（微电子学与固体电子学专业论文）单片开关电源管理集成电路设计.pdf

摘要 f 单片式开关电源管理集成电路是国际最新技术进展，它具有高集成度、高 性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率电源等优点，得到了广 泛应用抹文目的为设计一种采用p w m 工作方式的单片式高频开关电源管理集 成电路。( 该电路最大输出功率1 0 w ，工作频率1 0 0 k h z ，内部集成耐压7 0 0 v 的 功率l d m o s ，并具有过热、过流保护功能，配以简单的外部元件即能构成完整 的开关电源。 本论文完成了电路设计、功率器件设计、工艺设计和部分版图。整体电路 的模拟表明电路完成了设计功能，达到设计指标；功率器件耐压满足要求，给 出了满足导通电阻要求的版图设计尺寸；采用与传统外延工艺相区别的单晶衬 底工艺来实现该电路。文 j 在电路设计中，作者首先阐述了p w m 工作方式的基本原理，给出理论依据； 然后根据功能需要进行了电路的总体结构设计，结合使用条件说明工作过程， 再对电路的工作频率、过热保护、抗e m i 措施等进行了详细分析，完成了每个 具体功能电路和整体电路的设计，最后进行了与外电路联合仿真，得到符合设 计要求的结果。 【对一种单晶型横向高压器件进行研究，它以深结扩散的n 阱作漂移区，应 用双、r e s u r f 技术等多种终端结构提高l d m o s 的耐压，降低导通电阻。经过 数值分析方法对耐压和导通电阻的关系进行分析仿真，得到了耐压7 2 0 v 导通电 阻7 7 8 q c m 的l d m o s 管结构参数。 在工艺设计中，采用新型b i c m o s 工艺在单晶衬底上实现了低压控制电路 和功率器件的集成，省略了外延工序和对通隔离。文中给出了简明工艺流程和 版图设计规则考虑，完成了功率器件和部分低压电路的版图。、j 关键词：单片式开关电源管理集成电路j p w m 工作方式j 高压l d m o s b i c m o s 工艺 a b s t r a c t s i n g l e c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) i st h e l a t e s te v o l v ei nt h ew o r l d ，i th a st h ev i r t u e so fh i g hi n t e g r a t i o nl e v e l ，m o s tc o s t e f f e c t i v e ，l o w e s tc o m p o n e n t c o u n ts w i t c h e rs o l u t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c e ，f o r m i n gh i g h 。 e f f i c i e n c yp o w e rs u p p l ya n ds oo n i th a sw i d e l ya p p l i c a t i o no v e rt h ew o r l d t h e o b j e c to f t h i sp a p e ri st od e s i g ns u c has i n g l ec h i pi c w o r k i n g a th i g hf r e q u e n c yw i t h p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) m o d e al a t e r a l d o u b l e - d i f f u s i o nm o sw i t h b r e a k d o w n v o l t a g ee x c e e d s7 0 0 v i si n t e g r a t e do n c h i p ，t h em a x i m u mo u t p u tp o w e r i s a b o u t1 0 w ：w o r k i n gf r e q u e n c yi sf i x e da t1 0 0 k h z i th a sf u n c t i o n st op r o t e c ti t s e l f a g a i n s t o v e r t e m p e r a t u r e a n do v e r c u r r e n t c o o p e r a t i n g w i t h s i m p l ep e r i p h e r y c o m p o n e n t ，a f u l ls w i t c hp o w e r s u p p l yi sf o r m e d c i r c u i td e s i g n i n g ，k e yd e v i c ed e s i g n i n g ，p r o c e s sd e s i g n i n ga n d p a r to fl a y o u t h a s b e e nf i n i s h