（电力电子与电力传动专业论文）双相dcdc电源管理芯片均流控制电路的分析与设计.pdf

s u b j e c t ：a n a l y s i sa n dd e s i g no ft w o p h a s ed c d cc o n v e r t e rc h i p c u r r e n t s h a r i n gc i r c u i t s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e r n a m e：w um e i i n s t r u c t o r ：s u nl o n g - j i e ( s i g n a t u r e ) 吆丝 ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t p o w e rs u p p l yi sa n i m p o r t a n te l e m e n to fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t s i ti s i n c r e a s i n g l y i n f l u e n c i n gt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h et y p eo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e ， t h e r e f o r e ，t h er e q u i r e m e n t sf o rp o w e rs u p p l ya r ev a r i o u s b i c m o sp r o c e s si ss t u d i e da n dd e s i g n e d ，w h i c hc a nf a b r i c a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r c m o s t r a n s i s t o rp o w e rt r a n s i s t o ri nt h es a m ed i e ，a n dt h i sp r o c e s si sc h a r a c t e r i s t i c so fl o w p o w e r d i s s i p a t i o n ，h i g hi n t e g r a t i o na n ds t r o n gd r i v e a c c o r d i n gt op u l s ew i d t hm o d u l a t i o nt e c h n i q u e o fc u r r e n tm o d e ，am o n o l i t h i cd c - d c c o n v e r t e ri cb a s e do nb i c m o s p r o c e s si ss t u d i e da n d d e s i g n e d ，w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hm a n yf u n c t i o nm o d u l e s t h i sd c d cc o n v e r t e rc l l i pc a i l c o n t r o lat w o p h a s ec o n v e r t e rw o r ka u t o m a t i c a l l y , w h i c hc a n p r o v i d eal a r g eo u t p u tc u r r e n t ， b u th a sl o wp o w e rd i s s i p a t i o n t h e c h i pc a na d j u s tt h ec p uc o r e v o l t a g ea c c u r a t e l ya n d b a l a n c et h ed i f f e r e n tc h a n n e lc u r r e n t t h ed c d cc o n v e r t e rc h i pc a nb ed e t e c t e do ne a c h c h a n n e lo ft h ec u r r e n ti no r d e rt oo b t a i na c c u r a t ec u r r e n to ne a c hc h a n n e lo fi i d o n n a t i o n a n d t os h a r eb e t t e ra n dp r o t e c tc i r c u i t t h i sa r t i c l ei s g i v e nt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ed c d cc o n v e r t e rc m p f u n c t i o n a lm o d u l e s ，s u c ha s ：o s c i l l a t o rc i r c u i t ，s a w t o o