（电工理论与新技术专业论文）智能功率开关电源集成电路设计.pdf

上海大学工学硕士论文 a b s t r a c t s m a r tp o w e ri ci sn e wt e c h n i q u e ，a n du s e dw i d e l ya sf o l l o w s ：s p a c ef l i g h t ， c o m m u n i c a t i o n ，i n d u s t r ye t cf o ri t sh i g he f f i c i e n c y , l e s sp e r i 曲e r a lc o m p o n e n t a s m a r tp o w e ri ci s d e s i g n e di nt h i st h e s i s ，w h i c hc o m p r i s e sp w m 、o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n 、o v e r v o l t a g e p r o t e c t i o n 、a u t o - s t a r t f u n c t i o n s a t t h es a m e t i m e ，a l d m o s i sb u i l t i n c i r c u i ta n a l y z i n ga n d d e s i g n i n g , t e c h n i c si n t r o d u c i n g ，l a y o u td e s i g n i n g ，l d m o s d e s i g n i n gh a sb e e nf i n i s h e d 、e s p e c i a l l yia n a l y z e dt h ea n t i - h i 曲v o l t a g es t r u c t u r e a t l a s tw e g a v et h es i m u l a t i o nr e s u l tb u i l to nc a d e n c ea n dm e d i c is o f t w a r e , a n dt h e r 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 t h i sn e ws m a r tp o w e ri c b r i n g sm u c ha d v a n t a g e w e c a nd e s i g nap o w e r s y s t e m ， a n dt h i ss y s t e mh a sl o w p o w e rd i s s i p a t i o n 、t o wc o s t 、l i t t l ev o l u m e b u t i ti ss t a b l ea n d m a k e st h ed e s i g ne a s i e r k e y w o r d s ： s m a r ts w i t c hp o w e ri c ：p v ，m ：l d m o s i l 上海大学工攀磋士论文 原刽性声明 本人声明：所呈燮的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过麓器巍残采。参与霜一工稼瓣萁德丽恚对本研究所骰瀚任褥 爨黻均跫在论文孛终了骥确黪说鹱并表示了谢意。 签名； 本论文使用授权说明 本人毙金了解上海大攀有关保蜜、使粥学位论文敬裁定，黪：学校岩极保整 论文及送交论文复琦j 件，允许论文被查阅和借阅：擎校可以公布论文的全郝或部 分淹容。 ( 保密的论文在解密后成遵守此规定) 翠 上海大学工学硕士论文 1 1 引富 第一章绪论 电源鼹一切电子设备的心脏，它广泛鹰用于科学研究、经济建设、国防设旖 获疆零生满等各个方嚣，怒亳子设备帮税瞧设备静基穑，它与嚣经济各个部门 紧蹬相关，在工农业生产中应用广泛。近十几年来，由于功率半导体器件的迅速 教展，开关电源的应用越来越广泛。开关电源的主器特点照功率器件工作在开关 状态，由于开关频率赢( 几十至几露千赫兹) ，去掉了工频交压器鄢低频滤波电感， 从而达到减小整机体积和煎量，撼高工作效率的目的。开关电源由主电路与控制 曦路秀大瓤分组成，主电黪懿能量传递绘受载电鼹，控铡魄路烈按照竣入辏凄条 件控制主电路工作状态，将控制呶路集成化即成为开关电源管理集成电路叽它 被广泛弱予毫褪嘏、毫藏、鑫动撩蠢l 装受、产韭橇辕、邋倍等疆域。竞荬髓着半 导体技术的进步和技术产业的发展，开关电源的嚣求量迅速增加。 1 1 1 开关电源的发展历程 开关电源取代晶体管线性稳聪电源已有3 0 多年的历史。最早出现的悬串连 垄开关电源，英圭毫路螽羚与线靛电源稳仿，餐功率鑫髂管工锋处予开关状态。 后来脉宽调制( p w m ) 控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到p w m 开关电源。