e d s i m u l a t i o no ft h ew h o l ec i r c u i ti n d i c a t e st h a tt h ei ch a sa c h i e v e do u r e x p e c t a t i o ni n c l u d i n g f u n c t i o na n dp a r a m e t e r t a r g e t ；t h ek e y d e v i c es a t i s f i e s b r e a k d o w n v o l t a g e ，a n dt h el a y o u td e s i g no f t h el d m o si sg i v e n ；a p r o c e s sd i f f e r e n t f r o mc o n v e n t i o n a le p i t a x i a io n ei st a k e nt of a b r i c a t et h ep o w e rm a n a g e m e n ti c ，i tm a n u f a c t u r e d e v i c e sa n dc i r c u i t so na s i n g l ec r y s t a ls u b s t r a t e d u r i n gc i r c u i td e s i g n i n g ，t h eb a s i ct h e o r yo fp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) m o d ei s g i v e nf i r s t t h e nt h eg e n e r a ls t r u c t u r eo f t h ei ci sd e s i g n e db a s e do ni t s f u n c t i o nr e q u i r e m e n t c o m b i n e dw i t hi t sw o r kc o n d i t i o n ，t h ew o r k i n gc o u r s ei s s h o w e d ，s o m ek e yp a r a m e t e r si sa n a l y z e di nd e t a i ls u c ha sw o r k i n gf r e q u e n c y ，o v e r t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n ，t h ew a yh o wt o l o we m ia n ds oo n e v e r ys u b c i r c u i ti s d e s i g n e da n ds i m u l a t e db ya u t h o r a tl a s t ，c o m b i n e d 谢t hp e r i p h e r yc o m p o n e n t ，t h e c i r c u i ti ss i m u l a t e d ，a n dt h er e s u l tm e e t st h eo r i g i n a lr e q u i r e m e n t a nl d m o si sr e s e a r c h e da sk e yd e v i c e ，i ti sf a b r i c a t e dt h r o u g has i n g l ec r y s t a l p r o c e s si n s t e a do fc o n v e n t i o n a le p i t a x i a lp r o c e s s t h ed r i f tr e g i o no fl d m o s i s f o r m e d b yn t y p ei m p u r i t yd e e pd i f f u s i o n m u l t it e r m i n a t i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e d t o i m p r o v et h e b r e a k d o w nv o l t a g e ，a n dd e c r e a s er o n ，t h a ti n c l u d e sr e s u r f t h e n s t r u c t u r e p a r a m e t e r o fl d m o si so b t a i n t b r o u g h n u m e r i c s i m u l a t i o n ，w h o s e b r e a k d o w n v o l t a g ei s7 2 0 v a n dr o n e q u a l s7 7 8q c m i no r d e rt or e a l i z et h es w i t c h i n gp o w e r s u