t hc i r c u i t ，c o m p a r a t o rc i r c u i t c u r r e n t s h a r i n gc i r c u i t ，e r r o ra m p l i f i e rc i r c u i t ，d e t e c t i o nc i r c u i t a l lt h e s ec i r c u i ts t r u c n i r e sa n d o p e r a t i o np r i n c i p l e sa r es i m u l a t e da n dv e r i f i e d t h i sc h i pc a l lc o n s t i t u t ead c d cc o n v e r t e r w i t ham i n i m u mn u m b e ro fe x t e r n a lc o m p o n e n t s ；t h u s ，i tc a nb ew i d e l yu s e di nc p u p o w e r s u p p l ys y s t e m ，e t c t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo fd e s i g nm e t h o da n dt h e o r ya n a l y s i sa r ep r o v e db yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ec h i pm a i nc i r c u i t sw i t hh s p i c eo f f e r e db ye d a t o o l s o nt h eb a s i so f c i r c u i t so fe a c hf u n c t i o nm o d u l e ，l a y o u to ft h ei ci s c o m p l e t e da c c o r d i n gt oo 8 l x mp r o c e s s d e s i g nr u l e ，d r ca n dl v sd o c u m e n t sa r ec o m p i l e dt oc o n f i r mt h ev a l i d i t yo ft h el a y o u t t h e m o n o l i t h i cd c d cc o n v e r t e ri cb a s e do nb i c m o sp r o c e s si nt h et h e s i sc a nr e a l i z et h et a r g e t e x p e c t e d k e y w o r d s ：d c - d c c o n v e r t e rp w mb i c m o sp r o c e s sc u r r e n ts h a r i n g i c t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究- t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文巾加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构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 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孛0 b日期：如n 珏 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适川本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名：函、痴召 呵耵胪阳 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 绪论 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合功率变换技术、现代电子技术、自动控 制技术的多学科边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材 料科学、电机工程、微电子技术、计算机科学等许多领域密切相关。目前电源技术已逐 步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算机、 工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起 着关键作用【l 】【2 1 。当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本 参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特 别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因 此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术发展的基础。