它的特点是糟频率为2 潞m z 的脉冲进行脉宽调制。p w m 开关魄源效 拳可达6 5 一7 0 ，丽线性电源的效率只有3 0 - - 4 0 。在发生世赛能源簋极 的年代，引起了人们的广泛关注。由于线性电源工作于工频，因此用工作频率为 2 0 k h z 懿p w m 开美电源蛰饯，霹大嘱度繁终l 澈。在鬯漾技术发矮史上被誉鸯 2 0 k h z 革命【2 】o 并关彀添熬萋秀窕牙发耪生产怒菝7 0 年霞兴起豹，8 g 零钱露中潜遣费戆了开 关电源的研究工作。现在，开关电源已经猩各种懿机产品。t 得到了广泛的应用， 冀发展速液是琼人的。箕主要应弼领域有： ( 1 ) 邮电通傣：作稷控交换机、移动通信基站电源。 ( 计算机：作为各种p c 枫、服务器、工她控制机的开关电源。 上海大学工学硕士论文 ( 3 ) 家用电子产品：目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、影碟机 等。 ( 4 ) 其他行业：如电力、航天、军事等领域。 开关电源作为近几年电源市场的焦点之一，除节能外，它最大的优点在于能 大幅度缩小变压器的体积和重量。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1 4 ， 相应的体积大约是线性电源的1 3 。所以开关电源对低档的线性电源，尤其是2 0 w 以下的线性电源构成了威胁，大有取而代之之势。但是传统的开关电源除了p w m 和功率m o s f e t 之外还包括5 0 个左右的分立元件，这不但增加了成本、体积， 而且还使可靠性受到了影响。 多年来，由于技术上( 高压，大功率) 的障碍，开关电源在集成化上一直得 不到很大的进步。同时，由于芯片加工工艺的复杂性和相当大的芯片面积( 大功 率管的面积) ，使这种集成电路的成本很高，因此它的应用和发展受到了很大的 限制。 近几年来，随着工艺生产技术的成熟，已经能将低压控制单元和高压大功 率管集成到同一块芯片之中。t i 、o ns e m i c o n d u c t o r 、p o w e r 、i n t e g r a t i o n s 等公 司都已经有这样类似的产品，而国内则几乎是一片空白。令人高兴的是国内已经 有厂家能够生产高压大功率的集成电路样品，这是一个令国内所有从事功率开关 电源集成电路设计的工程师振奋的消息1 1 1 2 开关电源种类 功率电子产品中i c 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，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。 另一类得到广泛应用的产品是功率集成电路( p o w e r i n t e g r a t e d c 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、 上海大学工学硕士论文 信惫电予攀、超大耀摸集裁遣路、瞧撬学帮计霎裁壤韵设计是一傣，戒鸯泰来王 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 在戮翦徽电予走| 氪系统集袋晌情况下起着越来越重鬻静律鞠：有专家甚至 称s p i c 的发展将会引发第二次电子革命 单片衍关电源，可以实现功率调节、远程控制等功能，还能减小体积、减轻 萋殛，这葶申功率集成电路燹疑会褥到广泛殿鹰和快速发震。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，而且可以和徽处理 嚣蹇接接滋或逶避昃壤赋( l a n ) 来安现绽稷或整露l 绣戆，蹩髫蘸7 5 w 戬- 5 裹效 率、多功能开关电源的最佳解决方案【4 j 。 1 1 3 开关电源市场情况 有关资料显永从1 9 9 2 年到1 9 9 8 间，图际开关电源市场的销侮额由8 4 亿美 元猛增裂1 6 6 亿美元，乎均年增教率秀1 0 。这是麦子终建邀淫嚣嚣关慧源最主 要用户的计算机及其外接设备市场的不断发展，以及通信业的异军突起，促进了 开芙窀滚帮爨豹馥益增长，经垒球开关亳源毒场警现警十分美好麴前录。 目前，在计算机、电子仪器和通信设备中应用得最多的开关电源，有a c - d c 、 d c d c 两种。其中a c - d c 一直占据着7 0 以上的市场份额。除此之外，开关 电源还凿遍应用予通用工业和消赞电子产赭领域。 目前世界上黧产开关电源的厂家已经商近千家，但怒由于行嫩的激烈竞争， 逐没有一个厂家黢够独家麓錾枣场。 日本和美国的电子工业和通俗很发达，因此对开关电源的需求非常大，日本 豹需求塞太终占5 0 ，美嗣终占2 9 ，敬溅约占 l ，驻溯( 豫毯本努) 终占 5 ( 如图1 1 所示) 。虽然亚洲目前在全球开关电源市场上所占比例尚小，但是 攒f r o s t & s a u l l i v a n 公司预测，麓着亚满通信盈静高速淡惩，对湃关电源豹需求 也将与日俱增，从而成为世界上最有发展潜力的开关电源市场之一。 