p p l ym a n a g e m e n ti n t e g r a t e dc i r c u i t ，a n o v e lb i c m o sp r o c e s si si n t r o d u c e d ，a n dt h ec o n v e n t i o n a le p i t a x i a lp r o c e d u r ei s a b a n d o n e d i nt h i s p r o c e s s ，l o wv o l t a g ec i r c u i t a n dh i 【g h v o r a g ep o w e rd e v i c ei s i n t e g r a t e do n as i n g l ec r y s t a ls u b s 仃a t e t h es i m p l i f i e dp r o c e s sf l o wa n d l a y o u td e s i g n r u l ei sg i v e nt h ea u t h o ra c c o m p l i s h e dt h el a y o u to fl d m o sa n d p a r to f o t h e rl o w v o l t a g e c i r c u i t k e y w o r d s ：s i n g l e c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n t i n t e g r a t e dc i r c u i t p w mw o r km o d e ，h i g h v o l t a g el d m o s d e v i c e ，b i c m o sp r o c e s s 1 1 1 附件三 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。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 1v q 签名： f ! l竖日期：姗乙年3 月牛日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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应遵守此规定) 签名：! 当 堡导师签名： 日期：抛2 年3 月牛日 第一章引言 电源是一切电子设备的心脏，它广泛应用于科学研究、经济建设、国防设 施及日常生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础，它与国民经济各个 部门紧密相关，在工农业生产中应用广泛【i j 。近十几年来，由于功率半导体器件 的迅速发展，开关电源的应用越来越广泛。开关电源的主要特点是功率器件工 作在开关状态，由于开关频率高( 几十至几百千赫兹) ，去掉了工频变压器和低 频滤波电感，从而达到减小整机体积和重量、提高工作效率的目的。开关电源 由主电路与控制电路两大部分组成，主电路的能量传递给负载电路，控制电路 则按照输入输出条件控制主电路工作状态，将控制电路集成化即成为开关电源 管理i c 2 1 。 开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为 稳压电源的主流产品。采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳 定、可靠性高，并可实现远程控制等功能，是世界开关电源的发展趋势【3 一】。 1 1 管理i c 在开关电源中的应用 i c 产品在功率电子中的应用可以简单分为两类。第一类为分立器件，包括 晶闸管、大功率双极型晶体管、d m o s 和现在更常用的l d m o s 、i g b t 、m c t 等。这些器件具有功率容量大、能量损耗低、开关速度快等特点，适用于电力 电子装置，得到了大量应用。关于性能更优的分立器件一直是研究的对象，也 将进一步提高整机系统的性能。但这种器件需要采用与集成电路不同的纵向工 艺和较厚的外延层来达到耐压要求，同时大功率器件的面积很大。 另一类得到广泛应用的产品是功率集成电路( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ，p i c ) 。 它一般包含低压逻辑部分和高压功率部分，还设计有必要的各种过热过流等保 护电路。八十年代，新型功率m o s 器件和以其为基础的智能功率集成电路( s m a r t p o w e ri c ，s p i c ) 随着微电子技术的进步而迅速发展起来。它们融功率半导体、 信息电子学、超大规模集成电路、电机学和计算机辅助设计为一体，成为未来 工业自动化、汽车制造业、航空航天技术和其它高新技术工业的基础产业。特 别是s p i c 在目前微电子走向系统集成的情况下起着越来越重要的作用，有专家 甚至称s p i c 的发展将会引发第二次电子革命。 在开关电源中，为了实现功率调节、远程控制等功能，以及减小体积、减 轻重量，功率集成电路得到广泛应用和快速发展。