控制器芯片和支持热插拔功能的各类控制、接口芯片。至今这些 控制器和芯片成功地在计算机板卡、磁盘冗余阵列、计算机外设测试台、限流器、 浙江大学硕士学位论文 网络路由器、远程接入服务器、网络交换器、i s d n 等中得到了广泛的应用。但 是在微机通用外设、接口方面的应用还跟不上市场的需求，特别给计算机外设生 产厂家、电脑销售维护商在外设的在线测试、维修方面带来不便，造成工作效率 下降。另外，目前的负载均流控制设备售价较高，不易推广普及。因此可以认为， 根据我国电子信息产业发展和市场的要求，研究开发超大规模集成电路设计业急 需的、具有良好应用前景的负载均流控制芯片，对于促进我国集成电路产业的发 展，具有一定的现实意义。 本章作为绪论部分，主要论述以下几方面内容： 国内外相关技术的背景和现状 负载均流控制芯片的发展趋势 本文的研究内容及设计目标 浙江大学硕士学位论文 第一节国内外相关技术的背景和现状 负载均流控制芯片实质上是电源管理芯片的一种。所谓电源是利用电能转 换技术将市电或电池等一次电能转换成适合各种电对象的二次电能的系统或装 置。只要用电就离不了电源。从文化娱乐、照明、办公，到医疗卫生、通讯、航 天航空、海洋资源利用等现代生活的各个方面，我们都需要高性能、智能化的电 源 1 0 1 1 。 电源技术在近4 0 年来得到了长足的发展，特别是随着微电子技术的发展， 电力电子学在近年来更是突飞猛进，已经发展成为相对独立的学科门类。美国权 威教授b k b o s e 认为：“电力电子技术在世界范围的工业文明发展种所起的关 键作用可能仅次于计算机”，并将在2 l 世纪对“工业自动化、交通运输、城市供 电、节能和环境污染控制等方面产生巨大的推动作用”。 电力电子技术的发展，使得直流开关技术广泛应用于通信、计算机、电力 系统、空间站等领域。众所周知，笨重、低效、可靠性差的电源装置已经被体积 小、重量轻的高效电源所取代。而由微电子技术所实现的脉冲宽度调制( p w m ) 变换器则是现代高效、智能化电源的基础和核心。为了实现电源装置的高性能、 高效率、高可靠性，同时减小其体积和重量，人们提出了谐振变换器( r e s o n a n t c o n v e r t e r s ) 、准谐振变换器( q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 和多谐变换器 ( m u l t i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 、零电压开关( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) p w m 变换器 和零电流开关( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) p w m 变换器、零电压转换( z e r ov o l t a g e t r a n s i t i o n ) p w m 变换器和零电流转换( z e r oc u r r e n tt r a n s i t i o n ) p w m 变换器。将 微电子技术同这些新兴的电力电子技术相结合则是所谓的智能电源技术，它无疑 会对电源技术带来一场革命。负载均流控制芯片就是在计算机技术和应用的发 展，互联网在公司、企业中广泛应用的背景下，越来越受到人们的重视 1 2 。 总之，负载均流控制芯片是微电子技术、网络技术和电力电子技术三者相 结合的产物，它既推动了电力电子技术的发展，更是s o c ( s y s t e mo nc h i p ，简称 s o c ) 发展所必需的技术。 以下介绍与本文相关的技术背景： 1 集中式电源系统和分布式电源系统 集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差 浙江大学硕士学位论文 降低了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。 分布式供电系统因供电单元靠近负载，改善了动态响应特性，供电质量好，传输 损耗小，效率高，节约能源，可靠性高，容易组成n + 1 冗余供电系统，扩展功 率也相对比较容易。