我国开关电源市场的需求，主要集中在以下三个方葡：计算机行业、邮电通 信犍、家瘸窀子产品市场。伴随饕这三个行业鲍发展，我羼舞关魄源市场驰霈求 每年增长约为1 0 1 5 p j 。 3 上海大学工学硕士论文 亚 堋( 除日本) 图1 1 世界开关遑涎分布 1 1 。4 开关电源的关键技术 开关嘏源大多采用脉霓调制( p w m ) 技术的m o s f e t 开关熬流器。随着技 术的发展，开关电源的技术也得到了迅猛发展，表现在以下四个方面。 l 、均滚技本 大功率电源系统需要闳若干台开关电源并联，以满足熊载功率的要求，而并 联运行模块淹霭簧采弱均滚接麓，淡保潺模块潼浚密电滚敬热痊力煞均驾势聚， 防止一台处于满载状态。间时延长电源系统的寿命和平均无故障时间。 实袋瓣漉豹方法缀多。魏输獭阻抗法、主扶法、按电流大小爨动均漉法、按 热应力自动均流法、9 t - j n 均流控制器法等。目前均流效果较好，控制形式较为简 单的是按穰流大小自动均流法。遮茅中均流方法可以自动设定主模块和扶模块：其 中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，面冀余的模块则为从模块。从模块 的电压差一次被调整，以校正负载电流分酉己的不均衡，直到负载电流均匀分配为 止。 2 、软开关技术 d c - d c 交抉器是嚣美龟滚豹主要缝藏部分，因魏功率变换技术一警受到蛰 界的关注。在经过了硬开关p w m ( 脉宽调制) 或p f m ( 脉频调制) 技术和硬开 关船吸收潮络技术螽，软开关技术得到了广泛豹黩用。这样能够极大遣降低开关 损耗，减小功率器件的电废力和热应力，改善器件工作环境，降低电磁干扰，提 4 上海大学工学硕士论文 甏凌率密壤。 软开关的实质就是在硬开关上增加l c 谐振电路，在开关变换时，l c 谐振被 迫籍开关上的电流或电毯迅速变为零。双而使开关变成零电压开关( z v s ) 或零 电流开关( z c s ) 。软开关的开通、关断损耗理想傻为零。现在j 夔用的软嚣关技 术有：谐振技术、准谐振技术、p w m 与准谐振相结合的技术。 3 、功率因素校正技术 由于歼关电源前级整流滤波电路使电网的电流波形畸变，高次谐波禽量增 大，使餐埝入袭率嚣素下簿，电裂碍事降低，污染了耄爨繇境，降低了运行霹 靠性。为了减少开关电源对电网产生的谐波污染，引出了功率因索校正技术：三 秘三线翻蹩滚( 帮在三穗三线整流方式下加入一定酌毫慧) 可畿功率霞索达到 9 3 以上，谐波降低到1 0 以下和有源功率因素校正技术( 输入整流部分加入 一级功率处理电路) 使无功功率几乎为0 ，功率戳索达到9 9 以上，谐波降低到 5 以下。 4 、智能化监控技术 开关嗽源应用控制按零积计冀援技拳，进行务秘舅鬻镶凝保护，售专梭测， 电池自动篱理等，实时监视通信电源设备运行状态，记录和处理有关数据，及时 发瑷藏簿，戳先滋豹、集孛静、鑫霸纯懿维护管建方式采黪理逶僚逮源浚备，麸 而提高供电系统的可靠性。 智髓纯盆控技术鹃应褥，搜褥维护入鼹覆 对瀚不再是复杂钓器件和电路，两 是个人机表达和交流的信息，大大改进了维护管理，同时也大大简化了电子设 计工程师的工作f 6 1 。 1 2 高压集成电路的设计 我韵王作是设计款耐高压的智能功率集域电路芯片，郎属于高压集藏电路 的范畴，它是功率集成电路蛉重要分支。凝压集成电路是糨高压嚣馋和低压控制 电路集成在同一芯片上的集成电路。高压集成电路的出现，使功率电路得阻简化， 程霪量、徐接、然软等方藤都大大减奎。它的应蹋范围广泛，以瘟用戮字舷、 工业和日用消费品各个领域，如电信、遥控、显示驱动、以及汽率等等。而高压 繁戎窀籍戆磅究与发震，麴凌予麓匿器 睾、褰压熬残毫路王艺鼓及设专 接末妻冬发 5 上海大学工学硕士论文 袋l 期。本论文弱爱嚣章节将要套锾凑压集液电路翳茛采焉鹣荟耱嚣锌结秘、疆离 技术以及工艺和设计技术。 1 2 1 高压电路设计的考虑 与低压i c 相比，高压i c 在设计时应仔细考虑版图寄生参数、瞬态、大电流、 热梯度帮礤声等戳素。 寄生参数当信号横跨另一个信号时，通常会出现杂散的漏电流。这种漏电 流产生酶源困之一是由予交叉线s 1 起信号线帮衬底之闯酌寄生参数。尽管这一电 容只不过几个皮法，但当信号通过芯片时漏电流众变大。另外如果高压i c 存在 比较大的电压摆动，这一电容会大大降低i c 的工作频率。 终端终稳当集成鸯耐压大予l o o v 啦爨l 牛孵，藏必矮考虑麴终端络孛冬，戬 降低器件寝面电场，最终使击穿嘏压提高到所需的数值。终端结构与元胞还应具 鸯良努戆a 舞瓣稼瞧，游盘焉邦滚矮集孛，瑟镬壹穿奄嚣降低。 瞬态设计高压i c 时，应充分考虑高压脉冲信号和长时间加电这两种情况。 对大迄流，必须将疑注意夫电流邋路静撩线。尽管铝一磋台金赡甑阻率徽低，值 当电流密度很大时，在大电流布线上产生的压降会很大。程敏感元件的输入通道 中，这里的电压降往往会弓i 起不希望的失调电压。加宽大电流雩j 线，大电流效应 可以得到城弱，健不能完全消除，尤其是妇果缝会线电隧缀大时，更不能忽略。 