电源 技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提 供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响【3 】。 电源技术的发展已经历了多次变革，从本质上来讲电源技术的变革也就是功率变换 技术的变革。功率变换技术的变革经历了从发电机组到半导体功率器件的应用；半导体 功率器件的应用又经历了从不间断工作模式到间断工作模式一开关状态。功率变换元件 工作在开关状态的电源，称为开关电源。按照目前的习惯，开关电源是专指电力电子器 件工作在高频开关状态下的直流电源1 4 j 。 传统的电源一般是由变压器、整流电路、滤波电路和串联线性稳压电路组成【5 】。这 种电源由于采用工频( 5 0 h z ) 铁芯变压器，其体积和重量都相当大。由于采用串联线性 稳压电路，其调整管工作于放大状态，即不间断工作模式，电源的效率很低，一般为 3 5 - , 6 0 ，因而它适用于压差变化不大的降压场合，压差稍大就会显露出效率低的弊病， 造成功率的浪费，并可能因芯片发热对系统稳定性产生不良影响。而开关电源取消了铁 芯变压器，代之以体积小，重量轻的铁氧体磁芯变压器。电路中的功率晶体管工作于开 关状态，即间断工作模式，因而效率大大提高，可达7 0 9 5 。由于开关频率很高( 几 十几百k h z ) ，滤波电路也简单得多，这就进一步减小了电源的体积和重量【6 】【7 1 。另外， 开关电源的输出对输入电压的要求不高，可做成宽输入电压的世界通用电源。所以说开 关电源对低档的线性电源特别是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 之外还包括大约4 0 8 0 个分立元件， 增加了成本、体积，主要缺点是集成度低、外围电路复杂、输出纹波较大，使可靠性受 到了影响。然而随着微电子技术的迅猛发展、生产工艺技术的成熟以及i c 产业的发展， 西安科技大学硕士学位论文 目前一些半导体厂家纷纷推出高性能的开关电源控制器，推动开关电源的普及应用峭j 。 这些开关电源控制器具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成 高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点，一经问世便显示出强大的生命力，目前 已成为国际上开发2 9 0 w 以下中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及模 块开关电源的优选集成电路，也为新型开关电源的推广和普及创造了条件。 单片开关电源芯片是在功率变换技术和电源管理产业出现的重大技术突破，它将电 源的控制调节电路、保护电路、驱动电路及功率开关管制作在同一芯片上，只需外接少 许元件就可构成理想的电能供应器【9 】。单片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。近2 0 多年来，单片开关电源沿着 两个方向不断发展。第一个发展方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。 第二个发展方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化【l u j 。 开关电源的发展是随着集成电路工艺的发展而发展的，也先后经历了双极、m o s 、 b i c m o s 等工艺。传统的双极工艺虽然具有高速、电流驱动能力强等优点，但其功耗和 集成度却不能适应现代大规模集成电路的发展需要。而一直作为硅锗集成电路主要技术 平台的m o s 器件及其电路虽在高集成度、低功耗、强抗干扰能力等方面有着双极电路 无法比拟的优势，但在高速、大电流驱动场合却无能为力。可见无论是单一的c m o s ， 还是单一的双极技术都无法满足大规模集成电路系统多方面性能的要求。随着单片开关 电源对中小功率开关电源的单片集成的需求，能够同时制作双极器件和m o s 器件的 b i c m o s 工艺得到了长足的发展，该工艺综合了双极型器件高跨导、强负载驱动能力， c m o s 器件高集成度、低功耗和功率器件大功率输出等特点，使其互相取长补短，发挥 各自的优点，为功率集成电路的发展开辟了一条新的道科1 1 。1 引。 由于小型个性化和便携式电子产品日新月异的发展，市场上迫切需要高效、可靠、 功能强大、外围元件少、体积小及重量轻的电源。利用传统芯片或电路构成的电源体积 大、效率低、电路复杂且成本高，难以满足小型化电子产品的要求【l4 1 。而且大多数电源 控制芯片或现有的单片电源芯片尽管芯片内部集成有过流保护功能，但当过载或短路时 仍有很大的电流输出，甚至会出现电流失控等，导致芯片的损耗相当大，最终影响芯片 或用户系统的安全可靠工作。 随着计算机c p u 性能的不断提高，它的功耗越来越大，为了有效地在计算机主板 上将机箱电源输出的5 v 电压转换成c p u 所需的工作电压，开关稳压电源无疑是唯一的 解决项目。目前绝大多数主板需要将5 v 或1 2 v 电压降到1 0 5 v 1 8 2 5 v 或1 8 0 v - 3 5 v ， 由于c p u 的工作电压低而电流却很大，如果采用单相供电，即使滤波电容达到数万微 法的也得不到最佳的性能，且动态响应也会大大降低，严重影响c p u 的正常工作，因 此，为c p u 供电的电源调整系统成为提高和改善系统性能的关键。