（电路与系统专业论文）基于bicmos工艺的23相pwm控制芯片的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着c p u 在速度和集成度上的飞速发展，相应的电源管理系统也需要同步地改进。 电源设计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。新一代的c p u 需要采用多相电压调节器，因此多相控制芯片随之发展。多相电源管 理系统有很多优点：功率平均分配在各通道中，散热性能更优；输出电流可大于1 0 0 a ， 工作电压可低至1 v 以下；由于各个通道的输出电流相互叠加，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。 论文设计了一款可以2 相或3 相工作的p w m 控制芯片，该芯片具有灵活、电压调节 范围宽等特点，可以作为多种高密度供电电源的控制芯片。芯片使用了电压和电流反馈 环，可以更好地调整输出电压，并且电流反馈环路可以保证各相电流的均衡。通过外接 d a c ，可以使输出电压范围从1 0 8 v 1 9 3 v 可调。通过内部相位选择电路，可以使芯片 工作在2 相或3 相状态下。采用先进的b i c m o s 工艺，误差放大器的增益能够达至t j 8 0 d b 。 论文中合理设计了各个子电路，其中包括：带隙基准源、误差放大器、振荡器、斜坡发 生器、p w m 比较器、数字选择电路、输出级电路、过流保护电路和低压保护电路等。 由于论文对误差放大器、跨导放大器、基准电路等模块中双极器件的性能要求较高， 所以采用了先进的0 6 a mb i c m o s 工艺，使芯片中模拟电路获得了良好的性能。b i c m o s 是一种结合c m o s 与双极型器件结构在单一集成电路内的技术。它即保持了c m o s 电路 在功耗、噪声容限和封装密度上的优势，又获得了与双极电路相媲美的高开关速度、强 电流驱动能力和较佳的模拟电路性能。论文中详细介绍了b i c m o s 工艺设计要点。 作者在c a d e n c e 工作站上采用先进的0 6 t mb i c m o s 工艺模型，使用s p e c t u r e s 和 h s p i c e 等e d a 仿真工具对其各个模块进行功能仿真验证，并对关键模块进行了具体参 数的仿真验证。论文对设计进行了仿真模拟，仿真结果验证了设计的正确性。最后还完 成了该芯片的版图设计，并使用d r a c u l a 软件对版图设计规则与电气规则进行了检查， 达到了可以进入代工流片的水平。 关键词：多相控制器；脉冲宽度调制；峰值电流型；b i c m o s 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g no fa n2 1 3 一p h a s ep w m c o n t r o l l e rb a s e do nb i c m o sp r o c e s s a b s t r a c t a st h eh s td e v e l o p m e n to ft h em i c r o p r o c e s s o r ，t h ep o w e rs u p p l yt e c h n i q u eh a st o i m p r o v ea c c o r d i n g l y i th a sb e c o m eal a r g ec h a l l e n g ef o rp o w e rd e s i g n e rt os o l v et h ec o m p l e x i s s u e ss u c ha sm u c hh i g h e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，t i g h t e ro p e r a t i n g - v o l t a g et o l e r a n c ea n df a s t e r t r a n s i e n tr e s p o n s e t h en e wg e n e r a t i o n so fc p un e e d m u l t i p h a s ev o l t a g er e g u l a t o r s m u l t i p h a s ep o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mh a sm a n ym e r i t s i tc a nd i s s i p a t ep o w e rc o n s u m p t i o n a n da l l e v i a t et h et h e r m a ls t r e s si nt h eo u t e rc o m p o n e n t i tm a k e si tp o s s i b l et ou s es m a l l e ra n d l e s s e x p e n s i v ei n d u c t o ma n dc a p a