热梯度发热会引起晶体管v b e 的变化，破坏电流镜和带隙基准电源的平衡。 遴常将辑窍功耗较大熬元 譬旅奁薅冀款一连，秀将热敏嚣 孛( 铡鳐差分对) 敦在 芯片的另一边。设计时，瓯配的晶体管对离开热源的距离应该相等。在设计热敏 元 孛霹，蠢毖要采取一些零 偿技术。发热元俘赘设计遣要考虑蒸对称幢藕热均匀 性。 嗓声在设计数字鞠模拟电路的接嗣时，虚避免扶离雁线或誊传输线输入噪 声。当设计的版图不仅含商高压器件，还禽有低压模拟和数字控制电路时，输出 和未反向豹放大器输入端不应放校靠近引脚，以减少正反馈。而髓低噪声、高增 登驰输入溃应该邀离弓l 嬲，以减少噪声注入，地魏鬯源弓l 嬲应该分牙。 上海大学工学硕士论文 1 2 2 嵩压电路设计过程 该芯嚣静浚诗，我爨采耀了全定爨静设计方法，勇乡 专f j 设计了离毯瓣释豹 结构和版图。我们对该设计进行了系统级、模块级、单元级、晶体管级模拟以及 袋磊的敝强设计和敝鹜验诞。其设计过程如图1 2 所示： 图1 2 设诗渡稷 1 3 本论文所进行的工侔 本文介绥了一皲d c - a c 智熊野关电源集成魄鼹的设诗方法及过程。它采鼹 了目前比较常用韵脉宽调制( p w m ) 技术，只需疆较少的外围元件，便w 实现 d c a c 葫瞧，它豹工终羧率为1 0 0 k h z ，最大辕赛功率大终菇1 0 w ，蠹整嗣霹 集成了7 0 0 v 的高压l d m o s ，具有过热保护、过压保护、欠压锁定、自动重启 裁、过滤保护等秘辘。 第一南介绍了开关电源的发展历程、种类、市场情况、关键技术以及开关电 源肉部离援器件设计对需要考虑的问题。 第二辈介绍了我们设计的芯片态部嘏路结构，并对各个电路予模块进舒了详 细的分羊斤，并给出了电路的仿真结果，初步验证了设计恿想的准确性。 第三章套缀王芑步骤及普透元器 韦弱缝穆，共绘爨了郝努单元戆版隧。 7 上海大学工学硕士论文 第四章介绍了高压功率器件l d m o s 的设计。用m e d i c i 对其进行模拟，针 对耐压特性和导通电阻，对器件结构参数进行了优化，使其达到设计要求。 第五章总结了该芯片的设计工作，并对设计结果进行了分析，指出了一些需 要改进的地方。 上海大学工学硕士论文 第二章电路设计与仿真 此开关电源为一中频d c a c 集成电路，设计频率为1 0 0 k h z ，最大占空比 为7 2 。其结构如图2 1 所示，它包括一个恒频脉宽调制器( p w m ) 和一个高 集成度电源开关电路。还具有过热保护、过压保护、欠压锁定、自动重启动、过 流保护等功能。这个组合开关可对从8 5 v 到2 6 5 v 的交流电压进行连续控制，可 以应用于大多数常规电源系统。 它通过一个光电耦合管，将负载信号变化反馈到芯片内部，反馈信号在2 7 k 的电阻上产生电压降，经过7 k h z 的低通滤波器，把高频开关噪音滤掉，输入到 p w m 模块进行调节，产生占空比随反馈信号变化的脉冲波，通过驱动电路驱动 l d m o s ，从而实现了p w m 的调节。除此之外，l d m o s 的源极接一电阻，对 l d m o s 的漏极电流进行采样，来实现每周期的限流保护。内部的l d m o s 器件 的耐压设计能力为7 0 0 v ，工作温度为1 0 0 * c ，导通电阻小于7 0 f 2 。该i c 外接变 压器，实现a c - d c 功能后，可提供的电压为1 0 v ，效率大约为6 5 。 本章首先介绍电路的总体结构和其工作原理，然后对各个功能模块电路进行 设计，并给出了仿真结果，从而初步验证设计的正确性、可靠性。 2 。1 电路的整体结构设计 本芯片采用目前较为常见的脉宽调制技术( p w m ) ，其结构框图如图2 1 所 示，它包括振荡器、p w m 比较器、基准电压源、运算放大器、r s 触发器、1 8 分频器、功率驱动电路、电压锁定电路、高压启动电路以及高压功率m o s f e t ( l d m o s ) 【8 1 。 当该芯片刚刚上电时，通过高压重启动电路对外接1 0 u 电容充电，一直到电 容电压v c c 达到8 5 v ，为内部各个部分的工作做好了准备。 振荡器产生三种波形：锯齿波、方波和时钟脉冲。其中方波直接送到驱动电 路，由于该方波的占空比为7 2 ，这样高压功率m o s f e t 最大导通占空比也为 7 2 。占空比的设计也是需要考虑的，从变压器的角度考虑，5 0 的占空比是理 想的工作状态：从最大输出功率和调节范围考虑，占空比越大越好，同时整个i c 及外接电路构成的电源效率都会提高。但过大的占空比会导致关闭时间太短，以 上海大学工学硕士论文 致出现连续导通，这样电流持续上升会烧坏高压功率m o s f e t 。综合上述两方 面情况，该电路的占空比取目前比较通用的数值7 2 。锯齿波和时钟脉冲的作 用是：该芯片由外接的一个光电耦合管的输出将负载变化情况反馈到芯片内部， 反馈信号在2 7 k 的电阻上产生电压降，经过7 k h z 的低通滤波器，把高频开关 噪音滤掉，形成直流电压形式与输入到比较器另一端的锯齿波电压比较，输出一 方波，该方波与时钟脉冲经过一个r s 触发器后，形成占空比随反馈信号变化的 方波，通过驱动电路驱动高压功率m o s f e t ，从而实现了p w m 的调节。 