通常单相供电一般 能提供最大约2 5 a 的电流，而现今常用的处理器已远远超过这个数字，显然，单相供电 2 1 绪论 无法提供足够可靠的动力。因此，采用所谓的多相供电已成为提高供电能力的主要手段。 多相电源的负载电流由各相电源共同提供，其开关信号工作于交错状态，可使输出电压 的等效频率得到提高，而且加快了负载的瞬态响应时间。 本论文就是针对目前电子设备对电源轻、薄、小和高效率的要求而设计了一款专供 计算机c p u 使用的双相d c d c 开关电源管理芯片。该芯片将尝试使用以b i c m o s 工 艺，在同一硅片上同时制作双极器件和c m o s 器件。该芯片最大特点是能够提供双相 大电流输出，减小单相电路上的应力，减小器件尺寸，降低功耗，为c p u 电源系统的 设计和调节带来极大的方便。该芯片只需外接少数元件就可构成高性能的降压d c d c 开关电源，其体积小巧、输出电压精度高且具有过流保护功能等【1 0 j 。电源是电子设备的 重要组成部分，其性能的优劣直接影响着电子设备的工作质量。 1 2 课题研究领域国内外的研究动态 开关电源被誉为高效节能电源，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。国外许多著名的i c 厂家都在大力开发低功耗、节能型开关电源集成电路。 经过近二十年的发展，开关电源已形成了几十个系列、数百种产品【l j 。 1 9 7 7 年，国外首先研制成功p w m 控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用及 尤尼特德等相继推出一批p w m 芯片，其典型产品有m c 3 5 2 0 、s g 3 5 2 4 和u c 3 8 4 2 。之 后，在此基础上，国外又研制出开关频率达1 m h z 的高速p w m 和p f m 芯片，典型产 品如u c l 8 2 5 和u c l 8 6 4 。 2 0 世纪8 0 年代初，意法半导体有限公司率先推出l 4 9 6 0 系列单片开关式稳压器。 s t 公司于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 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，适合制作低压可调 输出( 5 1 4 0 v ) 、大中功率( 4 0 0 w 以下) 、大电流( 1 5 1 0 a ) 、高效率( 电源效率可超 过9 0 ) 的开关电源。但从本质上讲，它们属于d c d c 电源变换器。 1 9 9 4 年，美国电源集成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，它属于a c d c 电源变换器。其第一代产品为1 9 9 4 年问世的t o ps w i t c h 系列， 第二代产品是1 9 9 7 年问世的t o ps w i t c h i i 系列，第三代和第四代产品是2 0 0 0 年1 月 和1 1 月相继推出的t o ps w i t c h f x 、t o ps w i t c h g x 系列单片开关电源。该公司还于 1 9 9 8 年、2 0 0 1 年分别开发出高效、小功率、低价位的t i n ys w i t c h 系列和t i n ys w i t c h i i 系列微型单片开关电源。2 0 0 0 年研制的t o ps w i t c h f x 系列五端单片开关电源集成电路 采用了“跳过周期”等多项新技术。如果开关电源的负载非常轻，以至于开关电源在最小 占空比( d = 1 5 ) 之下所提供的输出功率，仍然超过负载上的功耗，t o ps w i t c h f x 就 采用跳过周期的工作方式进一步降低输出功率，来提高轻载时电压的稳定性。此方式可 3 西安科技大学硕士学位论文 等效为先将占空比固定在1 5 ( 或更低值) 上，然后用脉冲频率调制( p f m ) 方式调 节轻载时的u o 值。根据负载变化情况，开关电源能在j 下常工作和跳过周期方式二者之 间自动转换，而无须其他控制。如不需要跳过周期，可在电源输出端接上最小负载，使 d 1 5 。采用跳过周期模式不仅能获得极低的输出功率，还能减小噪声电压。2 0 0 1 年 推出的t i n ys w i t c h i i 系列第二代增强型隔离式微型单片开关电源集成电路，适合制作 2 3 w 以下的低成本微型化开关电源。该芯片采用了“频率抖动”技术，以降低由开关频率 高次谐波所造成的电磁干扰。该技术将开关频率限制在很窄的波段内抖动，由于开关频 率是在1 3 2 k h z 附近不断变化的，它与1 3 2 k h z 固定频率的高次谐波干扰之间没有相关 性，因此利用频率抖动信号能够降低传导噪声。 美国摩托罗拉公司于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，也称为高压 功率开关调节器。m c 3 3 3 7 0 系列包括m c 3 3 3 6 0 m c 3 3 3 7 4 等6 种规格、1 7 种型号。 