（测试计量技术及仪器专业论文）单片acdc开关电源管理ic设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 单片开关电源管理集成电路具有高集成度、高性价比、简单外围电路、优越性能 指标等优点能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源，目前已成为国际上开发 中、小功率开关电源、精密开关电源、专用开关电源以及开关电源模块的优选集成电 路，使得开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。 本论文基于c m o s 工艺，并利用c a d e n c ee d a 集成电路设计工具、s p e c 仃e s 仿真 工具，设计了一种单片a c d c 变换型的开关电源管理集成电路。该集成电路的工作方 式为p w m 即脉冲宽度调制方式；电路正常工作温度范围是o 7 5 ；工作的开关频 率为i o o k h z ；输出信号工作的最大占空比为6 3 ，最小占空比为7 5 ，可以应用在 电池充电器等装置之中。 文中首先分析了p w m 控制方式的工作原理，然后根据功能需要以及设计要求完成 了对a c d c 开关电源管理集成电路的整体结构设计，同时结合该集成电路的实际应用 详细地描述了其工作原理。并对集成电路内的各个模块包括反檑器、与门、或门、基 本k s 触发器、八分频电路、基准电压电路、误差放大电路、电医比较电路、锯齿波振 荡发生电路、p w m 比较电路、软启动电路、上电复位电路、驱动电路、前沿消隐电路、 过热保护电路、欠压保护电路、过流保护电路等进行了具体的设计和仿真，且达到了 预先设定的指标。 其次，本论文还对整体电路的工作过程即上电工作过程、正常工作过程、过流保 护工作过程以及自动重启工作过程进行了分析与仿真，根据仿真结果表明，该集成电 路满足了设计的要求，完成了该集成电路的前端设计r 文中最后对集成电路设计中所采用的c a d e n c ee d a 集成电路设计软件的使用进行 了详细的介绍与说明。 关键词：开关电源管理集成电路、p w m 工作者式、c a d e n c ee d a 单片a c d c 开关电源管理i c 故计 t h e d e s i g no fs i n g l e c h i pa c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y m a n a g e m e n t i c 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 ) h a sm a n y v i r t u e s s u c ha sh i g hi n t e g r a t i o nl e v e l ，m o s tc o s te f f e c t i v e ，l o w e s tc o m p o n e n tc o u n ts w i t c h e rs o l u t i o n ， a n dh i g hp e r f o r m a n c e i t sb e i n gu s e dc a r l f o r mh i g he f f i c i e n c yi n s u l a t e ds w i t c h i n gp o w e r s u p p l yw i t h o u tu s i n gu t i l i t yp o w e rt r a n s f o r m e r t h es w i t c h i n gp o w e r i ci ss e l e c t e df i r s t l yi n t h e d e s i g n o fh i g h p o w e rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , p r e c i s i o ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ， a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n d s oo ni nt h ew o r l d ，w h i c hh a sb e e nm a k i n g s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys h o r t ，s m a l l ，l i g h ta n d t h i n b a s e do nc m o st e c h n o l o g ya n du s i n gt h et o o l so fc a d e n c ee d a ，at y p eo i s i n g l e c h i p s 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 c i s d e s i g n e d f o rt h e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yo f a c d ci tw o r k sa th i g hf r e q u e n c yw i t hp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) m o d e ；t h ew o r k i n g f r e q u e n c y i sf i x e da t1 0 0k h z 。