c i t o r sd u et ot h er e d u c e dr i p p l ec u r r e n ta n df a s t e rt r a n s i e n t r e s p o n s e i tc a nd e l i v e rm u c hm o r ec u r r e n tu pt oi o o aw i t ht h eo u t p u tv o l t a g el o w e rt h a ni v t h ea u t h o rd e s i g nap w mc o n t r o l l e rc h i pw h i c hp r o v i d eaf l e x i b l e ，w i d e - r a n g ea n d e x t r e m ec o s t - e f f e c t i v eh i g l l - d e n s i t yv o l t a g er e g u l a t i o ns o l u t i o n sf o rv a r i o u sh i g h - d e n s i t y p o w e rs u p p l ya p p l i c a t i o n t h ec h i pi m p l e m e n tb o t hv o l t a g ea n dc u r r e n tl o o p st oa c h i e v eg o o d r e g u l a t i o n ，a n dc u r r e n tl o o pi su s e df o rc h a n n e lc u r r e n tb a l a n c e b yu s i n gd a c o u to ft h ec h i p c a l lm a k et h eo u t p u tv o l t a g ec h a n g ef r o m1 0 8 vt o1 9 3 v t h ec h i pc a l lw o r ki n2o r3p h a s e s b yt h ec i r c u i to fc h a n g i n gp h a s e s t h ec h i pa d o p o t e da d v a n c e db i c m o sp r o c e s sc a nm a k e t h eg a i no fe r r o r - a m p l i f i e ra c h i e v e8 0 d b e v e r ys u b - c k c u i ti sd e s i g n e dr e a s o n a b l y ，s u c ha s b a n d g a p ，e r r o ra m p l i f i e r ，o s c i l l a t o r ，r a m pp u l s eg e n e r a t o r ，p w mc o m p a r a t o r ，m a x ，o u t p u t s t a g e ，o c pc i r c u i ta n du v l o t h ee r r o r a m p l i f i e r ，g ma n dt h er e f e r e n c ec i r c u i tn e e dt h eg o o dp e r f o r m a n c eo fb i p o l a r t r a n s i s t o r ，s ot h ea u t h o ra d o p t e da d v a n c e d0 6 肛mb i c m o sp r o c e s sw h i c hc a nm a k et h e p e r f o r m a n c eo fa n o l o gc i r c u i tg o o d b i c m o sp r o c e s sc o m b i n c sb i p o l a rd e v i c ew i t hc m o s d e v i c ee f f e c t i v e l y ，s oi tn o to n l yh o l d sc m o sc i r c u i t sv i r t u e so fl o wp o w e r ，h i 【g hi n t e g r a t i o n d e n s i t y , b u ta l s oo b t a i nb i p o l a rc i r c u i t s m e r i t so fh i 曲s p e e ds t r o n gd r i v i n gp o w e r t h e t e c h n o l o g i c a ld e s i g np o i n to fb i c m o sa r cc o n c i s e l yp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h i si ca d o p t e d0 缸mb i c m o sp r o c e s sm o