m c 3 3 3 7 0 系列可广泛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，构成高压隔离式a c d c 电源变换器。在作特殊应用时，还可去掉高频变压器 的反馈绕组及快恢复二极管、滤波电容，改用稳压管或双极型晶体管或m o s 管来进行 串联调整。此外，利用这种芯片还能制作高压步进电源。 荷兰飞利浦公司于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，它属 于反激式开关电源，其中，t e a l 5 2 4 的最大输出功率为5 0 w 。该公司还开发出t e a l 5 0 1 、 t e a l 5 0 4 、t e a l 5 6 2 、t e a l 5 6 3 、t e a l 5 6 4 、t e a l 5 6 5 、t e a l 5 6 6 、t e a l 5 6 9 等型号的 单片开关电源，最大输出功率可达1 2 5 w 。由于上述产品采用了先进的节能技术和制作 工艺，因此被誉为“绿色芯片”，该系列产品采用飞利浦公司专用的高压e z - h v 和低压 b i c m o s 集成工艺，适合设计5 0 w 以下的小功率、小型化、低成本开关电源。其“绿色 节能”特性突出表现在以下几个方面：在空载时的待机功耗极低，小于1 0 0 m w ；内 部设计了一个“谷值开关”电路，能把功率开关管导通时由漏极分布电容产生的开关损耗 降至最低；在低功耗输出时能自动降低开关频率，使芯片工作在低频模式下，从而减 小了芯片功耗。 美国安森美半导体公司在1 9 9 8 2 0 0 1 期间，也相继开发出n c p l 0 0 0 、n c p l 0 5 0 系 列单片开关电源。其最大输出功率为4 0 w ，可广泛用于家用电器的辅助电源、便携式电 池充电器、调制解调器、消费类电子产品的备用电源。此外，该公司最近还研制成功 n c p l 2 0 0 型单片开关电源。 日本是开关电源产量最大和自动化生产技术水平最高的国家，采用表面安装元器件 和厚膜技术将大多数电子电路元件组成混合集成电路，生产加工实现了自动化，从而提 高了可靠度，降低了成本，产品真正做到了轻、小、薄l l 引。 2 0 世纪9 0 年代以来是我国电力电子技术和电源产业快速发展的时期。据统计，9 0 年代初期我国器件和装置的年产值也不过2 0 亿元左右。然而，2 0 0 1 年基于场控器件的 4 1 绪论 开关电源产品的年产，仅华为电气一个公司就达到2 6 亿元，其他年产值超亿元的公司 有：武汉洲际、中兴通讯、北京动力源、北京通力环、烟台东方玉麟电子有限公司等。 p c 机开关电源、u p s 和逆变焊机公司也有了年产值达亿元以上的业绩。通用变频器的 年产值接近l 亿元，近十年电源产业规模的发展在加快。同时产业界也涌现一些技术难 度较大、具有国际先进水平的产品，如：“多谐振双环控制的通信开关电源”、“单芯片 控制的5 0 0 w 以下p f c 控制器”、“智能化高频开关电源”、“用于空调和冰箱的无位置传 感器的变频调速器部件”和“数千瓦的i g b t 中压变频器”等。然而，同国产手机、d v d 机产业一样，其红红火火的表象难掩其缺乏核心芯片技术的尴尬。国内电源整机厂家所 用的电源芯片均由国外公司提供。这些芯片厂商普遍能够提供令国内厂家满意的电源芯 片，但是，由于没有国内厂家参与竞价，他们的报价几乎都在其成本的四倍左右。这样， 不但使电源整机的成本居高不下，大部分利润被国外厂商剥夺，而且技术上受制于人， 很难实现大的突破。所以，开发具有自主知识产权的电源芯片已是形势所迫。目前我国 主要还是处于应用和参考国外的先进单片开关电源芯片结构，结合我们多年应用相关芯 片的研究和已有类似芯片的设计经验，进行一些产品的仿制阶段。 由于集成电路最早采用的工艺是双极工艺，所以早期的单片开关电源芯片主要是基 于双极工艺的，如s g l 5 2 4 2 5 2 4 3 5 2 4 、u c 3 8 4 2 等，这些芯片集成度低，控制功能相对 不是很完善，特别是功耗较大，s g l 5 2 4 2 5 2 4 3 5 2 4 的内部功耗甚至高达1 w ，严重影响 了电源效率。随着c m o s 工艺的发展和c m o s 模拟电路设计技术的不断进步，其低成 本、低功耗和高集成度的优点受到越来越多的重视，并且该技术也被广泛的应用于单片 开关电源的制作，如美国p i 公司的t o ps w i t c h i i 、t o ps w i t c h f x 和t o ps w i t c h g x 系列产品，其集成度大大提高，控制功能也逐渐完善，功耗更是大大降低。荷兰飞利浦 公司于2 0 0 0 2 0 0 4 年期间研制开发的“绿色芯片”t e a l 5 1 0 、t e a l 5 2 0 、t e a l 5 3 0 、 t e a l 6 2 0 等系列产品更是采用了先进的低压b i c m o s 工艺，将模拟、数字电路集成在 一个芯片上【l j 。对于传统的双极和c m o s 工艺具有显著的优势，就是设计者可以在高精 度模拟的双极，高集成度的c m o s 。由于双极性和c m o s 兼容，并且具有高效率、高强 度、高耐压和高速的开关特性，因此，基于c m o s 工艺的能够同时制作双极器件和c m o s 器件b i c m o s 工艺也将是对功率集成电路制作技术的研究和探索。 随着超深亚微米、纳米集成电路技术的飞速发展，在过去的几年里i n t e l 和a m d 的 c p u 性能都有了显著提高。