s of a ra st h eo u t p u ts i g n a lo ft h es i n g l e c h i pi ci sc o n c e r n e d ； t h em a x i m u mt i m ep r o p o r t i o no fi t sh i g hl e v e li s6 3p e r c e n t ，b u tt h em i n i m u mo n ei s7 5 p e r c e n t i ns u m ，t h es i n g l e c h i pi ci sm a i n l yu s e di nc h a r g i n g d e v i c e ss u c ha sb a t t e r y c h a r g e r i nt h i sp a p e r , t h eb a s i ct h e o r yo fp w mm o d ei sg i v e nf i r s t l y t h e nt h et o t a ls t r u c t u r eo ft h e i ci s p r e s e n ta c c o r d i n gt o t h ef i m c t i o n r e q u i r e m e n t b a s e d o ni t sa c t u a l a p p l i c a t i o n ，t h e w o r k i n gt h e o r ya n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea r es h o w e d i nt h em e a n t i m e ，t h ea l l s u b c i r c u i t s a r ea l s od e s i g n e da n de m u l a t e dc a r e f u l l yi n c l u d i n gi n v e r t e r , a n dg a t e o rg a t e ，r st y p e f l i p - f l o p ，8f r e q u e n c yd i v i d e r , v o l t a g er e l 、e r e n c ec i r c u i t ，e r r o ra m p l i f i e r , v o l t a g ec o m p a r a t o r , s a w _ t o o t h w a v eg e n e r a t o r , p w mc o m p a r a t o r , s o f ta c t i v a t i o nc i r c u i t ，p o w e r u pr e s e tc i r c t f i t ， u d e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h e r m a ls h u t d o w nc i r c u i ta n ds oo n a sar e s u l t ，a l lo ft h e s u b c i r c u i t sa n s w e rt h er e q u i r e m e n t s w h a ti sm o r e ，t h es y n t h e t i cc i r c u i ti se m u l a t e da b o u tp o w e r - u pw o r k i n g ，n o m m lw o r k i n g ， a u t o m a t i cr e s t a r t w o r k i n ga n do v e r 。c u r r e n tw o r k i n g ；山e r e s u l t so fe m u l a t i o nm e e tt h e f i m c t i o n r e q u i r e m e n t t h ef o r w a r d d e s i g n o f 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 y m a n a g e m e n t i ch a sb e e nf m i s h e d a t l a s t ，t h eu s a g eo f s o f t w a r eo fc a d e n c ee d ai nd e s i g ni si n t r o d u c e di nt k i sp a p a r 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 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 ，p w mw o r k i n g m o d e ，c a d e n c ee d a 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：堂日期： 人连理t 大学颁十学位论义 1 绪论 1 1 开关电源的概述 电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术 指标及能否安全可靠地工作。