d e lo nt h ec a d e n c ew o r k s t a t i o n b yu s i n g s e v e r a la d v a n c e de d as o f t w a r e ，s u c ha ss p e c t u r e sa n dh s p i c ee t c t h ea u t h o rh a sf i n i s h e d s i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o ne v e r ys u b c i r c u i t ，a n daf e wi m p o r t a n te l e c t r i c a lp a r a m e t e ra n d c h a r a c t e r i s t i c t h ep a p e rg i v e ss i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hc a ns h o wt h a tt h ec i r c u i ti sc o r r e c t d r a c u l as o f t w a r et o o li su s e dt od ot h ed e s i g nr u l e sc h e c ka n de l e c t r i c a lr u l e sc h e c k t h i sc h i p c a ns e n dt op r o d u c e k e yw o r d s ：m u l t i p h a s e ：p w m ：p e a kc u r r e n tm o d e ；b i c m o s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盔氢堕笾丝盥型拙塑丛杰麴塾：绉亟塑进 作者签名：聿肆纽 日期：出年止月止日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：勉f 趟五兰& 群三拙丛丛划盘咯鱼堕缉 作者签名： 导师签名： 日期：2 1 年j 2 月日 日期：珥年韭月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1多相控制芯片的研究背景及现状 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 i 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 ，到高能奔腾时已超过了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。 表1 1 展示c p u 性能在过去五年间的发展。从表中可以看出，在功率大幅增加的同 时，电压尤其是电压容限显著降低。 表1 1c p u 的发展 t a b 1 1t h ed e v e l o p m e n to fc p u 对于现在的高集成度的微处理器来说，工作电压已经下降到i v 左右，为了保持输 出功率不变，电源输出电流能力要求大于i o o a n l 。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。每相可提供2 5 w 至4 0 w 的 功率。对于p e n t i u mi i i 而言，单相电压调节器就可满足要求，而最新一代c p u 则需要 采用3 相或4 相电压调节器。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 相不等乜1 。但是，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。 基于b i c m o s 工艺的邡相p w m 控制芯片设计 国外开发电源管理芯片厂商很多，主要有i r 、m a x i m 、a d i 、t i 、n a t i o n a l 等， 他们产品非常成熟，能够提供高质量、全系列的电源管理芯片，包括升压、降压、升降 压，固定、可调输出，不同负载能力的芯片。这些产品的成熟与其核心控制芯片技术的 完善有着密切关系。国外多相控制芯片比较典型的产品有：凌特公司的l t c 3 8 3 6 、a d i 公司的a d p 3 1 6 8 等等。 国内开关电源自主研发及生产厂家有3 0 0 多家，形成规模的有十多家。国产电源已 占据了相当市场，一些大公司如中兴通信自主开发的电源系列产品已获得广泛认同。然 而其红火的表象难掩缺乏核心控制芯片技术的尴尬。国内开关电源厂家所用的电源管理 芯片均由国外公司提供。由于没有国内厂家能够参与竞争，芯片价格远高于成本数倍， 使得开关电源整机成本较高，大部分利润被核心芯片提供商剥夺，技术上受制于人，很 难实现大的突破。因此开发具有自主知识产权的电源控制芯片，已是大势所趋、形势所 迫。 1 2b ic m o s 工艺的发展历史和现状 在集成电路( i c ) 技术发展的初期，绝大多数的i c 芯片都是通过采用双极型晶体来实 现的，用双极技术虽然可以制造出速度高、驱动能力强、精度高的模拟器件，但是其功 耗高和集成度低的缺点阻碍了在超大规模集成电路( v l s i ) 中的应用。