采用了这种集成电路来调节 和控制的开关电源，不但外部电路简单，元件数目少，而且可以和微处理器直 接接口或通过局域网( l a n ) 来实现编程或控制功能，是目前7 5 w 以下高效率、 多功能开关电源的最佳解决方梨3 1 。 1 2 开关电源管理ic 的发展现状 开关电源管理集成电路于9 0 年代中、后期相继问世后，便显示出强大的生 命力，目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块 的优选集成电路。新一代开关电源管理集成电路采用功率半导体器件作为开关 元件，通过周期性工作，控制开关元件的时间占空比来调整输出电压。按照开 关型稳压电源的控制方式可以分为脉冲宽度调制( p w m ) 式、脉冲频率调制 ( p f m ) 式和p w m 与p f m 混合式。p w m 控制方式为保持开关元件工作周期 不变，控制开关的导通时间t 。变化，目前采用p w m 工作方式的控制i c 较多， 如l i n f i n i t y 公司的s g l 5 2 4 、r i c o h 公司r h 5 r h 系列、s i l i c o n i x 公司的 s 1 9 1 5 4 、f a i r c h i l ds e m i c o n d u c t o r 公司的f d s h 0 1 6 5 、m a x i m 公司的 m a x 7 3 6 7 3 7 、p o w e ri n t e g r a t e d 公司的t o p i i 系列t o p f x 系列t o p g x 系列等。p f m 控制方式为保持导通时间t 0 。不变，改变开关工作周期，也即改变 关断时间的工作方式，目前采用p f m 工作方式的有m a x 7 7 0 7 7 1 7 7 2 7 7 3 、s e i k o i n s t r u m e n t s 公司的s 8 5 2 1 等。 目前市场上常见的一般为p w m 工作方式的管理i c 。图1 1 为一种p w m 工 作方式的控制i c 内部功能框图。采用p w m 工作方式的控制集成电路内部主要 由以下部分组成：振荡器( 一般有矩形波输出和锯齿波输出两路) 、基准电压源、 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过热保护、过 流保护等。振荡器的作用是产生所需频率的脉冲波形，矩形波用来作为内部电 路的时钟信号，控制着整个电路的工作，锯齿波则一般输入p w m 控制器，通过 运算产生p w m 信号。电压检测器主要检测外围电路的工作状态，提供控制电路 图1 - 1 一种p w m 控制i c 内部功能框图 工作的基本信息来源。误差放大器是将电压检测器提供的信号进行放大，一般 为差分输入放大器，其输出作为p w m 控制器的另一个输入。p w m 控制器对输 入的锯齿波信号和误差放大器输出的误差信号进行比较，输出结果为p w m 信 号，用来控制开关元件的开通与关断。由于开关元件一般为较大的容性或感性 负载，并且要求输入信号的上升与下降沿，所以一般电路中设计有输出驱动电 路。另外，模拟电路中基准电压源是必不可少的，采取适当的过流过热保护措 施能有效提高电路的可靠性。 正是由于采用了全新的工作方式和较高工作频率，开关电源管理i c 能大大 提高电源效率，纹波幅度明显下降，使输出稳定。例如s g l 5 2 4 内部所需电流小 于1 0 m a ；m a x 7 3 6 7 3 7 效率可以达到8 3 ，输出电压为1 5 v 时，纹波幅度为 o 7 5 v ；f s d h 0 1 6 5 在空载下消耗功率小于2 5 0 m w ；r h 5 r h 系列输出高电压精 度为2 5 ，效率典型值为8 5 ；t o p i i 系列效率最高可达9 0 ：t i n y s w i t c h 系列在轻负载下其跳周期技术所表现出来效率更加显著，在空载时，功耗仅为 3 0 - 6 0 m w 。 在新一代开关电源管理i c 中，除了必要的过热和过流保护外更增j j n q 其它 实用的功能，成为真正智能控制电路。在s i 9 1 4 5 中，可以通过模式选择来决定 输出方式，电路还有s t a n d b y 模式以节省功耗。f s d h 0 1 6 5 具有欠压滞回和自动 重启功能，这些功能是当电源过载后不是立刻开启l d m o s ，在等待一段时间后 再重新开启，避免了在过载没有去除的情况下对l d m o s 管的反复开关。 m a x 7 3 6 7 3 7 加入了软启动功能，可以有效降低上电或自动重启时电感上的尖峰 电压，并在芯片版图级考虑了噪声的影响，通过合理布局来降低噪声。t o p i i 系 列除了具有自动重启功能外，在故障发生期间只允许5 的导通时间，更有效地 保护开关器件。t o p s w i t c h f x 系列除软启动功能降低启动压力和过冲外，采用 了频率抖动降低e m i 及滤波费用，其滞后热关断使器件在温度下降后自动恢复 工作，不需要重新上电复位，采用了e c o s m a r t 节能技术，包括跳过部分周期以 降低空载功耗、为高效待机应用提供频率减半选项和远程控制功能。 