所以采用分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求 1 3 1 4 】 1 5 】。 2 直流稳压电源并联扩容的要求 直流稳压电源并联扩容需满足以下要求 1 6 1 7 ： ( 1 ) n + m ( m 表示电源系统冗余度) 个电源模块并联扩容后，总电源系统的 源电压效应，负载效应，瞬态响应等技术指标都应保持在系统所要求的技术指标 范围内： ( 2 ) 每个直流稳压电源模块单元具有输出自动均流功能； ( 3 ) 采用冗余技术，当某个电源模块单元发生故障时，不影响整个电源系统 的正常工作，电源系统应有足够的负载能力； ( 4 ) 尽可能不改变电源模块单元的内部电路结构，确保电源系统的高可靠 性。 ( 5 ) 对公共均流总线带宽要小，以降低电源系统噪声； ( 6 ) 确保每个供电单元分担负载电流。即通过并联均流应使接个电源系统像 一个整体一样工作，同时通过并联均流技术使整个供电系统的性能得到优化。 3 并联特性及均流一般原理 图l _ 1 为两个模块并联工作时的等效电路及其外特性曲线。如果两个模块的 参数完全相同，即v 1 m a x = v 2 m a x ，r 1 = r 2 ，两条外特性曲线重合，负载电流 均匀分配。如果其中一个模块的电压参考值较高，输出电阻较小( 外特性斜率小) ， 如图1 1 中的模块1 ，则该模块将承受大部分负载电流，负载增大，模块1 将运 行于满载或超载限流状态，影响了系统可靠性。 j u f v 啦 v ( a ) 并联等效电路( b ) 输出外特性 图1 1 两个模块并联均流原理图 4 浙江大学硕士学位论文 可见，并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流，外特性的差异 是电流难以均分的根源。均流性能的优劣用均流精度来衡量。均流精度定义为： c s e r r o r = a l o m a x ( 1 0 i n ) 式中n 为并联模块数，i o 为负载电流，i o m a x 为最大电流与最小电流之 差。 正常情况下，各并联模块输出电阻是个恒值，输出电流不均衡主要是由于各 模块输出电压不相等引起。均流的实质即是通过均流控制电路，调整各模块的输 出电压，从而调整输出电流，以达到电流均分的目的。一般开关电源是一个电压 型控制的闭环系统，均流的基本思想是采样各自输出电流信号，并把该信号引入 控制环路中，来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注入点，可以直接调节 系统基准电压、反馈电压误差、或者反馈电流误差，形成多种均流方案，以满足 不同的稳态性能和动态响应。 4 国内外常用的几种均流方法 1 8 1 9 2 0 根据并联电源系统中模块之间有无传递均流信号的互连线，所有均流方法 可归成两大类：下垂法和有源均流法，下垂法为模块之间只有输出端导线相连； 有源均流法除了连接输出导线外，还用均流母线把各模块连在一起。此外还有一 些其他控制方法，如外部电路控制法，强迫均流法等。 4 1 下垂法 下垂法( 又叫斜率法，输出阻抗法) 是最简单的一种均流方法。其实质是 利用本模块电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使 外特性的斜率趋于一致，达到均流。 实现方式有二种： a u o 固定，改变斜率 b 斜率固定，改变输出电压 ( 1 ) 工作原理和特性曲线 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 工作原理 麓阁池 f、 ( b ) 特性曲线 倒1 2 下垂法 见图1 2 ( a ) 、( b ) ，图中a i m a x = a u o i m a r d a u s l o p e ，内阻r o = a u o a i o ， 当单元输出电流i 。1 增加时，i o l 在电流检测电阻r s 上的压降增加，致使a l 输 出电压增加，与单元电压反馈信号u f 叠加后送至a 2 反相输入端，经a 2 放大后 输出u r 变负，利用这个【行电压控制单元输出电流，从而实现均流。 