随后，互补金属氧 化物半导体( c m o s ) 器件又以低功耗、高集成度和设计简便等性能优势成为v l s i 的主 导技术。然而，随着2 0 世纪9 0 年代特大规模集成电路( u l s o 时代的到来，单一的c m o s 技术己无法适应日益复杂的系统在驱动能和速度等方面的需求。在需要超高速和大电流 驱动性能的场合，b j t 仍是一种处于优势的技术方案，但仍存在着i c 芯片的功耗和面 积居高不下的缺点。因此，无论是c m o s 器件还是双极型器件，都不具备完全覆盖功 耗和面积所要求达到的适应性。因此双极互补金属氧化物半导体( b i c m o s ：b i p o l a r c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 兼容技术便应运而生，成为最佳的解决方案 3 】 0 b i c m o s 是在同一芯片上制备c m o s 与b j t 器件的集成与兼容技术，具有高速、 大驱动能力、高集成度和低功耗等显著特点。b i c m o s 技术并非简单地组合c m o s 和 双极技术，它实现工艺上的兼容与集成，还需达到器件结构和功能的集成与兼容h 1 。该 技术早在6 0 年代末就已经提出，但由于当时双极和c m o s 两种技术在工艺和设备上差 异较大，结合起来工艺复杂、难度大、设计和制备成本高，这些问题都不利于b i c m o s 的研究和发展，使b i c m o s 在发展初期阶段处于不利的竞争地位。随着双极技术和 c m o s 技术分别针对提高电路性能和可靠性方面增加了许多工艺环节，同时，由于系统 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 功能扩展与性能改善的迫切要求，融合两种技术的条件趋于成熟。在这一情况下， b i c m o s 技术才重新并迅速得到发展。2 0 世纪8 0 年代，b i c m o s 技术显现出强大的生 命力嵋1 。美国无线电公司制造出被人们称为b i c m o s 技术先锋的c a 3 4 4 0 运算放大器； 日立、哈利斯、t i 等很多公司纷纷开发出s r a m ，d r a m ，b i c m o s 门阵列、a d 、a s i c 等基于b i c m o s 技术的产品。 本设计采用以c m o s 为主的b i c m o s 工艺，这种工艺对保证c m o s 器件的性能较 为有利。电路中大部分采用m o s 管，在要求高增益、大电流等地方采用双极型管，极 大的提高了电路的整体性能叩1 。目前国内的功率集成电路大多采用双极电路，极少数采 用b i c m o s 工艺制造，但是双极工艺集成度较低，功耗较大，因此电路的功能较为简 单，使用时需要较多的外围元件与之配合。本文设计的电流型多相p w m 控制芯片采用 b i c m o s 工艺，电路集成度大大提高，功耗较小。 1 3 多相控制芯片研究的意义 与传统的同步单相供电相比，多相d c d c 控制器具有明显的优势，包括：电流输 出可达到1 0 0 a 以上( 单相可达2 5 a ) ；工作电压低，可以到1 v ；输出电压的等效频率是 原来的n 倍( n 是多相电源的并联相数) ，同时由于等效频率的提高，系统的单位增益带 宽可以提高到原来的n 倍，负载的瞬态响应可以到5 0 a p s 。 1 2 v 图1 1 单相供电电路 f i g 1 1 t h ec i r c u i to fs i g n a lp h a s e t 图1 1 就是典型的单相供电电路，我们可以看到整个转换电路由三部分级成：输入、 转换和输出。输入和输出部分由扼流线圈及电容组成滤波电路，用于储能和滤波。转换 部分由p w m 控制器和场效应管( m o s e f e t ) 组成。p w m 控制器发出脉冲信号后， 基于b i c m o s 工艺的2 3 相p w m 控制芯片设计 m o s f e t l 和m o s f e t 2 将轮流将直流电压变为脉冲，通过控制脉冲宽度或周期就可以 确定电压的高低以达到变压的目的。 图1 2 三相供电电路图 f i g 1 2 t h ec i r c u i to ft h r e ep h a s e s 图1 2 是三相供电电路，很容易看懂，就是三个单相电路的并联，因此它可以提供 三倍的电流供给，理论上可以绰绰有余的满足目前c p u 的需要了。 但上述只是纯理论，实际情况还要添加很多因素，如开关元件的性能，导体的电阻， 都是影响v c o r e 的要素。实际应用中存在供电部分的效率问题，电能不会1 0 0 转换， 一般情况下消耗的电能都转化为热量散发出来，所以我们常见的任何稳压电源总是电器 中最热的部分。要注意的是，温度越高代表其效率越低。这样一来，如果电路的转换效 率不是很高，那么采用两相供电的电路就可能无法满足c p u 的需要，所以又出现了三 相甚至更多相供电电路。但是，这也带来了主板布线复杂化，如果此时布线设计不很合 理，就会影响高频工作的稳定性等一系列问题。