在以p w m 控制方式的集成电路中，大部分都是用来驱动外面的开关元件， 其中既有驱动m o s 型功率器件的( s 1 9 1 5 4 ) ，也有驱动双极型功率管的 ( s 0 1 5 2 4 ) 。但从使用的角度来考虑，如果在集成电路内部不但集成控制功能， 而且将功率器件也放在内部，则大大方便了用户。目前，已经有一些集成开关 元件的控制电路出现，如f a i r c h i l d 公司在f d s h 0 1 6 5 内部集成了耐压为6 5 0 v 的l d m o s ，m a x i m 公司在m a x 7 3 6 m a x 7 3 7 内部集成了耐压5 0 v 的m o s 功 率器件，p o w e ri n t e g r a t e d 公司在t o p i i 系列i c 内部集成了耐压7 0 0 v 的 l d m o s 。它们的这种结构均为用户提供了使用上的方便。 这种控制i c 一般采用b i p o l a r 工艺或b i c m o s 工艺来实现。采用b i p o l a r 工 艺是由于双极型晶体管的跨导较大，速度快；而b i c m o s 工艺同时利用c m o s 器件静态功耗低和双极型器件速度快的特点，可以得到更低的功率损耗和较快 的速度，但工艺稍繁琐。如果在i c 中集成高压功率器件，则工艺过程更加复杂。 1 3 本文所做的工作 本文的主要工作是设计一种单片式开关电源控制集成电路，采用p w m 工作 方式，需要较少的外部元件即能构成完整的开关电源，最大输出功率约1 0 w ， 工作频率1 0 0 k h z ，内部集成耐压7 0 0 v 的功率l d m o s ，并具有过热、过流保 护功能。 第一章介绍了此类管理i c 在开关电源中的应用，目前市场上的各种控制i c 的工作方式、电路结构和般采用的工艺，并对本文的章节进行安排。 第二章主要说明电路工作原理和仿真情况。首先对电路的总体结构设计进 4 行介绍，然后对其中部分电路进行详细分析并给出电路模拟仿真结果，最后对 整体电路的仿真情况进行说明。 第三章设计了管理i c 中的功率器件一l d m o s ，采用半导体器件数值模拟 软件对其进行模拟，针对耐压特性和导通电阻对器件结构和参数进行优化，得 到满足要求的结果。 第四章进行版图和工艺设计，该电路拟采用b i c m o s 工艺来实现，给出了 采用的工艺流程，对其中部分功能单元版图进行了设计。 第五章总结了该电路的设计工作。 第二章电路原理与仿真 本文所设计的电路为d c d c 型开关电源管理集成电路，加以简单的外围电 路即可构成完整的开关电源。该电路工作于8 5 2 6 5 v 输入电压，输出最大功率 1 2 w ；其中内部l d m o s 器件的耐压7 0 0 v ，工作温度为1 0 0 0 c 时，导通电阻小 于6 0q ；工作于固定频率1 0 0 k h z ，输出最大占空比6 7 ；同时具备电路过热保 护和l d m o s 管的过流保护。首先介绍电路的总体结构设计和基本工作原理， 然后对各功能电路进行设计并给出模拟结果，最后给出工作过程。 2 1 整体电路设计 2 1 1 p w m 控制方式基本工作原理 v 甜如“坤d ) v “柚h 枷l r d * m h t w * 岫 m e 壹o f 麓f 卜一“叫 ” 图2 - 1p w m 工作方式的基本原理示意图 d c d c 变换电路是通过控制开关器件的导通和关断时间，将一个输入的不 6 墓三童皇堕星垄耋笪基坌堑 稳定直流电压转换成另一个输出稳定的直流电压。脉冲宽度调制( p u l s ew i d m m o d u l a t i o n ，p w m ) 工作方式广泛应用于开关电源的反馈控制中，在这种工作 方式中，开关器件的工作频率固定，器件导通时间随反馈变化。p w m 工作方式 的简化原理图如图2 1 所示，可以看出控制信号是由反馈的实际电压和期望值通 过差分放大得到，然后和锯齿波信号比较，当v c o n t r o l 高于锯齿波时，开关器 件导通，当v c o n t r o l 低于锯齿波信号时，开关器件关断，由此得到开关器件实 际工作的驱动信号。如果定义开关器件开通时间占整个周期的比值为d ，则 d t o 垒一：冬譬 公式2 1 t s t 。+ t o g k 公式中，t o 。为器件导通时间，t o f r 为器件关断时间，t s 为周期。v c o n t r o l 为反馈 的实际电平经过放大后的电平，它反应了输出信号高于或低于期望值的信息。 一般锯齿波信号工作频率为几十到几百k n z ，甚至某些双极型电路工作频率可 以达到1 m h z ，但v c o n t r o l 变化频率很低，一般为几k h z 。 当输出外部电压较高时，反馈信号也升高，由于它接入运算放大器的反相 输入端，所以v c o n t r o l 电平下降，通过和锯齿波比较后得到开关器件的导通时 间t 。减小，即d 减小，输出电流减少，使输出电压降低；同理，当输出电压低 于期望值时，该电路能使开关器件导通时间增加，来使输出电压升高。 2 1 2 电路的整体结构设计 在以上理论的基础上，我们设计整体电路功能框图如图2 2 所示。