从生产技术来说，最初的8 0 8 8 集成了2 9 0 0 0 个晶体管，而 p e n t f u mi v 的集成度超过了4 2 0 0 万个晶体管；c p u 的运行速度，以m i p s ( 百万个指令 每秒) 为单位，8 0 8 8 是0 7 5 m i p s ，到高能奔腾时己超过了1 0 0 0 m i p s 。c p u 性能的提高 要求为其供电的电压调节器更加精确和复杂，电源设计者面临的最大挑战是如何满足更 大的功率、更小的电压容限以及更快的瞬态响应。 处理器工作电压的确定很关键，如果太低，由于固有的传播延时的减慢，处理器就 5 西安科技大学硕士学位论文 无法满足最大时钟速度要求，相反如果处理器的工作电压太高，可靠性和工作寿命就会 呈指数下降。对于现在的高集成度的微处理器来说，工作电压己经下降到l v 左右，为 了保持输出功率不变，输出电流能力要求大于1 0 0 a 。如此大的电流如果集中在一个通 道输出将会加大元器件的负荷并缩短其使用寿命，所以提出了“相”数的概念，即其提出 的通道数，电源设计者依据可用的空间和散热等因素确定所需的相数。新一代的c p u 需要采用3 相或4 相的电压调节器。 多相控制芯片的发展也非常迅速，除了2 、3 、4 相，更多的有8 相1 6 相不等。但 是如果相数越多，相应的控制环路设计也越复杂，占用的面积也越大，所以相数的选择 并不是越多越好。采用多相设计必须要考虑的是电流均衡问题，如果某相电流很大，该 相的元器件寿命就会大幅缩短，也就失去了多相的意义，所以多相电压调节器的设计必 须包含能够主动均衡各相电流的电路。 1 3 论文的主要工作和结构 本课题的研究是针对用c p u 供电的产品，专门针对c p u 电源的要求为目标而去设 计与实现的一颗双相d c d c 电源管理芯片。因此，具有双相电路输出，解决主板低电 压大电流的“瓶颈”问题，大大提高电源系统的供电能力；为防止其中某一相电路在大的 电流应力下无法正常工作，研究设计能使双相电流均衡的均流技术就成为本课题研究的 重点。本课题研究的主要任务就是针对电路本身及其电源管理部分，设计与实现一颗高 效率、高性能、高可靠性的d c d c 电源管理芯片。 随着功率变换技术、电子技术、微电子技术、i c 产业及半导体工艺的发展，可以将 开关电源的控制调节电路、启动电路、保护电路、驱动电路及功率开关管等集成在同一 基片上，就形成一颗d c d c 电源管理芯片，只需外接步致元件即可构成用户所需的电 能供应器【i 引。 本论文的主要工作是完成一种基于b i c m o s 工艺的双相d c d c 电源管理芯片电 路。论文分为五章，各章内容简介如下： 第一章是绪论部分。主要介绍了开关集成控制器在开关电源中所处的地位和作用， 研究现状以及发展趋势，最后介绍了本课题的主要研究工作和意义。以及本论文的主要 工作和论文结构。 第二章首先介绍了电源管理芯片的基础知识，并介绍了本论文电路设计的基本知识 和相关概念，讨论了集中基本的d c d c 开关电源的两种调制方式；介绍并讨论了常用 的几种均流的方法；并探讨了使用于大功率输出的集成电路的常用工艺。 第三章讲述了子电路的设计与仿真。首先介绍本课题所研究的双相d c - d c 开关电 源芯片的整体电路的系统结构。接着对本课题中的子电路模块进行分析，对振荡器、锯 齿波生成电路、比较器电路、均流控制电路、保护电路以及电流检测电路的工作原理都 6 1 绪论 做了较为详细的阐述，给出了典型情况的仿真结果并作了详细的分析。 第四章：版图设计以及物理验证。 第五章：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。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 双相d c d c 电源管理芯片理论基础 2 1 双相d c d c 电源管理芯片概述 开关电源管理芯片的主要特点是功率开关管工作在开关状态。开关电源利用电感元 件和电容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断，具有较大电压波动的直 流电流能量断续的经过开关管，暂时以磁场能的形式存储在电感器中，然后经电容滤波 得到连续的能量并传送到负载，得到转换后得到电压脉动较小的直流电能，实现d c d c 变换。 传统的电源管理芯片是单相的输出，与传统的单相输出电源管理芯片相比，多相电 源管理芯片增加了一个或多个变换通道。这样做有诸多好处：首先使得功率平均分配在 各通道中，散热性能更优；输出电流可以达到更大，工作电压可低至i v 以下；等效工 作频率是原来的多倍，系统的单位增益带宽可以提高到原来的多倍，加快了负载的瞬态 响应速度；由于各个通道的输入、输出电流相互叠加，减小了输出电流的纹波，降低了 电磁干扰，可以使用更小的输出电容和电感。随着c p u 供电要求进一步提高，多相的 电源管理芯片已经成为很多电源设计者的必然选择。此类d c d c 电源管理芯片主要是 为台式计算机、工作站及服务器提供电源。最早出现的是双相多相电源管理芯片，它可 以满足上一代处理器的要求。但是，新一代及未来一代处理器正在寻求三相甚至更多相 数的芯片解决方案。 随着所需输出电流的增大，功率元器件有限的承受能力，电源控制器的功率耗散和 散热成为让电源设计者首先关心的问题。