直流稳压电源分线性电源和开关电源。线性稳压电源亦称 串联调整式稳压电源，其稳压性好，输出纹波电压很小，但它必须使用工频变压器与电 网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低。 丌关电源s p s ( s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y ) 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。开关电源内部关键元器件工作在高频开 关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达8 0 , - - 9 0 ，比普通线性稳压电源效率提 高近一倍。开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实 现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波 元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高精度、高可靠性、体积小、重最轻的开 关电源奠定了基础。 1 1 1 开关电源的发展 卜4 3 6 4 2 开关稳压电源的发展己有3 0 多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂贵，仅 用于卫星电源等少数领域。2 0 世纪6 0 年代出现过晶闸管相位控制式开关电源，7 0 年代由 分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而 难于推广，使之应用受到限制。7 0 年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步， 各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。将控制、驱动、保护、 检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、 模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。 电源的集成化，使得它被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等 领域巾。随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强的大规模集成电 路的不断出现，使电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻，与之相比，电源 要笨重得多。在现代智能化电子产品中，电源体积要比微处理器大几十倍，如何减小开 关电源的体积，面临着新的挑战，提高频率也是丌关电源要面临的问题。理论分析和实 践经验表明，电器产品的体积、重量随供电频率的平方根成反比的减小，所以当把频率 从5 0 h z 提高到2 0 砌赴，提高4 0 0 倍，用电设备的体积、重量大体上降至_ 频设计的 5 - 5 0 。但是，频率提高以后，对整个电路中的元器件又将有新的要求，因此高频工 作卜的有关电路元器件也有待于进一步的研究。 我国对开关稳压电源的研制工作开始于6 0 年代初期，7 0 年代起，我国在黑白电视 机、中小型计算机中开始应用5 v 、2 0 2 0 0 a 、2 0 k h z 、a c d c 开关电源。8 0 年代进入大 规模生产和广泛应用阶段，并丌发研究0 5 5 m h z 准谐振型软开关电源。8 0 年代中，我 国通信电源在a c d c 及d c d c 丌：关电源应用领域巾所占比重还比较低。8 0 午代术，我 国通信电源大舰模更新换代，传统的铁磁稳压一整流电源和晶闸管相控稳压f 巳源为大功 率a c d c 开关电源所取代，并丌始在办公室自动化设备中得到应用。9 0 年代我田又研 制丌发了一批新型专用巧关电源，如卫星上用的厅关电源、远程火箭控制系统用的 一 璺竺! ! ! ! ! 垄墨皇堡笪些堕堡生 d c d c 蝴。多年来，虽然我国在开关稳压电源方面得到了很大发展，但与其 它技术相比，特别是与i c 、v l s i 技术相比，还存在集成度差、使用方法复杂等缺点。 未来的丌关电源应该是更加小型化、高效率，其内部的各个功能模块相对独立，并可以 根据要求进行组合，在整机电路中形成一个黑匣子，被作为一个冗器件来使用。今后， 采用对环境无害的电路方式、对电子元件进行最优化设计将继续是开关电源设计的主要 课题。 1 1 2 单片开关电源的发展趋势 随着各种新技术不断涌现，新工艺的普遍采用，单片集成开关电源主要从下述两 个方向发展 1 。 第一个发展方向足对开关电源的核心单元即控制电路实现集成化。 1 9 9 7 年国内外首先研制成功p w m ( 脉冲宽度调制，简称脉宽调制) 控制器集成电 路，如美国m o t o r o l a 公司、s i l i c o ng e n e r a l 公司、u n i t r o d e 公司等相继推出的p w m 芯片， 其典型产品有m c 3 5 2 0 、s g 3 5 2 4 、u c 3 8 4 2 。