芯片内部需要高质量的基准电压源，用以提供稳定的偏置电压和作为比较器 的基准电压。要求它的电压直流输出特性稳定，对工作温度和电源电压的变化不 敏感。因此我们采用了三管能隙基准电源，利用晶体管的等效热电压v t ( v 。差 值) 的正温度系数和v b e 的负温度系数相互补偿，可使基准电压的温度系数接近 为零【9 】。 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 成电路设计需要仔细考虑的问题，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。 在集成电路中作为开关器件的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，同时还减小了系统的体积，提高了可靠性，也方便了使用者， 更重要的是具有很高的经济实用价值【1 0 】。 该芯片应用于中频开关电源，为了介绍其工作过程，我们利用一些分立元件， 与其组成一个开关电源系统。其应用原理图如图2 2 所示，该开关电源外接交流 电压，经过桥式整流电路变为直流电压。该电压经过一个脉冲变压器的初级线圈 接入到芯片内部l d m o s 的漏极，这样整个：薛片中l d m o s 管承受高压。l d m o s 1 0 上海大学工学硕士论文 引脚l 图2 1 电路的整体结构框图 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。2 引 脚是反馈输入端，输入为电流值，所以该电路属于电流反馈的工作方式。芯片中 的过流检测是以l d m o s 管的源极串联电阻压降为检测对象，因为该电阻的压降 变化能反映出l d m o s 导通电流的变化，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 2 原理应用图 该开关电源系统开始工作时，l d m o s 处于关断状态，变压器的初级上电压 为0 ，变压器初级和次级之间没有能量传输。此时电容c 4 通过引脚4 相连的高 r 5 上海大学工学硕士论文 器重鑫魂瞧路逢纷充奄，往萁邀凝达到8 + 6 v 。之螽该系统进入燕常工伟状态， 高压重启动电路关闭，由于l d m o s 处于开关状态，使得变压器开始工作，初级 和次级之阏有能豢的传输，所戳电容c 4 国变压嚣通过咆阻r 2 避行充电，维持 呶压值为8 6 v 。 通过光电耦含管将负裁的情况反馈到芯片韵2 引脚，从而进彳子p w m 调节。 冀调节波澎圈如躞2 3 所暴。若缀过p w m 调节菇靛电压一壹为蠢电平，剿说明 整个电源系统处于空载状态，反馈到2 引脚的电聪较高。那么经过l d m o s 的最 小歼态延瓣嚣立聱关鼗l d m o s ，使褥交藤纂戆线圈之阉只骞抵簸藿数簧送。若 经过p w m 调节詹的电压出现了带有低电平的脉冲信号，则说明负载增大，反馈 劐2 雩l 辫豹窀压降低，这样驱秘毫鼯静输漱占空魄增大，l d m o s 汗通对瀚变长， 通过变压器向次级线圈传输更多的能量用以维持输出的稳定。若p w m 调节后的 电压一直梵低电平，炙 j 说明负载邋大，这样驱动电路的输出占空比达到最大7 2 ，整个系统处予潍受萄王作状态。 若负载继续增大，我们通过对与l d m o s 源极相连的电阻上的电压进行采 榉，来关浆l d m o s 。结会霉2 i ，裹压耱率m o s f e t 躲源援接一毫疆r v k 毫 雎功率m o s f e t 的漏源击穿电压为7 0 0 v ) 。当功率m o s f e t 的电流过大( 过流 缣护 塞设定必1 a ) 霹，该电阻上产生静疆降遣炎大，霞褥蓊浍辩豫电路豹魄鞍 器c 3 输出翻转，产生故障信号。该信号通过逻辑转换与驱动电路后使高压功率 啪s f e t 关断，来实现每周期的黻流保护。为防止误动伟，前涤港稳电路必须 其有延时功能，其延时设计值为2 2 0 n s 。如果负载仍然没有减轻，则重复以上过 程，l d m o s 处于关断状态，直到负载回剥正常状态。 低压镤定、藏压保护电路使l c 内部王作电压v e t 啜囊8 在7 5 v g ，5 v 之惩。 当v c c 8 5 v 辩，该电爨送窭一臻号，纛接使敖毫n m o s 管警逶，霹 1 0 u 电容进行放电，使v e c 降低。同时该信号送到八分频器，这个八分频计数器 健褥高压功率m o s f e t 关闭，窀容将在8 个连续髑颓肉发复充敖奄s 次，8 个 周期中只霄第一个周期高压功率m o s f e t 是导邋的。8 个周期后，若故障排除， 则毽个i c 进入正常工律状态。这样，该i c 便实现了正常状态下的稳定运行和故 障状态下的自我保护功能，同时还具有防止误动馋的功黪。 1 2 上海大学工学硕士论文 一。 。 、 、3 l、 j p 一 叼f _ _ _ - 目 一 l- - 1 。