最直接的解决方法就是采用多通道输出将功耗 分散开来，但是通道数的增加意味着控制环路的设计复杂性也相应增加，所以人们最先 想到的是采用两相。它一方面能有效的分散功耗，最大限度地减小了输入纹波电流，另 一方面相对于更多相控制电路的设计又简单。正因为如此，双相d c d c 电源管理芯片 在市场上很受欢迎。本项目是在现有电源管理芯片的技术基础上，为克服单相供电不足， 三相或更多相供电电路复杂，成本高的缺点而设计的双相d c d c 电源管理芯片。 2 2 开关电源调制方式 开关电源管理芯片的控制方式从反馈的角度，可以分成电压模式控制和电流模式控 制两大类。无论是电压模式还是电流模式控制，都有输出电压反馈和电压调节器，所不 同的是在电压模式控制系统中，仅有一个电压反馈控制环，而电流模式控制系统中，除 电压反馈控制环外，还存在着电流控制内环。 开关电源管理芯片的控制方式按照调制波形分【2 0 1 ，大致分为以下3 种： 8 2 双相d c d c 电源管理芯片理论基础 脉冲频率调制方式，简称脉频调s j j ( p u l e sf q e r u e n c ym d e u l a t o i n ，缩写为p f m ) 式。 它将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比。在电路设计上用固定脉宽发生器 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来改变频率。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周期变长，使占空比减小，降 低。p f m 式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。 脉冲宽度调制方式，简称脉宽调s u ( p l u e sw i d t hm d o 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。因开关周期也是固定的，故为设 计滤波电路提供了方便。 混合调制方式，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。这样就集成了p w m 和p f m 的优点，同时有效地克服了它 们的缺点，使变换器在任意负载时的效率，电压跟随率，静态功率等方面获得优异的功 能。 目前生产的开关电源大多采用，少数采用脉冲频率调制或混调制方式。本文设计就 是采用脉宽调制方式( p w m ) 控制方式。 2 2 1p w m 调试方式 p w m 调试方式是开关功率变换器中最常用的控制方式，其基本工作原理就是在输 入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准 信号的差值进行闭环控制，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出 电压或电流等被控制信号稳定。其工作波形如图2 1 所示。 7。 心 龟 k 一 一 t i m _ 一 t t r t 咕 图2 1p w m 工作原理图 目前p w m 控制方式在开关电源中使用普遍，具有以下优点：电压调整率高，线性 度好，输出纹波小，适用于电流或电压控制模式，在负载较重的情况下效率很高。但也 存在输入电压调制能力差，轻负载时效率下降厉害的缺点。 2 2 2p f m 调试方式 p f m 也是开关功率变换器中常用的调制方式，其基本工作原理就是在输入电压变 9 西安科技大学硕士学位论文 化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差 值进行闭环控制，调节主电路开关器件的导通频率，使得开关电源的输出电压或电流等 被控制信号稳定。其工作波形如图2 2 所示。 图2 2p f m - t 作原理图 最近几年p f m 控制方式在开关电源中使用日益增多，具有以下优点：在轻负载下 效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高。存在以下缺点：负载调整范围窄， 滤波成本高。 本课题选用的是p w m 控制方式，开关电源p w m 控制技术的发展的历史从一个侧 面反映了开关电源技术的历史发展。p w m 开关电源控制技术的发展，除了新技术和新 的电路结构的推动作用以外，p w m 控制器的广泛应用也发挥了非常重要的作用。 2 3 均流技术的基础 现代高速微处理器全速工作是需要的最大电流已经达到6 0 a 以上，如果用单一的 d c d c 开关转换器来实现低输出电压和非常高的输出电流并不是一件容易的事情，不 仅知道过程非常繁琐复杂，而且对可靠性的要求也无法满足实际需要。为解决这一问题， 目前主流的做法是将若干个低输出电压，较小输出电流的d c d c 开关转换器并联，各 个转换器协同工作，从而得到所需要的大的电流值。要使并联的各个d c d c 开关转换 器可靠的工作，必须解决电流平均的问题，因为如果各个模块工作时不能输出相等的电 流，那么有的模块必然工作在大的输出电流，而以一些模块则工作在较低的输出电流， 每个模块的输出电流应力不同，在可靠性上就会产生差异，从而影响整个系统的可靠性 2 0 1 o 2 3 1 输出阻抗平均电流法 输出阻抗法，很多书中也称之为“输出电压倾斜法”，或者“电压调整率法”。