之后，在其基础上，国外又研制出丌关频 率达1 m h z 的高速p w m 年i i p f m ( 脉冲频率调制) 芯片，典型产品有u c l 8 2 5 、u c l 8 6 4 等。 第二个发展方向是对中、小功率开关电源实现集成化。 2 0 世纪8 0 年代初，意一法半导体有限公司( s g s t h o m s o n ，简称s t ) 率先推出l 4 9 6 0 系列单片开灭式稳压器。s t 公司与9 0 年代初又推出了l 4 9 7 0 a 系列产品，包括 l 4 9 7 0 a l 4 9 7 7 a 。该公司在1 9 9 8 年还研制出l 4 9 7 8 a 型单片开关式稳压器。其共同特点 是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，但使用时需配工频变压 器与电网隔离，适合制作电压可调试输出( 5 1 4 0 v ) 、大中功率( 4 0 0 w 以f ) 、大电 流( 15 m o a ) 、高效率( 电源效率可超过9 0 ) 的开关电源。但从本质上属于d c d c 电源变换器。 1 9 9 4 年，美国电源集成( p o w e ri n t e g r a t i o n ，简称p i ) 公司在世界上率先研制成功 三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，属于a c d c 电源变换器。其第一代产品是1 9 9 4 年问世的t o p s w i t c h 系列，第二代是t 9 9 7 年的t o p s w i t c h 一系列，第三代和第四代产品 是2 0 0 0 年的t o p s w i t c h - f x 和t o p s w i t c h g x 系列单片开关电源。美国摩托罗拉 ( m o t o r o l a ) 公司1 9 9 9 年推出了m c 3 3 3 7 0 系列五端单片开关电源，也成为高压功率开关 调节器。m c 3 3 3 7 0 系列包括m c 3 3 3 6 9 m c 3 3 3 7 4 等6 种规格、1 7 种型号，主要应用于办 公自动化设备、仪器仪表、无线通讯设备及消费类电子产品中。荷兰飞利浦( p h l i i p s ) 公司于2 0 0 0 年研制成功t e a l 5 1 0 、t e a l 5 2 0 系列单片开关电源。美国安森美( o n s e m i ) 半导体公司与1 9 9 8 年至i 2 0 0 1 年期间也推出了n c p l 0 0 0 、n c p l 0 5 0 系列单片开关电源，可 广泛应用于家用电器的辅助电源、便携式电池充电器、调制解调器等。 1 1 3 单片开关电源的主要特点及应用领域 r f l 片丌关电源集成电路具有高集成度、高性价比、简单外围电路、优越性能指标 等特点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源，与线性电源相比较，不仅电源 效率l 有了显著提高，而且体积和重量上减少了1 3 2 1 3 ，展示了其良好的应用前景。 单片r 关电源的主要应用领域有： 大连理工人学硕 学位论文 ( 1 ) 通用开关电源：各种通用开关电源、丌关电源模块、精密开关电源模块和智 能化开关电源模块等。 ( 2 ) 专用开关电源：微机电源、u s b 接u 电源、彩电、录像机等家用待机电源、 手机电池充电器、调制解调器电源、电子仪器仪表电源等。 ( 3 ) 特种开关电源：恒压恒流型开关电源、恒功率输出型开关电源等。 1 2 开关电源的基本原理 1 2 1 开关电源的控制方式 4 目前开关电源控制器的控制方式主要有三种：脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制 方式和混合式调制方式，下面将介绍这三种方式的各自特点。 ( 1 ) 脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 式。其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期固定，为设 计滤波电路提供了方便。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能 作宽范围调节；同时在晶体管的开通时间内，有很短的t o n 时间可调，使输出电压不稳 定，故在输出端必须要有一定数量的假负载( 亦称预负载) ，以防止空载时输出电压升 高。 ( 2 ) 脉冲频率调制方式，简称脉频调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，缩写为p f m ) 式。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。在电路设计上要用固定 脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压频率转换器改变频率。 其稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而刷期变长，使占 夺比减小，输出电压降低。 ( 3 ) 混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式， 它属于p w m 和p f m 的混合方式。由于脉冲宽度和周期均可单独调节，因此占空比调节 范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。 122 脉宽调制式开关电源的基本原理 4 3 4 7 图1 1 脉宽调制式开关电源的基本原理框图 f i g 1 1p r i n c i p l eb l o c kd i a g r a m o fp w mm o d ef o rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 3 u 单”a c d c 开关l 也源管理i c 设计 脉宽凋制式丌关电源的基本原理如图1 1 所示。交流2 2 0 v 输入电压经过整流滤波后 变成直流电压v l ，再由功率开关管v t ( 或m o s f f t ) 斩波、高频变压器t 降矾，得到 高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器v d 、c 2 ，获得所需要的直流输出电压v o 。 脉宽调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控 制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器提供 刚钟信号。利用误差放大器* n p w m t 较器构成闭环调节系统。假如由于某种原因致使 v o 降低，脉宽凋制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空k g d ，使斩波后的平均 值电压升高，导致v o 升高，反之亦然。 1 3 开关电源管理集成电路的概述 1 3 1 管理集成电路在开关电源中的应用 功率集成电路( p o w e ri c ) 是功率半导体技术与微电子技术相结合的产物。1 9 8 1 年美国研制出第一块功率集成电路，并于1 9 8 5 年进入商业化生产和应用，最先应用于电 压调整电路和功率放大电路，但目前，功率集成电路已应用到开关电源( s w i t c h i n g p o w e r ) 、马达控制( m o t o rc o n t r o l ) 、电子整流器( e l e c t r i c a l b a l l a s t ) 等 5 ，预计将是发展最快、最受欢迎的功率半导体器件 6 。 在功率电子装置中采用的集成电路大致有三种类型： 第一种是分立的功率器件，包括晶闸管、大功率双极性晶体管、l d m o s ( l a t e r a l d o u b l e d i f f u s e dm o st r a s i s t o r ) 、l i g b t ( l a t e r a li n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i t o r ) 等功率器 件。这些器件具有功率容量大、能量损耗低、开关速度快等特点，适用在电力电子装置 之中。关于性能更优越的分立器件一直是被研究的对象，也是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等纵向工艺和较厚的外延层来达到耐压要 求，同h 寸大功率器件的面积很大 3 4 。 第二种是智能功率集成电路( s m a r t p o w e r i c ，s p i c ) ，它是功率电子器件与 控制电路、保护电路以及传感器电路等多功能的单片集成。第三种类型是高压集成电路 ( h i g hv o l t a g ei c ，h v i c ) ，它是高压器件与其控制作用的传统逻辑电路或者模 拟电路的集成 5 。 功率集成电路将功率器件与低压逻辑控制电路集成在一个芯片上，这样集成与分 立器件相比较的好处是显著地提高了电路的性能而降低了成本。同时，功率集成电路可 以实现低压电路的过热、过流、欠压保护等功能，既提高了电路的可靠性，也有效地保 护了功率器件的工作。在8 0 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 路随着微电子技术的进步而迅速发展起来。它们将融合功率半导体、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、 航宅航天和其它高新技术产业的基础产业。特别是智能功率集成电路，它的一系列的优 势越来越明显，使得功率集成电路一开始就被各国专家所看好，被称为“第二次电子革 命” 5 1 3 5 。 而丌关电源由主电路和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的工作状态，将控制电路集成化即成为丌关电 源管理集成电路。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 人连理t 大学硕t 学位论文 率集成电路得到广泛的应用和快速发展。采用这种集成电路来调节和控制开关电源，不 但使外部电路简单、元器件少，而且效率高、输出稳定、可靠性高，还可以和微处理器 搂f 或通过局域网来实现编程或控制功能 7 9 。 