该电路的 功能描述如下：电路随时检测反馈端c 端的电压值，将该电压值输入到一个运 算放大器的反相输入端，而期望电压值输入到该运算放大器的同相输入端，通 过差分放大后产生控制信号，该控制信号与内部振荡器发生的锯齿波信号通过 一个比较器产生l d m o s 的开启与关断信号。根据以上电路功能，可以确定电 路中所需功能电路应包含如下主要部分：振荡器，比较器，运算放大器，恒定 电压源和作为开关器件的l d m o s 。 振荡器产生固定频率的振荡波形，具有锯齿波输出。该振荡器的工作频率 设定为1 0 0 k h z 是基于降低电磁干扰e m i 的影响和尽量提高电源效率的考虑f 4 i 。 同时该振荡器的输出还作为整个电路工作的时钟信号，所以该电路还应该有矩 蕉三塞鱼堕星堡耋鱼塞坌堑 形波输出。 图2 - 2 整体电路功能框图 比较器的设计要兼顾响应速度和功耗两个方面。速度和功耗的矛盾一直是集 成电路设计中需要仔细考虑的关键，不论对双极型工艺的电路还是c m o s 工艺 的电路，一般来讲电路工作速度的提高同时都意味着功耗的增加。对于本电路 的设计输出效率是一个极其重要的指标，而电路的工作速度较低，所以在设计 中在速度满足要求的基础上尽量减少功率损耗。 运算放大器的功能是将反馈的信号与期望值之间的差值进行放大。集成电 路内部的运算放大器和标准运算放大器的区别在于不需要很强的输出驱动能 力，芯片内部电路的输入负载一般很小，所以如果放大系数不需要很大则不但 可以省略输出驱动级，甚至可以省略中间放大级。 在集成电路内部经常需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的偏置电压或 作为比较的基准。一般要求这些电压源的直流输出电平稳定，而且这个直流电 平应该对电源电压和工作温度的变化不敏感。 在电路中集成作为开关器件的l d m o s ，将控制部分与执行部分都做在同一 个芯片上，减少p c b 板上的引线，可以减轻寄生电容和电感效应，对功率器件 的保护可以更及时，同时更加减小了系统的体积，提高了可靠性，也方便了使 用者。 篁三童垦堕星垄量鱼基坌堑 以上为电路工作的主体部分，为了保证芯片在各种情况下的正常工作和可 靠性，我们还设计有一些必要的保护电路，如l d m o s 过流保护电路、过热保 护电路、上电复位电路等。 为了便于理解与分析，将电路分为以下1 6 个功能子电路：振荡发生器电路、 基准源与过热保护电路、运算放大器电路、前沿消隐与过流保护电路、p w m 比 较器电路、偏置电路、高压电流源电路、八分频电路、上电复位电路、l d m o s 栅驱动电路、欠压比较器电路、最小开态延时电路、内部旁路电路和三个触发 器电路。 该电路用于构成高频开关电源，为了介绍其工作过程，我们需要了解其外围 电路和应用条件。该电路的应用原理图如图2 3 所示，图中黑色框内为该集成电 路，其输入为脉动直流电压，经过一个高频脉冲变压器的主线圈接入芯片内部 l d m o s 管的漏电极，这样整个芯片中只有l d m o s 管部分承受高压，而其它部 分均工作于低电压情况。l d m o s 管的源极为接地端，也是芯片逻辑部分的接地 端，便于芯片中地线的排布。c 端作为反馈输入端，输入为电流值，所以该电路 属于电流反馈的工作方式，同时c 端也作为低压逻辑部分的电源端，减少芯片 的引脚数目。芯片中的过流检测是以l d m o s 管的导通压降为检测对象，认为 l d m o s 管的导通压降增大是由于电流增大引起的，这样既能减少外部元件的数 目，简化应用电路，又能减少芯片上引脚的数目，节约成本，使用方便。 图2 - 3 控制i c 应用原理图 电路开始工作时，功率管处于关断状态，外部变压器上电压为零，不能向 次级传输能量，次级电压为零，所以首先要由高压电流源通过c 端，对外接电 9 篁三童皇堕星垄量堡塞坌堑 容充电，当c 端电压达到上电复位电压后，复位电路对触发器复位；电压继续 上升振荡器开始工作，但此时l d m o s 管仍然被钳制住，没有开启；直到c 端 电压达到工作电压5 7 v 后，高压电流源关断，l d m o s 开始工作，c 端由外部 反馈的光电三极管供给电流。运算放大器采样c 端电压，产生控制信号，再通 过与振荡器产生的锯齿波比较产生脉冲宽度调制信号。 在每个时钟开始时刻，窄脉冲信号复位触发器f f 3 ，l d m o s 开始开启；经 过最小开态延时和前沿消隐时间后，脉冲调制信号可以关断l d m o s 。如果脉冲 宽度调制信号一直为高电平，说明c 端电压一直较高，则最小开态延时后立即 关断l d m o s ，使次级线圈得到的能量减少：如果脉冲宽度调制信号保持低电平， 即负载较重时，触发器f f 3 可能一直不复位，由矩形波的高电平时间决定最大 输出占空比。当变压器次级线圈的负载加重时，c 端电压下降，p w m 比较器的 同相端输入电压升高，控制l d m o s 管的p w m 信号占空比d 提高，l d m o s 管 开启时间增长，通过变压器向次级线圈提供更多的能量来保持输出的稳定。 