它是通 过调节单个开关变换器的输出阻抗，以达到并联的各个开关变换器接近输出电流大小 1 0 2 双相d c d c 电源管理芯片理论基础 相等的方法。 如图2 3 所示采用输出阻抗法均流的1 1 个d c d c 开关转换器并联的示意图。图2 3 中 的风是电流检测电阻，每个d c d c 开关转换器内部使用相同的参考电压，当某一个转 换器输出电流增加的相对多时，那么r s 上压降就会变大，内部控制器状态发生改变， 控制该转换器的开关占空比，使得该模块输出电压下降，即就是该模块的输出阻抗增 大，输出v - i 曲线向下倾斜，接近其他模块的输出v - i 特性，使得其他模块的电流增大， 实现近似的均流作用。图2 4 中是单个d c d c 开关转换器的输出v - i 特性曲线。 这种方法本质上属于开环控制，在小电流时，电流的分配特性比较差，只是一种 近似的均流方法，实际上各个开关变换器的输出电流并不是完全均衡的。而且为了达 到均流的目的，每个模块需要个别调整，而这种调整是以牺牲开关转换器的电压调整 率为代价的。所以这一方法基本不用在对电压调整率高的电源系统中。 u o u m a x 图2 3 输出阻抗平均电流法 图2 4 输出v - i 特性曲线 西安科技大学硕士学位论文 2 3 2 主从平均电流法 主从均流法适用于采用电流型控制的并联电源系统中，所谓电流型控制是指电源 模块中有电压控制和电流控制，形成电压、电流双闭环系统。电压环用于调节输出电 压，电流环用于调节电感电流。主从均流法是在并联的n 个电源模块中，任意指定其中 一个电源模块为主模块，其余各电源模块跟从主模块分配电流，称为从模块。图2 5 给 出n 个d c d c 电源模块并联的主从控制原理图。图中每个模块都采用电流型控制。设模 块1 为主模块，按电压控制规律工作，其余的n 一1 个模块按电流型控制方式工作。诈为 主模块的基准电压，圪为输出电压反馈信号。经过电压误差放大器，得到误差电压圪， 它是主模块的电流基准，与k l ( 反映主模块电流的大小) 比较后，产生控制电压比控制脉 宽调制器和驱动器工作。于是主模块电流将按电流基准圪调制，即模块电流近似与圪 成正比。各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，主模块的电压误差圪输入 各跟随器，于是跟随器输出均为圪，它即是从模块的电流基准，因此各个从模块的电 流都按同一圪值调制，与主模块电流基本致，从而实现了均流。 v f v r 2 3 3 平均电流均流法 图2 5 主从均流法均流控制电路原理图 主模块 从模块 从模块 图2 6 为n 个并联模块按平均电流法自动均流的控制电路原理图。这种方法要求并联 各模块的电流放大器输出端( 见图2 6 中的点a ) 通过一个电阻r 接到一条公用电流母线 上，称为均流母线。图中，电压放大器输入为眸和反馈电压硌，所是基准电压k 和均流 控制电压圪的综合，它与昧进行比较放大后，产生的电压误差来控制p w m 控制器。巧 为电流放大器的输出信号，和模块的负载电流成比例，为电流母线电压。现在讨论 两个电源模块并联( n = 2 ) 的情况，v u 及分别为模块1 和2 的电流信号，都经过电阻r 接 到母线b ，因此，当流入母线的电流为零时，可得下式： ( k 。一圪) 尺+ ( 巧2 一) r = 0 或( 圪。+ 巧：) 2 = 圪 ( 2 1 ) 即母线电压是“l 和k 2 二的平均值，也代表了模块l 、模块2 输出电流的平均值。 1 2 2 双相d c d c 电源管理芯片理论基础 所与之差代表均流误差，通过调整放大器输出一个调整用的电压圪。当v l = 圪时， 电阻r 上的电压为零，表明这时己实现了均流。当r 上有电压出现，说明模块问电流分 配不均匀，e c v b ，这时基准电压将按下式修正：k = 附圪，相当于通过调整放大器改 变v r ，以达到均流的目的。 均 流 母 线 绉 图2 6 平均电流法自动均流控制电路原理图 2 3 4 最大电流自动均流法 图2 7 所示最大电流自动均流法的原理图，该方法是一种自动设定主模块和从模块 的方法。在n 个并联的电源模块中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，而其余 的模块则为从模块，它们的电压误差依次被整定，以校正负载电流分配的不平衡，又 称为自动主从控制法。 最大电流自动均流法与图2 6 所示的平均电流法的差别，仅在于将连接在电流放大 器和均流总线之间的电阻用二极管( 令f l 点接二极管阳极，b 点接阴极) 代替。这时均流母 线上的电压反映的是并联各模块的所中的最大值。由于二极管的单向导通性，只有电 流最大的模块，二极管才导通，a 点才能与均流母线相连。设各模块分配的电流均衡的 正常情况下，如果某个模块电流突然增大，成为n 个模块中电流最大的一个，于是v i 上 升，该模块自动成为主模块，其它各模块为从模块。这时v b = v i m 戤，而各模块的所与v b ( 艮o 所m 缸) 比较，通过调整放大器调整基准电压，自动实现均流。 图2 7 最大电流自动均流法控制电路原理图 1 3 均 流 母 线 场 西安科技大学硕士学位论文 2 4 芯片制造工艺选择设计 2 4 1 集成电路工艺 集成电路制造所采用的两种基本工艺为双极型和c m o s 型，后来为了兼顾速度和 功耗，又发展出两种工艺相结合的b i c m o s