1 3 2 开关电源管理集成电路的发展现状 开关电源管理集成电路产生于7 0 年代( 见l ，1 2 节) ，之后便显示出其强大的生命力， 新代的开关电源管理集成电路采用功率半导体器件( 女n l d m o s 、l i b t 等功率器件) 作为开关件，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 关电源的控制方式可分为p w m 式、p f m 式和p w m 与p f m 混合式。目前采用p w m t _ 作 方式的管理集成电路较多，比如l i n f 王n i t y 公司的s g l 5 2 4 、r i c o h 公司的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 、m a x d 公司的m a x 7 3 6 7 3 7 以及p o w e ri n t e g r a t e d 公司的 t o p f l 系列的集成电路等。而p f m 工作方式的管理集成电路主要有 m a x 7 7 0 7 7 1 7 7 2 7 7 3 、s e i bi n s t r u m e n t s 公司的s 一8 5 2 1 等。 图1 2 所示的是n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 脉冲宽度调制( p w m ) 的管理集成电路 l m 2 6 7 0 的内部框图，主要包括振荡器，基准电压源，p w m 比较器，控制电路，驱动级， 功率开关管m o s f e t ，热关断电路等 8 。 图1 2p w m 式管理集成电路l m 2 6 7 0 内部框图 f i g 1 2l n e r n a lb l o c kd i a g r a m o fp w mm o d ef o rm a n a g e m e n ti co f l m 2 6 7 0 误差放大器是将f e e d b a c k ；l n 检测到的电压信号与基准电压的差值进行放大，振 荡器的作用是产生所需频率的脉冲和锯齿波，脉冲是作为内部电路的时钟信号，控制着 整个电路的1 作状况，而锯齿波则是输x n p w m 比较器中，通过j 误差放大器输出的 放大信号进行比较产生p w m 信号，通过控制逻辑电路和驱动器来控制功率丌关管 m o s f e r 的丌通与关断，同时增加了蝗热关断电路等辅助电路，来增加管理集成电路 单片a c f d c 开关l 乜橱管理i c 设计 的口 靠性。 正是由于采用了全新的工作方式和较高的工作频率，开关电源管理集成电路能大 人地提高电源效率，使得输出电压或电流趋于稳定。l l 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 效率可达到8 3 ，输出电压为，1 5 v 时，纹波幅度为0 7 5 v ；f s d h 0 6 1 5 在空载时消耗功率小于2 5 0 r o w ；r h 5 r h 系列输出高电压精度为士2 5 ，效率的典型值 为8 5 ：而t o p i i 系列的管理集成电路所组成的电源效率可达9 0 。 在目前所产生的新一代的丌关电源管理集成电路，除了加一些必要的过热保护电 路之外，还加入过流保护、过压保护、欠压保护等电路，使之成为真诈的智能管理集成 电路。k g 女n s i 9 1 4 5 ，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 n 式来节省 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 ，再等一段时间后再重新启动，避免了在异常情况下l d m o s 管反复开关。 t o p i i 系列出了具有自动重启功能外，在故障发生时间内只容许5 的导通时间，更有效 地保护开关器件。而t o p s w i t c h f x 系列除了具有软启动功能外，还采用了频率抖动来 降低电磁干扰e m i ( 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 ) 以及滤波费用，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。 在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器件，其中有驱 动m o s 型和双极性功率器件的驱动电路。如果在集成电路内部集成功率开关器件，这 样就大大增加了可靠性和对用户的方便性。目前已经有这样的集成电路，_ f 2 n f a i r c h i l d 公司的f d s h 0 1 6 5 内部集成了耐压6 5 0 v 的l d m o s 管，p o w e ri n t e g r a t e d 公司的 t o p e 系列内部集成了耐压7 0 0 v 的l d m o s 管。 1 4 本论文的设计目标 本论文所设计的是个a c d c 变换型开关电源的控制集成电路，对此集成电路的 设计目标如下： ( 1 ) 正常工作的电压为5 7 v ； ( 2 ) 正常工作的温度范围为o 7 5 ，允许工作的最高温度是1 3 2 。