目前在市面上见到的主流主板产品有很 多采用三相供电电路，虽然可以供给c p u 足够动力，但由于电路设计的不足使主板在 极端情况下的稳定性一定程度上受到了限制，如要解决这个问题必然会在电路设计布线 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 方面下更大的力气，而成本也随之上升了。本论文设计的是一款2 3 相p w m 控制芯片， 它根据内部的使能信号来选择所需要的相数，使其使用范围更为广泛。 电源回路采用多相供电的原因是为了提供更平稳的电流，从控制芯片p w m 发出来 的是脉冲方波信号，经过l c 震荡回路整形为类似直流的电流，方波的高电位时间很短， 相位越多，整形出来的准直流电越接近直流。从图1 3 可以看出随着相位的增多，输出 越平缓纹波越小。 单 相 供 电 = 相 供 电 二 相 供 电 o ：1 工。黼了 l 。一。一 0s 1 敛弱游被之前 _ t 0 澹波之后 t 图1 3 不同相位的输出 f i g 1 3 v o u to fd i f f e r e n tp h a s e 综上所述，随着c p u 的发展，对主板电源控制芯片的要求越来越高，多相控制芯 片的设计是其大势所趋1 1 4 本文的主要工作以及论文的结构 本文采用先进的0 6 9 i nb i c m o s 技术设计了一个两相或三相工作的p w m 控制芯 片，可以用来作为c p u 供电电源的控制芯片。 论文的主要内容安排如下： 第一章，绪论部分，概述了b i c m o s 技术的发展，多相控制芯片的发展背景现状 以及本课题的研究意义。 第二章，介绍了电路的整体设计，对芯片的引脚和模块作了详细的介绍，并且详细 说明了电压、电流控制模式以及电流检测的原理。 第三章，主要介绍了b i c m o s 的工艺技术。 基于b i c m o s 工艺的2 ：3 相p w m 控制芯片设计 第四章，该章为课题的核心部分。对多相p w m 控制芯片的主要单元模块电路进行 了分析，介绍了电路的工作原理，具体电路的实现以及仿真结果。重点对带隙基准电压 源电路和误差放大器进行了详细的分析和讨论。 第五章，介绍电路的整体仿真以及版图的设计，并给出了测试电路的设计。分别对 电路的功能以及性能进行了仿真验证，并结合第四章各个模块的电路设计仿真，给出了 该芯片的测试方案。 第六章，结论。对本文设计的电路的特点以及其工艺特点进行了总结。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 芯片的整体设计 2 1设计要求 本文所设计的芯片是一款2 3 相p w m 控制芯片，适用于作为c p u 供电电源或其他 要求低电压高电流供电电源的控制芯片。5 v 电源供电，工作频率的范围从5 0 k h z 到 4 0 0 k h z 可调，输出相位数可以根据内部电路选择2 相或3 相，通过外接一个6 位数模 转换器来设置输出电压，使之可以选择1 0 8 v 到1 9 3 v 的电压值，可以作为多款c p u 供电电源的控制芯片。 芯片的主要特点有以下几个方面： ( 1 ) p w m 输出可以选择2 相或3 相的输出，输出信号为脉冲信号，配以相应的驱 动芯片就可以驱动m o s f e t 开关管，通过改变p w m 信号的占空比可以改变输出电压 的大小。 ( 2 ) 芯片通过外部连接一个6 位的数模转换器，从而调整电压调节器的输出达到指 定的电压。电压调节精度可以达到1 2 5 m v ，调整范围为1 0 8 v 1 9 3 v 。 ( 3 ) 芯片内部具有过流保护，输入欠压锁定等功能。 ( 4 ) 均流功能，多相控制器的存在的一个重要问题就是各相间的电流如何保持均衡， 如果某一相电流特别大，那么多相的优势也就不复存在了。这款芯片的均流策略是和电 流环路控制结合在一起的，电流环路控制采用了模拟峰值电流模式控制。 2 2 顶层结构的搭建 2 2 1芯片结构图以及引脚介绍 根据要求设计的系统框图如图2 1 所示，参照框图，各引脚的介绍如下： d a c f b ：基准电压的一个输出端，是用与调节基准电压的缓冲放大器的反相输入 端，通过放大器该引脚的电压设在0 8 v ，为电路中的其他部分提供偏置电压。 d a c q ：基准电压的另一个输出端，内部用于调整基准电压的缓冲放大器的输出， 通过外接的d a c 芯片，可使该引脚的电压从1 0 8 v 到1 9 3 v 可调。它用来为误差放大 器提供基准输入电压。 f b ：误差放大器的反相输入端，通过系统输出反馈回来的电压，作为误差放大器 的反相输入，通过与误差放大器的同相输入端的基准电压比较，调整脉冲宽度，进而调 整输出电压的大小。 基于b i c m o s 工艺的2 3 相p w m 控制芯片设计 d v d ：为欠压保护电路的输入端，阈值电压为0 8 v ，当该引脚的电压大于0 8 v 的 时候，芯片开始正常工作。 c o m p ：误差放大器的输出，对反馈回来的电压与基准电压的差进行放大后，作为 p w m 比较器的同相输入端。 p i ：误差放大器的同相输入端，是根据系统所需要得到的电压来设定，该引脚的电 压由d a c q 端来提供。 