当负载过重或出现错误导致c 端电压低于4 7 v 时，图2 3 中的触发器f f l 置位，高压电流源重新开始向c 端充电，当c 端电压达到5 7 v 后，触发器f f l 复位，高压电流源关断，但由于八分频电路的限制在这种情况下l d m o s 管并 不立即开启，而是保持关断，通过内部旁路对c 端外接电容放电，然后重复充 放电过程，如此经过8 个周期后，当c 端电压达到5 7 v 后l d m o s 才开始正常 工作，如果负载错误状况没有消除，则又重复上述过程，直至负载正常。 2 2 功能电路设计与仿真 上节介绍了电路的基本工作原理和整体电路的设计，本节将按照整体电路 划分的1 6 个功能电路分别进行设计，对其中部分关键电路进行详细分析并给出 模拟结果来验证功能，对其它电路只做简单介绍。 以下对振荡器电路、基准电压源与过热保护电路、运算放大器电路、前沿 消隐与过流保护电路、p w m 比较器电路、上电复位电路、l d m o s 栅驱动电路 等七个电路分别进行设计，得到满足电路功能和参数要求的每个子电路结构， 通过仿真分析电路中元器件的参数。 1 0 董三薹皇堕星堡耋堡基坌堑 2 2 1 振荡器电路 电路中需要方波来开启l d m o s ，锯齿波作为p w m 比较器的一个输入，振 荡发生器必不可少。振荡器电路的功能是在固定偏置下起振，保持稳定的振荡 频率，提供方波、窄脉冲波和锯齿波输出。基于减小电磁干扰和提高整体电源 的效率方面的考虑，振荡器的工作频率经过优化确定为1 0 0 k h z ，要求实际频率 在9 0 1 1 0 k h z 之间。该电路的电路图如图2 - 4 所示。该电路有3 个固定值输入 信号，分别为偏置信号y 1 4 、f 4 和能隙基准源m 1 4 ；输出信号2 个，一个为矩 形波输出s 5 ，另一个为锯齿波输出s 1 3 。 图2 4 振荡器电路的电路图 该电路工作原理如下。电路中有两个恒定电平信号s l 和s 2 ，这两个信号均 由偏置信号y 1 4 和能隙基准源m 1 4 信号产生，它们在y 7 与y 8 两个信号的控 制下，分别与h i 信号进行比较。当s 5 为低电平，h 1 与s 2 比较，同时电容充 电，h 1 电压逐渐上升，若h l 上升至s 2 电平时，s 5 升为高电平。此后，h 1 与 s 1 信号比较，同时电容放电，h 1 开始下降，至h l 低于s 1 时，s 5 重新变为低 电平，电容开始充电过程。这两个暂稳态如此重复下去，则产生振荡，s 5 端输 出矩形波信号，而s 1 3 端输出锯齿波信号，且s 5 的上升沿为$ 1 3 的峰值点，s 5 的下降沿为s 1 3 的最低电位点。 该电路的振荡频率由以下因素决定。s l 和s 2 电平的高低、电容大小和偏置。 锯齿波的高电平和低电平值均由s 1 、s 2 决定，其值比s l 和s 2 低一个n p n 管 的v b e ，如果锯齿波的斜率确定以后，则s l 与s 2 的差值越大频率越低；差值越 小，则频率越高。电容c 1 的值越大，则充放电所需时间越长，频率越低。偏置 堇三童皇堕星垄耋鱼墨坌堑 信号f 4 加在p m o s 管上，则f 4 的电平值越高，充放电速度越慢，周期越长， 频率越低。 振荡器的模拟结果如图2 5 所示。从图中看出，锯齿波的周期1 0 1 3 u s ，振 荡频率为9 8 7 k h z 。在选定器件参数条件下，偏置信号在4 5 4 6 v 之间变化时， 振荡频率在9 0 10 0 k h z 。 1 8 0 8 0 0 r f l 一2 0 a m 7 0 3 彩 一1 0 - ：2 弋八八、八 7叭 _1 u ：1 ：一n 广 一 厂厂一a - - in r 1 0 a u1 3 0 u1 6 0 u1 9 0 u t l m e ( s ) 图2 5 振荡器电路模拟波形 2 2 2 基准电压源与过热保护电路 基准源和过热保护电路的作用前面已经介绍，这里不再重复。由于基准电 压源和过热保护电路都需要考虑与温度的关系，所以将两部分电路结合在一起 来设计。基准源部分采用标准双极型能隙基准源，该基准源的输出作为电路中 振荡器、过压与欠压比较等各个部分的比较基准；过热保护电路是在温度超过 预定值时，输出一个信号锁定l d m o s 管，使电路停止工作，直至重新加电复 位。基准电压源和过热保护电路结构图如图2 - 6 所示。 首先考虑集成电路中各种元器件的热特性。 1 电阻。集成电路中的电阻一般为扩散电阻，影响电阻阻值的因素有：载 流子迁移率、载流子浓度。其中载流子迁移率随温度升高而降低，主要 图2 - 6 基准电压源与过热保护电路图 受晶格散射与电离杂质散射的影响；而载流子浓度随温度升高而增加， 主要受半导体中本征载流子浓度影响。二者对阻值的影响趋势相反，具 体要看实际的杂质浓度、晶格完整性等。实际的s i 集成电路中一般扩散 电阻中的掺杂浓度大于l e l 6 c m 一，工作温度低于1 5 0 0 c ，考虑这些因素 扩散电阻的温度系数为正值。例如，基区扩散电阻的温度系数与方块电 阻的关系如表2 - 1 所示。 表2 - 1 典型基区扩散电阻t c r - r s 关系 lr s ( q n ) i 3 0 0 i 2 0 0 i 1 0 0 i 5 0 i 2 二极管。根据能带理论，随温度升高，半导体的禁带宽度减小。对p n 结来讲，禁带宽度俞小，正向导通压降也俞小，所以，温度升高二极管 正向压降减小，正向电流增加。