c ； ( 3 ) 采用脉冲宽度调制即p w m 控制方式； ( 4 ) 开关频率设计为i o o k h z ，允许范围为9 0 k t t z 1 1 0 k h z ； ( 5 ) 信号输出的最大占空比是6 3 ，最小占空比为7 5 = l 6 ) 具有软启动电路、过热保护电路、欠压保护电路以及过流保护电路等； ( 7 j 组成的开关电源输入适配电压为8 5 2 6 5 v 的交流电压，输出电压可调； ( 8 ) 完成所有子电路的设计与仿真、综合电路的仿真以及各子电路的网表生成。 1 5 本论文开展的工作环境 ( 1 ) 在硬件方面：两台分别在l i n u x 干l ：l w i n d o w s 环境下工作的p c 机。 ( 2 ) 在软件方面：开发工具是l i n u x 环境f 运行的c a d e n c ee d a e e 具；电路设计工 具是c a d e n c ee d a 软件中c o m p o s e r 软件包；仿真工具是s p e c t r e s ，在本论文中出现的所 有仿真图均n s p e c t r e s 仿真波形。 ( 3 ) 在f = 艺方面：采用了c m o s 工艺的b i s m 3 仿真模型。 大连理工大学硕士学位论文 1 6 本论文的主要工作 本论文的主要工作是设计一个采用p w m 方式工作的反激式单片a c d c 开关电源管 理集成电路。本论文共分七章，各章内容的介绍如下： 第一章是绪论部分。主要介绍了开关电源以及开关电源管理集成电路的一些国内 外发展概况，最后对本论文的各章节进行了安排。 第二章首先对p w m 工作原理进行了说明，最后对集成电路的整体结构设计进行了 详细的介绍。 第三章、第四章分别对集成电路中所涉及到的数字单元电路和模拟单元电路进行 了设计和仿真，并对仿真结果进行了说明。 第五章对整体电路进行了综合分析和仿真，同时也对仿真结果进行了详细的分析 与说明。 第六章介绍了c a d e n c ee d a 集成电路设计软件使用简介。 第七章是总结与展望部分。主要总结了本论文对集成电路设计所做的工作。 单片a c d c 开关电源管理i c 设计 2 集成电路的整体结构设计 2 1 脉冲宽度调制( p w m ) 控制方式的工作原理 在d c d c 电源变换模块的作用是将一个输入不稳定的直流电压变成一个输出稳定 直流电压，是通过控制功率开关器件的导通和关断时间来进行工作的。p w i v l 控制方式 用在开关电源的反馈控制电路之中，固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比 的，图2 1 给出了脉冲宽度调制方式的基本原理图。 - 1hn 厂 厂 厂p 删信号 图2 1p 1 g m 控制方式的基本原理图 f i g 2 1b a s i cp r l n d p l ed i a g r a m o f p w l v lm o d e 反馈电压与基准电压之差通过误差放大器进行放大产生误差控制信号作为p w n i 比较器的一个输入，而p w i v l 比较器的另一个输入则是锯齿波信号，二者通过比较产生 脉宽调制信号即p w m 信号来控制功率开关管的导通和关断时间，当锯齿波信号电平值 高于误差控制信号时，p w i v l 信号为低电平o f f , 则功率开关器件关断，反之为高电平 o l l ，功率开关管导通。所以p w l v l 信号的占空比d 为： d ：k 1 0 0 ：! 婴1 0 0 ( 2 1 ) t t 。- t - t o n 其中t o n 和h 分别是p w m 信号的高电平持续时间和低电平持续时间，t 为p w m 信号的周期。反馈电压升高时，误差放大器的输出误差控制电压降低，则h 增大，t o n 减小，占空比d 减小，反之，占空比d 增加。 2 2 集成电路的整体结构设计 本论文设计的a c d c 开关电源管理集成电路的内部功能框图见图2 2 所示，该集 成电路电路的主要组成部分有误差放大器、振荡器、p w m 比较器、基准电压源、软启 动电路、上电复位电路以及其它一些保护电路等。 该集成电路的功能描述如下：d 端是集成电路的启动端，c 端为反馈输入端，也是 集成电路内部电路的电源输入端，s e n s e 端是过流检测端，而g n d 是地端。反馈端c 一8 一 大连理工夫学硕【：学位论文 柃测到的反馈电压进行分压后与基准电压源产生的基准电压通过误差放大器进行比较 放大，输出误差放大信号即控制信号，再将此挎角q 信号与振荡电路产生的锯齿波信号 通过p w m 比较器产生p w m 信号，来控制外接功率开关管的关断利导通。 ：- - tt 1 _ 匝函磷圈_ ， 二面瘛斗o j1l1 启动瑞 j 图2 2a c d c 开关电源管理集成电路的整体结构框图 f i g 2 2t o t a lb l o c kd i a g r a m o f a c d c s 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 c 洪差放大电路是将c 端反馈的电压值与基准电压值的差值进行放大。本论文所设 训的集成电路要求误差放大电路的放大倍数不是很大，这样就可以减少一些特殊的放 大级电路。 振荡电路则产生固定频率的锯齿波信号、方波信号以及时钟信号，为了降低电磁 干扰和提高电源效率，该振荡电路的振荡频率( 或功率开关管的开关频率) 设计为 10 0 k h z 2 8 9 。 p w m 比较电路是一个将锯齿波信号与误差放大信号进行比较的电路，它产生的 p w m 信号用来控制功率开关管的导通和关断，此电路是本设计中的一关键电路，所以 要求p w i v l 比较电路的比较转换时间很小。 