由图1 1 ( b ) 可以看出：当典型值u o = 土- 0 1 ，a u s l o p e = a ：2 ， 则i m a x = 0 0 5 i m a x ，即调整精度为5 。这种调节精度对大多数调节系统来 说是能接受的。 ( 2 ) 下垂法特点 小电流时均流效果较差，这点可从公式i m a x = o 0 5 i m a x 看出。 大电流时均流效果较好。 对电压源来说，内阻r o ( 斜率) 应越小越好，但是这种均流方法利用改 变r 0 来实现均流，降低了电源输出的负载特性，即以牺牲电路的技术指标来实 现均流。 随着微处理器技术的发展，这种方法很容易实现程控，从而实现比较理 想的均流控制特性。 4 2 有源均流法 有源均流法是均流方法中的一大类别，其特征是采用互连通讯线连接所有的 并联模块，用于提供共同的电流参考信号。一般并联变换器采用电流型控制，即 电流内环和电压外环双环控制，以下把功率级和电流内环作为变换器的基本单 元。在基本单元外设计控制结构和母线连接方式，形成各类有源均流法，如主从 法、平均电流法、最大电流法等。 控制结构指均流环与电压环如何配置，图1 3 为有源均流法的三种控制结 构：电压环环外调整、环内调整和双环调整。环外调整中均流环从电压环外部叠 浙江大学硕士学位论文 加( 图1 3 a ) ，均流母线带宽低，对噪音不敏感，但由于受到低带宽电压环限制， 均流控制反应比较缓慢；环内调整中均流环从电压环内叠加( 图1 3 b ) ，均流环 可以很好的和电流环结合起来，整个结构简单，均流信号从环内注入，其带宽不 受电压环的限制，反应速度快，均流母线的电压从电压调整放大器获得，但容易 引起噪声；双环调整中均流环和电压环并行一起作用于基本单元( 图1 3 c ) 。 ( b ) 环内调整 图1 3 三种控制结构 均流母线连接方式指如何从所有的模块中获取公共电流参考信号，表明了 模块间的主从关系。图1 4 显示了三种均流母线的连接：自主配置、平均配置和 指定配置。自主配置( 图1 4 a ) 中，各个模块和母线之间通过二极管连接，只有 具备最大电流的模块对应的二极管才能导通，均流母线上代表的是最大电流信 号；平均配置( 图1 4 b ) 中，各个模块和母线之间通过参数完全一致的电阻连接， 均流母线上代表的是平均电流；指定配置( 图1 4 c ) 中，只有人为指定的模块直 接连接均流母线，成为主模块。 图1 4 三种均流母线连接方式 k k k 7 ；匮雠 b 鬻 受懈盛撬谣燃 一匿一 疆 啡啦 一i 细i 一 浙江大学硕士学位论文 4 2 1 主从控制法( m a s t e r s l a v e ) 在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，直接连接到均流母线， 其余的为从模块，从母线上获取均流信号。 ( 1 ) 工作框图 见图1 5 ，在这种工作方式下用n 个单元，其中一个单元( 主控单元) 工作 在电压源( c v ) 方式，其余n 一1 个单元工作于电流源( c c ) 方式，利用来自 输出电流的误差电压u 来实现均流控制。它实际上是由电压环( 外环) 和电流 环( 内环) 构成电流控制型的双环控制，或说成是电压控制的电流源。 ( 2 ) 主要特点 一旦主控单元出现故障则整个系统崩溃。 图1 5 主从控制法工作框图 由于电压环工作频带宽，易受噪声干扰。 主从单元间必须要有通讯联系，所以整个系统较复杂。 可靠性取决于主模块，只能均流，不能构成冗余系统。 适用于r 1 个功率单元的系统。 4 2 2 平均电流型自动负载均流法( 自动均流) 环外调整结构和母线平均配置相结合形成平均电流均流法。图1 6 中如果所 有电阻r 参数完全一致，均流母线的电压反映了所有模块电流的平均值。当u a - - - - u c s b 时表明已经达到均流，如果电流分配不均，电阻r 上出现电压，该电压 通过误差放大器输出一个误差电压，从而修正基准电压，以达到均流目的。 ( 1 ) 工作框图 工作框图如图1 6 ，这种均流方式采用一个窄带电流放大器，输出端通过阻 值为r 的电阻连到均流母线上，n 个单元采用1 1 个这种结构。 浙江大学硕士学位论文 图1 6 平均电流型自动负载均流法工作框图 当输出达到均流时，电流放大器输出电流1 1 为零，这时i 。l 处于均流工作 状态。反之，在电阻r 上产生一个u a b ，由这个电压控制a 1 ，由a l 再控制单元 功率级输出电流，最终达到均流。 ( 2 ) 特点 均流效果较好，易实现准确均流。 在具体使用中，如出现均流母线短路或接在母线上的个单元不工作时， 母线电压下降，将使每个单元输出电压下调，甚至达到下限，以致造成故障。并 且当某一模块的电流上升至i o m a x 时，电流放大器输出电流也达到极限值，同时 致使其它单元输出电压自动下降。 可以构成冗余系统，均流模块数理论上可以不限。 缺点为了使系统在动态调节过程始终稳定，通常要限制最大调节范围， 要将所有电压调节到电压捕捉范围以内。如果有一个模块均流线短路，则系统无 法均流。单个模块限流也可能引起系统不稳定。在大系统中，系统稳定性与负载 均流瞬态响应的矛盾很难解决。如果在图1 6 中的r 支路上串一只二极管，则 构成所讲的最大电流自动均流法。 4 2 3 最大电流自动均流法( 民主均流法，自动主从控制法) 最大电流均流技术由环外调整和母线自主配置相结合而成，不改变模块基 本单元的内部结构，只需在电压环外面叠加一个均流环，各模块间接一条均流母 线c s b 。 ( 1 ) 工作原理 将图1 6 所示均流框图中的电阻r 用一个二极管代替，二极管正端接a ，负 端接b 。这样只有当n 个单元中输出电流最大的一个电流放大器输出才能使二极 管导通，从而影响均流母线电压，进而达到该单元均流调节作用。这种方法一次 浙江大学硕士学位论文 只有一个单元参与调节工作。 ( 2 ) 特点 在这种均流方式下，参与调节的单元由r 1 个单元中的最大输出电流单元 决定，一次只有这个最大输出电流单元工作，这个最大电流单元是随机的，所以 有人把这种均流方法叫做“民主均流法”。又由于一旦最大均流单元工作，它处 于主控状态，别的单元则处于被控状态，因此又有人把这种方法叫做“自动主 从控制法”。 由于二极管总有正向压降，因而主单元均流总有误差，而从单元的均流 效果是较好的。美国优尼公司的u c 3 9 0 7 集成均流控制芯片就工作在这种方式下 2 1 2 2 。最大均流法的特点和平均电流法的特点相似。 4 3 其他均流方法 4 3 1 外部电路控制法 ( 1 ) 工作原理 每一个单元加一个输出电流检测电路来检测它的电流，产生的反馈信号调 节每个单元的电流，从而达到各单元间输出均流的目的。在这种情况下，每个单 元间应有公共总线。 ( 2 ) 优缺点 这种控制方法均流效果较好，但是每个单元需附加一个电流控制电路， 成为控制环路的一部分，需满足环路的总体要求，否则会降低单元的技术指标及 工作稳定性，降低系统的动态响应特性。 由于每个单元都需要一个控制电路，所以整个扩流系统连线较多。 4 3 2 强迫均流法 强迫均流是通过监控模块实现均流。实现方式主要有软件控制和硬件控制 两种。 软件控制是通过软件计算，比较模块电流与系统平均电流，然后再调整模 块电压，使其电流与平均电流相等。软件方式易于实现，均流精度高，但其瞬态 响应比较差，调节时间长。 浙江大学硕士学位论文 图1 7 硬件控制方式原理 硬件控制方式原理如图1 7 所示，取样电压u s 与系统基准电压u r 相比较 产生误差电压u e ，该电压送至每个模块，与模块电流相比较，调节模块参考电压， 从而改变输出电压，调节输出电流，实现均流。这样，每个模块都相当于电压控 制的电流源。这种均流方式精度高，动态响应好，可控制模块多，可以很方便的 组成冗余系统。 对这种硬件强迫均流方法的一种改进就是所谓的? w m 强迫均流法。工作原 理如图1 8 所示。 图1 8 强迫均流法 强迫均流依赖监控模块，如果监控模块失效，则无法均流，这一点使用时应 注意。在强迫均流中，每个监控系统监控的模块数可达1 0 0 个，参数设置好后( 即 使模块电压相差较大，如1 伏或更大) 不需任何调整，均流精度高于2 5 ，负 载响应快( 在几百m s 内) ，无振荡现象 2 3 2 4 。 