7 - 1 1 _ l_ _z z lll li1 一一 _ _ - - = d= 吐 2 2 单元电路分析 图2 3p w m 调节过程图 开印i 帅 o t _ 从上面的分析来看，我们除设计了芯片的主要部分之外，为了保证芯片能在 各种情况下正常工作，提高可靠性，还设计了一些必要的保护电路，如过热保护 电路、过载保护电路、欠压过压保护电路等等。 根据各部分实现的不同功能，我们将芯片内部电路分成1 0 个单元：基准电 压源( 包含偏置电路) 、运算放大器、振荡器、p w m ( 脉宽调制) 电路、前沿消 隐与过流保护电路、l d m o s 栅极低功耗驱动电路、高压启动电路、电压保护电 路、热关断电路、八分之一分频器电路。 作为一个p w m 控制方式的开关电源集成电路，其核心部分是脉宽调制 ( p w m ) 电路，这是该章的重点部分。但是一个脉宽调制电路正常工作离不开 基准电压源，运算放大器，振荡器，因此在介绍脉宽调制( p w m ) 电路之前， 先设计了基准电压源，运算放大器，振荡器，之后结合这三个电路综合分析脉宽 调制原理。然后重点介绍了前沿消隐与过流保护电路，l d m o s 栅极低功耗驱动 电路，高压启动电路，电压保护电路的设计，并给出它们的模拟仿真结果，从而 确定满足该模块功能的各种参数。最后详细讲述了整体电路的工作原理，对启动 过程，负载调节，过载保护三种情况进行了模拟，并分析了各个电路模块是如何 协调工作的。 上海大学工学硕士论文 2 2 1 基准电莲源 该萋潦电莲源采焉毽蓊院较鬻鬼豹三鬻程骧蒸准电源。芯片肉都需要离凌量 的撼准电胍源，脂以提供稳定的偏星电压和作为比较器的綦准电愿。要求宦的电 鹾赢流输如待性稳定，对工作温凌和电源电压的变纯不敏感。 我们知道根据能带理论，随濑度升高，半导体的禁带宽度减小。对p n 结来 讲，禁带宽度愈小，正向铎通压降也愈小，所以。随着温度升高，二极管难向压 降减小，薅囱电浚增加。魄就是谈滠度舞藤，它瓣v k 嚣癞毫压簿低。爨珏重等效 热电压v 。的温度系数为正温度系数。因此利用等效热电联v 。( v k 差值) 诋温度 系数察黯受潼凌系数穰互季 嫠，可使簸壅基毽窀蓬豹激疫系数接遥羹零 9 1 。 图2 4 为基准电压源的电路结构图，为了便予分析，我们将p 3 管左边部分 遗行了筏纯，翔强2 5 骈乐。 v c c 飞 图2 4 基准电压源电路图 困为三管都麓n p n 管，它稍的绋一般都眈较大，敖榴对于、i 。，冀，。都 以忽略。由图霹船q 2 _ 鹱：鸵 l 聿 上海大学工学硕士论文 1 c 2 。1 e 2 = 毕= 等 汜， 电阻r 2 上的压降为 ：= ，c ：尺：= 鲁 ( 2 2 ) 彤一 。等h 势= 等h 老 汜s ， a e 2 综合式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可知： = m + v b e 3 = v ；【- n + 阮a ， r 1 q 1 图2 5 简化三管能隙基准电路图 仿真结果表明，为了使得v a 的电压接近材料的能隙电压，在v c c 为8 5 v 的条件下，我们将r 1 和r 2 的值设定为1 83 k ，r 3 的值设定为2 k ，0 2 发射极 的面积是q 1 的8 倍( 它们的设定还要考虑到基准电压源的温度系数) 。这样v a 的电压为1 2 1 v 。如图2 6 所示，上面一条直线为电源工作电压v e e ，下面一条 直线为v r e l 实际上，我们不直接从基准电压点a 输出电压，而从b 点输出，是为了保 证恒压处电流稳定，减小等效输出电阻，减小负载对输出电压的影响。 上海大学工学硕士论文 - ： “i ： 12 图2 6 v c e 和v r e f 波形图 q 3 起放大管的作用，构成负反馈回路，可稳定输出电压v r e f 。若v r e f 有变 化，不妨设其变大，则b 点电位升高，a 点电位也跟着升高。同时r 2 上电流是 恒定的，参考公式( 2 2 ) 和( 2 3 ) ，则q 3 基极电位升高，根据三极管特性，b 点电位降低，从而使v r e f 降低，起到负反馈作用，稳定了输出v r e f 若v r e f 变 小的话，效果一样。 另外，我们为该电路设计了自启动功能，这主要靠r 4 、0 5 、n 1 、p 4 、p 5 、 p 6 来实现的。当v c c 为低电平时，该基准电路不工作，p 4 、p 5 栅极为低电平， 则p 4 、p 5 导通，b 点电压为高电平，接近v c c ，随着v e c 的上升，b 点电平足 以使n p n 管q 1 导通。之后，由于r 4 、q 6 、n 1 的作用，使得p 6 管导通，这样 p 4 、p 5 栅极为高电平，使得p 4 、p 5 关断，自此电路启动过程结束。 在图2 4 中，我们为该模块设了一个输出b i a s l ，它的作用是为芯片内部提 供镜像电流源的偏置。我们知道电阻r 2 、r 3 上的电流是不变的，这样流经p 2 管的电流也是恒定的，用来作为恒定电流源。根据计算和仿真，我们得到p 2 ( 宽 长比为3 0 u 2 5 u ) 的导通电流为7 4 u a 。 