对于齐纳管来讲，由于击穿机理为隧道 击穿，温度升高，其反向电压下降。 3 m o s 管。影响m o s 管漏极电流i d 的因素有阈值电压、栅电压、载流子 迁移率三方面。阈值电压随温度的变化趋势如下：对于n m o s 管，阈值 电压的温度系数为负值；对于p m o s 管，阈值电压的温度系数为正值。 但由于n m o s 闽值为正，p m o s 管阈值电压为负，所以温度对阈值电压 的影响均使i d 有增大的趋势。载流子迁移率随温度升高而下降。结论如 下： 星三童查堕堡堡童鱼基坌堑 a 当( v g s v t ) 较大时，温度增加i d 减小，漏极电流的温度系数为负。 b 当( v g s - v r ) 较小时，温度增加i d 增加，漏极电流的温度系数为正。 c 当满足公式2 - 2 时，随着温度升高，i d 不变。 a 以 母1 2v 珊= 簪 a 丁 为了说明双极型三管能隙基准源的工作原理，现将简化电路用图2 7 表示。 图中q l 、q 2 、r 1 、r 3 组成小电流恒流源，因为集成n p n 管的bf 很大，所以 可以忽略基极电流i b 。则 ，2 r 3 = f l 一e 2 = a 1 2 r 2 = a p 2 a v 此电路的输出基准电压 2 ，+ = + 薏 图2 7 三管能隙基准源简化原理图 其中 = 等- n 乏绦= 等m 老 式中ie i ，i e 2 ，a 阶a e 2 ，j i ，j 2 分别为q 1 ，q 2 管的发射极电流、有效发射结面 墓三塞垦堕星垄耋鱼塞坌堡 积和发射极电流密度。由上两式得到 = + 惫等1 n 粤= + 惫i l n 妻 公式2 3 由上式可知，利用等效热电压v 。的正温度系数和v a n 的负温度系数相互补偿， 可使输出基准电压的温度系数接近零。 在选定参考温度后只要适当设计r 2 r 3 和j l j 2 ，即可使在该温度下基准电压 的温度系数接近零。由于这种温度系数为零的基准电压的值接近于材料的能隙 电压，所以称为能隙基准源。 在实际应用的电路中，是以电路中的m 1 4 为基准电压输出端，之所以不从 基准点直接输出，是为了保证恒压处电流稳定，减小等效输出电阻，减小负载 电流对输出电压的影响。需要注意的是为了和基准点相匹配在输出端到地之间 设计电阻和二极管，使其到地电位与基准部分相同。基准源电路的模拟结果如 图2 8 所示。当工作电压为5 7 v 时，温度从3 0 0 c 到1 5 0 0 c 变化，输出电压为 1 1 9 0 + 0 0 0 2 v ；当工作温度为8 0 0 c 时，电源电压从4 v 到8 v 变化，输出电压 为i 1 9 0 5 0 0 0 2 5 v ，满足电路的需要。 一 1 9 0 0 、一1 1 8 9 0 1 1 8 8 日 d cr e s p o n * e d cr e a l n s e 7 f 1 日1 1 01 5 口 t e m p ( c ) 图2 - 8 基准源输出随温度和电源电压的变化 电路的右半部分是过热保护电路，当温度低于关断温度时，x 1 6 为高电平， q 6 处于截止状态，反馈的n m o s 管m 6 处于导通状态。该电路主要由双极型晶 体管的v a n 来感应芯片上温度的变化。当温度上升时，电阻r 5 上压降增大，使 q 6 基极电压上升，同时双极型晶体管q 6 的v b e 下降，使q 6 进入导通状态，其 集电极电压下降，导致x 1 6 电位下降，输出低电平，进入热关断状态。同时， 由于x 1 6 变为低电平，n m o s 管m 6 进入截止状态，使q 6 基极到地的电阻增加， 形成一个正反馈，这样可以有效地抑制热振荡，直至温度下降后重新加电启动 才能退出热关断。该电路的模拟结果如图2 - 9 所示，使x 1 6 变为低电平的温度 为1 3 2 0 c 。 6 0 4 0 2 ，0 o 0 ：3 d cr e s d o n s e t 日m p ( c ) 图2 - 9 过热保栌信号产牛波形 影响过热保护电路翻转的因素除电路的偏置、q 6 的v b e 电压外，电阻r 5 的值也非常重要。正是由于我们将基准电压源与此电路设计在一起，翻转温度 对电阻r 5 绝对值要求有所降低，模拟结果表明r 5 在1 2 0 k 1 8 0 k 之间变化时， 翻转温度在1 2 0 0 c 1 3 5 0 c 范围内。 2 2 3 运算放大器电路 在讲述该控制i c 基本工作原理的时候已经讲过，运算放大器的作用是将反 馈的实际电压和期望值的差值进行比较，并将其差值放大，产生与锯齿波相比 较的控制信号。电路工作中，输出脉冲宽度调制波调整的角频率为7 k h z ，所以 图2 1 0 运算放大电路结构图 1 6 篁三茎蜜堕星垄量垡塞坌堑 对运算放大器的频率响应速度要求较低；同时运算放大器工作于闭环状态，其 使用中的放大倍数由其它电路来决定，设计时要求开环增益为6 0 d b 以上。 图2 1 0 为该电路的电路结构图，图中由两个n p n 晶体管作为差分输入对管， 减小温漂的影响；两个p m o s 管作为有源负载，提高放大倍数；采用电阻来作 为偏置；输出臂上的二极管是为了提高输出电平值来增加的。运算放大器为双 端输入单端输出结构，其一个输