目前使用较多的并联均流技术是主从控制法，而美国u n i t r o d e 公司以最大 电流法为基础开发出的u c 3 9 0 7 系列芯片，由于其简单的结构，强大的功能，而 获得了广泛的应用。 由于单片机及d s p 技术的迅速发展，有人用它们来控制并联的电源模块均 流，效果很好。不过由于芯片造价较高，而且自身a d 及d a 精度不够，若想得 到理想的参数，还须外加专门的a d 及d a 芯片，故还未普及使用 2 5 。 5 i n t e ls s i ( s e r v e rs y s t e mi n f r a s t r u c t u r e ) 规范 2 6 2 7 服务器电源按照标准可以分为a t x 电源和s s i 电源两种。a t x 标准使用较为 浙江大学硕士学位论文 普遍，主要用于台式机、工作站和低端服务器；而s s i 标准是随着服务器技术的 发展而产生的，适用于各种档次的服务器。 a t x 标准是i n t e l 在1 9 9 7 年推出的一个规范，输出功率一般在1 2 5 w 3 5 0 w 之间。a t x 电源通常采用2 0 p i n ( 2 0 针) 的双排长方形插座给主板供电。随着i n t e l 推出p e n t i u m 4 处理器，电源规范也由a t x 修改为a t x l 2 v ，和a t x 电源相比，a t x l 2 v 电源主要增加了一个4 p i n 的1 2 v 电源输出端，以便更好地满足p 4 的供电要求 ( 2 g h z 主频的p 4 功耗达到5 2 4 w ) 。 s s i ( s e r v e rs y s t e mi n f r a s t r u c t u r e ) 规范是i n t e l 联合一些主要的i a 架 构服务器生产商推出的新型服务器电源规范。s s i 规范的推出是为了规范服务器 电源技术，降低开发成本，延长服务器的使用寿命而制定的，主要包括服务器电 源规格、背板系统规格、服务器机箱系统规格和散热系统规格。 s s i 的四种规范 根据使用的环境和规模的不同，s s i 规范又可以分为e p s 、t p s 、m p s 、d p s 四种子规范。 e p s 规范( e n t r yp o w e rs u p p l ys p e c i f i c a t i o n ) ：主要为单电源供电的中低端 服务器设计，设计中秉承了a t x 电源的基本规格，但在电性能指标上存在一些差 异。它适用于额定功率在3 0 0 w 4 0 0 w 的电源，独立使用，不用于冗余方式。后 来该规范发展到e p s l 2 v ( v e r s i o n 2 0 ) ，适用的额定功率达到4 5 0 w 6 5 0 w ，它和 a t x l 2 v 电源最直观的区别在于提供了2 4 p i n 的主板电源接口和8 p i n 的c p u 电源 接口。 t p s 规范( t h i np o w e rs u p p l ys p e c i f i c a t i o n ) ：适用于1 8 0 w 2 7 5 w 的系 统，具有p f c ( 功率因数校正) 、自动负载电流分配功能。电源系统最多可以实现 4 组电源并联冗余工作，由系统提供风扇散热。t p s 电源对热插拔和电流均衡分 配要求较高，它可用于n + i 冗余工作，有冗余保护功能。 m p s 规范( m i d r a n g ep o w e rs u p p l ys p e c i f i c a t i o n ) ：这种电源被定义为 针对4 路以上c p u 的高端服务器系统。m p s 电源适用于额定功率在3 7 5 w 4 5 0 w 的电源，可单独使用，也可冗余使用。它具有p f c 、自动负载电流分配等功能。 采用这种电源元件电压、电流规格设计和半导体、电容、电感等器件工作温度的 设计裕量超过1 5 。 