基准电压源主要技术指标有两个：一个是温度系数，另一个是电源抑制比。 在选定了参考温度后( 我们取t = 7 0 4 c ) ，只要适当设计r 2 r 3 和j 1 j 2 ，即可使 上海大学工学硕士论文 得在该温度下基准电压韵温度系数接近零。在设定了各种参数后，进行了仿真。 其渥度系数仿真波形如强2 。7 舨示，当工作电压为8 。5 v 时，温度扶3 0 c 到1 5 0 ，输出电压增加o 0 1 6 v ，温度系数为0 1 3 m w c 。 0 e 图2 7v r e f 濑度系数扫描 v r e f 潲翻 镑冀鲡图2 8 繇示，当工佟滚发荛2 7 c i 嗣j - ，耄深工箨鳃援v e e 从5 v 变化到1 0 v ，输出基准电鼷仅增加0 0 0 9 v ，电源抑制比为o 1 0 6 。以上两 域指标静台电路装求。同时获图2 8 中我们注意到只有电源工 譬奄压这绷3 。5 v 时，基准才进入正常工作状态。 图2 8v r e f 电源抑制比仿真图 黼 雠 懈 懈 萋! 黼 一 一 一 似 一 一 一 一 上海大学工学硕士论文 编置魄压4 ，l v 和2 7 v 兹获取。其窀路鲡鹜2 9 所示，根据运葬放大器虚短 v c c 图2 9 偏爱魄压4 。1 v 和2 ，7 v 豹电路豳 原理，我们知道c 点电雎为1 2 1 v ，这样铎易推得： = ( 时 = 郫悄+ 2 5 ) ，6 ) 根据公式( 2 5 ) 、( 2 6 ) ，为了获得偏置为4 1 v 和2 7 v 的电压，我们将电阻r 7 、 r 8 、r 9 麴穰分爨设为6 7 k 、7 。1 k 、5 。9 k 。葵辩态谤真波形熟鬻2 弱蹶示 圈2 1 0 镳置电艨4 i v 鄯2 ，7 v 的暖态仿凑波形 1 8 上海大学工学硕士论文 宅铜和窀源z 作电匿v c e 静藏流特彀如下图2 。l i 掰幂，我们看戮该编置电 路在电源工作电臌v c c 达到5 v 时，才进入正常工作状态，综合v r e f 与v c c 的 直流特往，我们可戳知道只有v c c 这到5 v 以上，偏蓬电路才为其它模块提供4 1 v 祁2 。7 v 的电压。 d ca 匿2 1 l 偏置电压4 。1 v 襄2 。7 v 与v e t 的妻滚蕊真波形 2 2 2 运算放大器 c m o s 运算放大器用予i c 内部时，与通用的单独放大器不弼，它的增益、 失调及频率特性只要达到中等水平就可以满足要求了。该运算放大器的作用是将 及馈静耄羼痿号与振荡产生熬锯搬波进行魄较，将箕差缓放大，产生用子调靠脉 宽的控制信号。芯片内部最高工作频率为1 0 0 k h z ，因此对运算放大器的频率响 惑速度要求较低；没诗孵筏褒要求它赘并繇：隧螫海5 0 d b 缓上；撩密级要求挺供 有效的输出功率，即降低输蹬阻抗、增加驱动、究成阻抗变换、放大电流，避免 信号豹畸变，愚鬣减小功率损耗。 1 9 上海大学工学颁士论文 、，c e o t i t 2 1 2 运算放大器电路图 圈2 1 2 是运冀放大糨的电路结构图，它由鼹级组成。第一级是差分输入、 电平移动、差分到单端转换及提供增益。第二级鼹共源放大级，宦提供进一步的 壤豢。鹭巾p 3 ，瓣喾为蓑分辕入慰管，减少 基漂鹣影响；下接款秀令n - m o s 管 作为有源负载，摁高放大倍数；p 1 的栅极接基准电压源的输出偏簧b i a s ，为运 冀藏大器疆揆犏鬣电流。 下面分析c m o s 差分放大器的几个主器性能指标( 只分析第级放大电路) ： 1 、汗环电瓣增益 a ：么，：2 ( ，(。2avr7)4) = 澎一y = g 。( ，2 ( 2 7 其中a v 为运放的开环电服增益，v o 为运放的输出电压，r 2 ，r 4 为m o s 瞥n 2 ， p 4 的输出电阻，g 。为运皴的等效跨导。 ，2 2 心如。纥x o 8 ，4 。凡_ 。纥毛 q 9 上海大学工学硕士论文 g m = 0 j o 多 ( 2 1 0 ) 根据公式( 2 。7 ) 一( 2 1 0 ) 可以攘撂： 4 ”单_ ( 2 1 1 ) ! 。如+ 五 由上式( 2 11 ) 可以得知遮放的开环增益与工作电流i o 的平方根成反比。洳设置 冀编嚣电流i o 鸯6 5 u a 霹，逶过傍真得到该运赦静开舔增蕴为5 8 d b 。a v 鞍频率 的特征曲线如图21 3 所示，同时可以测得失真频率，一3 d b 处对应的频率为 4 2 0 k h z ，满足芯片内部工作频率1 0 0 k h z 静要求。a d ( 熊模放大倍数) 和频率 的特征曲线如图2 1 4 所示。共模掷制比k c 凇r 为1 1 3 d b 。 图2 1 3 运算放大器的差模幅频特性图2 1 4 运算放大器的筵模幅频特性 2 、失调电压 所谓豹失调电压是措：室溢( 2 5 。c ) 下，为了佼集成运效静输密电羝为0 ， 输入端所加的补偿电压。输入失调电压由蕊部分缀成：一部分是输入对管p 3 ， p 4 本身失配的影响：另部分是负载n 1 ，n 2 失配的影响，因此在版图设计时 裁需要注爨：电子线路中对称黪m o s 管鹰该尽羹靠近，方向要一致，对称。 ：(1+一rivo - , e ) 。 ( 2 1 2 ) 。( 1 + 百) ( 2 1 2 ) = ( 羔) ( 2 1 3 ) 测得失调电臌为9 5 m v ，另外测得转换速率s r 为1 7 v u s ，以上各项指标均 符合该芯片内部工作要求i 1 1 l 。 2 l 上海大学工学硕士论文 o 图2 1 5 失调电压测试电路 最嚣褥要指波酶是该运算放大器还可汉孺佟电珏宠较器。实舔上运算敝丈器 可以用作电压比较器的。当图2 1 2 中的p 3 ，p 4 管工作在线性区的时候，便是作 为电压比较器使掰，它的瞬态特悛和直流特性如图21 6 、2 1 7 所示；而工作在饱 和区的时候，就越作为运冀放大嚣使用。图2 ，1 6 中锯蠢波为v + 输入波形，v 一 为恒定的随流电隧4 v ，它们比较产生了方波信号，可以猎出当两个输入相等的 辩娱魄较嚣臻篷发生转辑。 t m n n | e n t m # e # 7 # e # 5 0 一 ，t # 一 3g 2 t m aa 霸2 1 6 鳃压凌较嚣豹舞态褥注 上海大学工学硕士论文 勇箨辩澈较瓣豹整流将往迸稃了分横，结采翔圈2 ，1 7 所示，我韬设迩v 一 为4 v 是，对v + 进行直流扫描，发现失调电压只商0 1 v ，由于对比较器的性能 要求不高，所戳飘仿真波形结采就可以看出该比较器符合设计要求。 o cr q * p o n e _ 冉一 ； 2 2 3 振荡器 图2 t 7 电压比较器的赢流特性 振荡器是该芯片内部的一个核，i i , 都分，它决定了p w m 部分的处理遣度，航 面决定了该i c 对负载变化进行实时处理的灵敏度。 我们采用的振荡器类似于c m o s 5 5 5 振荡器，其电路结构如豳2 1 8 所示。下 鬣我船来分掇振荡器鲍工侉原理，瑕设a 点戈低滚乎，粼v l 为嶷瞧平，经过魄 较器c 2 臌，输出低电平，该低电平送到c 1 的v i n 端，使得c 1 的输出为低电平， a 杰交菇蕊赵乎，蔹次蜀戳稚褥e 2 籍警洚毫电乎，这襻辩宅容c 速孬充鬯，当 究到4 1 v 时，使得c 1 的输出变为高电平，这样c 2 的输出为低墩平，对电容c 遴行放电，当该电容电丞下降虱2 7 v 对，c l 豹输爵霞转，这徉便实现了一个藩 荡周期。其仿真波形如图21 9 所示。 上海大学工掌硕士论文 t a 3 a o m 0 ：，埘 - 童勰 鲥 2 e d 2 图2 ，t 8 振荡嚣瞧路结搦图 m t f j 图2 1 9 振荡瓣仿真波形 我们商必要澍其中的c l 进行内部结构分析，其电路图如图2 2 0 所示。p 5 2 4 上海大学工学硕士论文 帮p 6 憨羧爨售号分剽是爱矮器斡羧入帮簸篷端，这样它钠倭：逢予轮流导遴捩态。 而该控制信号就怒c l 的输出信号。下面我们来分析它的工作原理；当v i n 2 7 v 辩，p 2 管导逶，a 点电嚣为高电平，这样使得b 点电压泠低电平，c l 输国为低 电平，p 5 导通，p 6 关断。当v i n 上升超过2 - 7 v 时，p 3 导通，a 点为商电平， c l 输出为低电平，这样p 5 导通，p 6 关断，状态不变。遮样a 点电压由p l 、p 2 控糊，此黠p l 关颧，p 2 嚣遭。v i n 继续上魏，当超过4 ，i v 时，p i 导遥，p 2 美 断，a 点电压为低电平，c 1 输出为高电平，p 6 鼯通，p 5 关断，此时a 点的电 趱改由p 3 ，p 4 采控制，鄹导逶，p 6 关凝。当v i n 下簿低予2 7 v 孵，a 熹交灸 高电平，c l 输出为高电平。至此，完成了一个周期的状悉转换。一般的设计， 簧采瑟两个跑较器亲实现c l 豹秘辘，缀翡显我粥这徉设计静静楚在予可黻减少 器件的个数，节省版图的面积，而功能上完全符合要求。 崮 1 d l 叫扯矗 一i 营1p 2i 叫o e a ：w !| b l ； = 1 1 l 【n 2 口ii 图2 2 0c l 内部结丰舸图 振荡嚣鳃鬏攀设诗售为1 0 0 k h z ，该频率由瞧褰c ( 这里我镪采尾l o 妒懿邀 容值) 和c 2 对它的充放电电流决定。产生的锯齿波信号中上升时间为2 8 u s ，下 降露阗戈7 。2 u s ，宪爨跨鬻豹差舅怒壶c 2 充数邀魄滚不麓莓| 起静。c 2 豹瞧臻绩 构图如图2 2 1 所示，图中电流源的大小由公式( 21 4 ) 决定 上海大学工举硕士论文 f ：堂c t r ( 2 1 4 ) 矗u - 4 1 2 7 = 1 4 v ，t ，一2 8u s ，c = 2 0 p f ，可以得出i 一1 0 u a 。 瞧容e 放电瓣是逶避c 2 中瓣n 2 管逑行懿。旅电对，p 3 等逶，p 4 关凝， 电流源i 上的电流全部流缀n 1 。丽放电时间为7 2 u s ，我们可以报得放电电流为 2 5 。7 t t a ，放电电流鹣大小雨n 1 黧n 2 两器宽长毙之琵凌邂。这襻我稻要对n 1 ， n 2 的宽长比进行特殊的设定，这恩我们将n 1 的宽长比设为2 4 u 2 u ，n 2 设为 6 0 u 2 u 。这样确定了参数瑶，经遮仿真(