基准电压源是能够产生对温度和电源电压不敏感的基准电压，为其它电路提供基 准电压，所以要求该基准电压源是一个性能较好的能隙基准电压源。 管理集成电路内还有偏置电路、过热保护电路、欠压保护电路、过流保护电路、 卜电复位电路以及低通滤波器电路、软启动电路、内部旁路、前沿消隐电路、输出驱 动电路以及逻辑控制数字电路。 此a c d c 开关电源集成电路可以给电源系统带来了很多优势。首先，它显著地减 少了外围元件数目，使开关电源变得更轻更小；其次，减少元件数在提高可靠性的同 时也降低了成本。其外，它的集成化还带来了另外一些好处比如：可以提供更好的 过热保护和过流保护，使设计_ _ i 二程师的任务更由【简单 3 0 】。 陔集成电路的应用原理图如图2 3 所示。此电路的应用属于反激式，f ：关电源，反激 单片a c d c 开关l b 源管理i c 世计 式就是当功率丌关管导通时，就将电能储存在高频变压器t 的初级线圈n l 内；当功率 ，关管关断时，才向次级线圈n 2 传输能量。由于开关频率高达1 0 0 k h z ，所以使得高 频变压器能够快速储存和释放能量，经过整流滤波后即可得到直流连续输出电压v ( ) u ，。 v d z 】， ： ： v d lj 二 p b r jljl c 1 j 1 i c 二 一 v d 一 r 功率 c t 。i c 一【e 1 ljl 一 一 ! 竺垩! 垩i n s 由 i 6 一+ e 、c z 干”。u l 、| 一 图2 3a c d c 开关电源管理集成电路的应用原理图 f i g 2 3a p p l i c a t i o np r i n c i p l ed i a g r a mo f a c d c s 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 c 下面阐述整个电路的工作过程：交流输入电压在经过桥式整流滤波后，变成脉动 的直流电压v 1 ，再经过变压器的主线圈n 】加在功率开关管的漏极上。在电源电路刚开 始工作时候，功率开关管处于关断的状态，外部的变压器t 主线圈n 。的输入电压为零， 并不能向次级线圈n 2 传输能量，次级线圈n 2 的输出端上电压为零，所以输入的交流电 压经过桥式整流滤波后，通过d 端来启动芯片内部的软启动电路来对c 端外接的电容 c 1 、充电，当c 端电压达到上电复位电压后，上电复位电路就对逻辑控制电路内的r s 触发器复位；此时，电压还继续上升，振荡电路开始工作，但是功率开关管还没有开 启，仍处于关断状态，直到c 端电压到5 7 v 后，功率开关管开始 二作，这时，软启动 电路被关断；此后，变压器已经开始传输能量，c 端电压由反馈线圈n 3 来提供，误差 放大器将c 端的电压分压一部分，与基准电压进行差值放大产生误差控制信号，再与 振荡电路产生的锯齿波信号通过p w m 调制器进行比较，并输出脉冲宽度调制信号，来 控制功率开关管的导通和关断。起始工作过程到正常工作过程示意图见图2 4 所示。 h 一羌断状态_ 巾卜_ 一开关扰杏刊 图2 4 电路起始工作和正常工作时的波形 f i g 2 4w a v e f o r m o f s t a r t u pw o r k i n g a n dn o r m a lw o r k i n go fi c 1 0 - 蒜需 电一一m 一 一 大连理工大学硕士学位论文 倘若腱冲宽度调制信号一直保持高电平，这就意味着反馈端c 的电压一直维持着 较低的电压，那么，则由振荡电路方波信号决定了功率开关管最大导通时间；如果c 端的电压一直保持较高的电压，p w m 比较器输出一直为低电平，功率开关管的最小导 通时间由振荡电路的产生的脉冲信号来决定。电路正常工作时的各点工作波形示意图 见图2 5 所示。 椭号。厂 厂 厂 厂 厂 厂 辟冲信号。厂 厂r 厂r 厂1 鬻鬻尸卜7 墨7 弋孓尹弋丐兮弋了厶弋 ，删号。广 厂厂广厂厂 黼。厂 厂 厂 厂 厂 厂 族誊掰号厂 厂 厂 厂 厂 厂 量挈喜薹霞耜几 r 厂厂厂厂 量小占空比信号j iiilili ll l i 图2 5 电路正常工作时各点的工作波形 f i g 2 5n o r m a lw o r k i n g w a v e f o r mo f e a c h p o i n t 如果出现异常情况使得c 端电压低于4 7 v 时候，欠压保护电路开始起作用，输出 高电平，使得软启动电路对c 端电容c t 充电，当c 端的电压达到5 7 v 之后，软启动 电路关断，但由于逻辑控制电路内的八分频电路的保护情况下，功率开关管并不马上 导通，反而保持关断状态，为了防止功率开关管由于异常情况没有消除的情况下而误 导通，让c 端电容c t 反复充放电八次，当八个充放电之后，并c 端电压达5 t v 后， 功率开关管开始导通，如果异常。i i 况还没有消除，此过程再继续，一直到异常情况消 除为1 r ，这样可以减少电路的功耗。电路的自动重启的工作波形示意图见图2 6 所示。 图2 6 电路出现异常情况时的自动重启波形 f i g 2 6r e - a c t i v a t i n g w a v e f o r mo f l c w o r k i n g i nu n u s u a ls i t u a t i o n 在正常工作的时候，上