d p s 规范( d i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l ys p e c i f i c a t i o n ) ：电源是单4 8 v 直 浙江大学硕士学位论文 流电压输出的供电系统，提供的最小功率为8 0 0 w ，输出为+ 4 8 v 和+ 1 2 v s b 。d p s 电源采用二次供电方式，输入交流电经过a c d c 转换电路后输出4 8 v 直流电， 4 8 v d c 再经过d c - d c 转换电路输出负载需要的+ 5 v 、+ 1 2 v 、+ 3 3 v 直流电。制定这 一规范主要是为简化电信用户的供电方式，便于机房供电，使i a 服务器电源与 电信所采用的电源系统接轨。 s s i 标准前景光明 虽然目前服务器电源存在a t x 和s s i 两种标准，但是随着s s i 标准的更加 规范化，s s i 规范更能适合服务器的发展，以后的服务器电源也必将采用s s i 规 范。s s i 规范有利于推动i a 服务器的发展，将来可支持的c p u 主频会越来越高， 功耗将越来越大，硬盘容量和转速等也越来越大，可外挂高速设备越来越多。 为了减少发热和节能，未来s s i 服务器电源将朝着低压化、大功率化、高密 度、高效率、分布式化等方向发展。服务器采用的配件相当多，支持的c p u 可 以达到4 路甚至更多，挂载的硬盘能够达到4 1 0 块不等。这些配件都是消耗能 量的大户，比如中高端工业标准服务器采用的是至强处理器，其功耗已经达到 8 0 多w ，而每块s c s i 硬盘消耗的功率也在1 0 w 以上，所以服务器系统所需要的 功率远远高于p c ，一般p c 只要2 0 0 w 电源就足够了，而服务器则需要3 0 0 w 以 上直至上千瓦的大功率电源。在实际选择中，不同的应用对服务器电源的要求不 同，像电信、证券和金融这样的行业，强调数据的安全性和系统的稳定性，因而 服务器电源要具有很高的可靠性，这也是一种发展趋势。 浙江大学硕士学位语文 第二节负载均流控制芯片的发展趋势 微电子技术、电子技术和计算机技术在相互渗透、相互支撑和相互促进的 紧密关系中，均得到了飞速发展。现代信息社会的支柱计算机和通信，其主 要硬件设备是集成电路。以集成电路的发展为标志的微电子技术无所不在，已经 成为现代信息社会的基础。自从1 9 5 9 年世界上第一块集成电路在美国的德州仪 器公司和西屋电气公司诞生以来，集成电路技术以惊人的速度发展。第一块集成 电路上只有四个晶体管。而目前的集成电路已经可以在一片硅片上集成几千万只 晶体管，甚至上亿只晶体管。集成电路的发展经历了小规模i c ( s s i ) 、中规模 i c ( m s i ) 、大规模i c ( l s i ) 、超大规模i c ( v l s i ) 和特大规模i c ( u l s i ) 的 不同阶段，集成电路的性能( 高集成度、高速度和低功耗等) 迅速提高。i c 发 展各阶段的主要特征如表1 1 所示 2 8 3 。集成电路工艺已发展到深亚微米，特征 线宽可达到9 0 n m ，甚至更小。 随着微电子技术的不断进步，集成电路高速发展。目前，系统级芯片( s o c ) 已能将包括数字i c 和模拟i c 的整个系统集成在单个芯片上，完成系统的功能。 s o c 的出现，使集成电路逐步向集成系统( i n t e g r a t e ds y s t e m ) 的方向发展。 由于单片机及d s p 技术的迅速发展，有人用它们来控制并联的电源模块均 流，效果很好。不过由于芯片造价较高，而且自身a d 及d a 精度不够，若想 得到理想的参数，还须外加专门的a d 及d a 芯片，故还未普及使用。 表1 1 集成电路发展 发展阶段 1 9 6 6 焦 1 9 7 1 证 1 9 8 0 年1 9 9 0 年以后 主要淞 m s i l s i v l s iu l s i 元件数芯片 1 0 2 1 0 31 0 3 1 0 51 0 6 1 0 71 0 7 1 0 9 特征线宽( i xm ) 1 0 5 5 3 3 1 1 速度功耗积( 叮) 1 0 2 1 01 0 11 1 0 1 1 0 。2 栅氧化层厚度( n m )1 2 0 1 0 0 1 0 0 一4 04 0 1 51 5 1 0 结深( 胁) 2 1 21 2 一o 50 5 , - , 0 20 2 0 1 芯片面积( i n t 0 2 ) 6 l4 浙江大学硕士学位论文 第三节本文的研究内容及设计目标 如前所述，负载均流控制芯片的应用非常广泛，特别是计算机、网络通信 越来越发达的今天，它可谓无处不在，如在电信及数据通信系统中，不允许系统 有长时间的停电，再则现有的许多操作系统的重启动时间一般都比较长。因而负 载均流在电信应用领域变得越来越重要，甚至成为电信产品的一种强制性指标。 而且，负载均流技术还在进一步复杂化，应用也将不断拓展，所以对其的需求量 巨大，对其研究也亟需进一步深化。 另一方面，负载均流控制芯片属于模拟与混合信号集成电路，而目前有关 s o c 中的电路单元尤其是口核的研究开发主要还是集中在数字电路领域，尤其 是成熟产品，涉及模拟混合电路的相对较少，虽然近几年国内一些i c 设计公司 开始渐渐涉猎模拟混合电路领域，但是对于电源管理模块特别是负载均流控制 器，由于还存在工艺上的限制，很少有成功的经验，一般市场上能够见到的也都 是国外几家大公司的产品。此外，负载均流控制芯片中的i p 核都是模拟混合信 号集成电路设计中常见的模块，而对s o c 技术而言最大优势就在于使用各种可 复用的i p 模块来快速进行包括大量数字及模拟电路单元的微系统开发。因此， 若能研究解决相关技术，开发与积累常用的负载均流控制模块和模拟混合信号电 路i p 核，除可大幅度地提高超大规模集成电路和半导体芯片系统的开发速度， 降低其成本，使之具有极强的市场竞争力和使用价值之外，对于积累和丰富s o c 中模拟与混合i p 的研究开发经验亦有积极意义。此外，还可以增强国内产品相 对于国外产品的竞争力。因此，本毕业设计的工作将有助于促进半导体芯片系统 的研究与发展，具有重要的现实意义。 论文的工作集中在研究开发具有良好发展前景及应用的负载均流控制器， 适用于不同场合：计算机、通讯、空间站等等。对于电路i p 核，针对特殊的工 艺进行了改进，从而满足高压低功耗等方面的要求。并且对i p 核完成底层的物 理设计，为了优化芯片性能以及尽可能大的避免和减少噪音、热源等环境因素对 电路的影响减少各个模块之间的干扰，对整个芯片版图进行布局部图。并且在 精度要求高的模块，设置了微调电阻，利用齐纳管熔断进行微调。对于负载均流 控制芯片的研究开发设计，有助于对负载均流技术的理解，将增强模拟与混合信 号集成电路方面的设计能力，对实际工艺加强认识，将促进集成电路产业、通信 浙江大学硕士学位论文 方面的发展 2 9 3 0 3 。 1 主要研究内容 本毕业设计的研究内容包括： 进行文献调研确定主要研究内容； 进一步深入了解负载均流控制器的工作原理，负载均流技术当前的发展 趋势，结合最新的应用要求，对前面提出的设计方案进行进一步研究和改 进： 对单元电路及整体电路进行设计； 研究不同工艺特点，选择合适的流片工艺，并针对该工艺特性改进电路 设计： 芯片布局布图，完成版图设计。 2 本毕业设计应达到的设计指标 本设计欲实现具有如下特点的一款负载均流控制芯片： 工作电压范围：4 3 7 5 1 4 v ， 在整个负载电流下，电流分配误差小于1 ； 设置高端检测输出电流( 检测电阻置于模块输出端) 超低失调电压的电流检测放大器； 内有单线的负载分配总线； 全量程可调节； 适用于i n t e ls s i ( s e v e rs y s t e mi n f r a s t r u c t u r e ) 负载分配技术要求 在备用状态时，与负载分配总线不连接； 负载分配总线可克服对地短路或接电源正极短路； 小尺寸8 管脚m s o p 封装，外围元件少。 浙江大学硕士学位论文 第二章负载均流控制芯片的原理 负载均流控制芯片广泛应用于各种场合，市场一直保持高速发展，而且负 载均流控制芯片在电源管理芯片设计中也占有非常重要的地位，因此有必要了解 负载均流控制芯片工作原理和典型的应用电路。 调研发现，目前市场上绝大多数新产品具有较低的工作电流并支持较高的 工作频率。根据所使用的半导体工艺，一些模拟技术公司努力在器件中增加一些 新特性，以满足特定目标市场的需要