r t ：频率设定引脚，通过改变该引脚与地之间的电阻，可以调整芯片的工作频率。 i c o m m o n ：为用于电流检测的跨导放大器的反相端。 p g o o d ：电源正常与否的指示。 i s p l 、i s p 2 、i s p 3 ：电流检测器的同相输入端，与i c o m m o n 端的电压相比较作 为跨导放大器的输入。 p w m l 、p w m 2 、p w m 3 ：三个通道的p w m 信号的输出，通过改变他们的占空比 可以改变系统输出电压的大小。 v d d ：电源，接5 v 电压，作为芯片的输入。 g n d ：地端。 图2 1 系统框图 f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r es c a l e 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 芯片模块的简述 误差放大器模块：该模块将输出的反馈采样电压与基准电压进行比较放大，输出至 p w m 比较器模块，用来调整输出的脉冲宽度，从而能够得到所需要的稳定的输出电压。 振荡电路以及斜坡电路发生器：振荡电路为电路提供各种所需要的脉冲信号，对其 产生的脉冲信号进行分频，并用来作为斜坡发生器的输入脉冲。 0 8 v 基准电压：根据带隙基准的原理产生的0 8 v 基准电压，具有高的电源抑制比， 也能够很好的抑制温漂。 数字选择器：是芯片内部的数字电路，用来选择相位，同时能够调节各相位工作。 缓冲放大器：缓冲放大器的同相输入端接内部产生的0 8 v 的基准电压。反相端与 输出相连接，再通过外接6 为数模转换器调整，使基准电压的输出范围从1 0 8 v 1 9 3 v 可调，作为误差放大器的同相输入端，用来得到不同的输出电压。 电感电流检测放大电路：该电路模块用于采样电感的峰值电流，经过采样保持电路 用于斜波补偿，输出至p w m 比较器的反相输入端。这部分电路同时起着电流均衡的作 用。首先采集到电感上检测电阻的电压变化( 该变化反映了电感电流的变化) ，电流检 测放大器把该电压进行放大并转换成电流信号，用于斜波补偿电路，来改变斜坡信号的 斜率，会改变输出p w m 信号的占空比的变化。由于采用了每相轮流导通，如果哪相的 电流比较大，则该相的输出占空比将会降低，从而使该相的电流减小，所以起到了电流 均衡的作用。 p w m 比较器：p w m 比较器用来比较斜坡电路和误差放大器的输出信号，输出信 号来控制r s 触发器，进而控制开关管的开断状态。 过流保护电路模块：当检测到的电感电流大于预设的电流时，产生使能控制端，使 电路停止工作。而预设的电流是通过内部的基准电流来设定的。 过压保护电路模块：当反馈回来的电压过大的时候，通过过压保护电路模块输出的 使能信号控制片子的关断。 欠压保护电路模块：保证只有外部电压高于设定值后才进行正常工作，用来保证芯 片对外工作的可靠性。同时当电源电压低于设定的值时，芯片会自动关闭。 2 3 芯片的控制模式 该芯片采用的是电流模式控制方式，其基本思想是在输出电压闭环的控制系统中， 增加了直接或间接的电流反馈控制。 一9 一 基于b i c m o s 工艺的2 乃相p w m 控制芯片设计 2 3 1 电压控制模式 电压控制模式是对输出电压进行采样，作为反馈控制信号实现死循环控制，以稳定 输出电压。在其控制过程中，电感电流没有参与控制是一个独立的量，变换器是一个二 阶系统。由控制领域知识可知二阶系统的稳定是有条件的口3 ，只有通过对控制回路的精 心设计才能达到稳定的条件，使死循环系统稳定工作。电流控制模式在输出电压采样反 馈的基础上增加了电感电流作为反馈量，电感电流不再是一个独立的量，从而使死循环 系统成为一个一阶无条件稳定系统呻1 。 v 珏 y 珥 一l j t l l 图2 2电压反馈控制模式原理图 f i g 2 2v o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o lm o d e y 。 r l 图2 2 是电压反馈控制模式原理图，变换器输出电压v o 的采样信号v f s 与基准电压 v i u b f 经误差放大器e 玎丛印比较放大后，又经p w m 比较器与斜坡信号v i u 蝴p 比较，得到 占空比受误差电压v e 控制的一系列脉冲信号，再驱动控制功率开关管q 1 ，达到使输出 电压v o 稳定的目的。 电压型控制的最大优点是单环反馈设计，所以比较简单容易实现。另外由于斜坡信 号的幅值较大，对稳定调制过程可以提供较好的噪声余度，低阻抗功率输出，对多输出 电源具有较好的交互调节特性。电压型控制的缺点是动态响应速度比较慢，因为不管输 入电压或输出负载的变化都必须首先转化为输出电压变化，然后再进反馈采样控制调 节。其次输出滤波器对控制环路增加了两个状态变量，即输出滤波电容器上的电压和输 出滤波电感中的电流，使得电压型控制开关电源是一个二阶系统，而二阶系统是一个有 条件稳定系统，只有对控制回路进行精心设计，在满足一定条件下，死循环系统才能稳 定工作，这需要增加一个零点来补偿。 2 3 2 电流控制模式 为了克服电压模式的缺点，电流模式应运而生。 大连理工大学硕士学位论文 峰值电流模式控制简称电流模式控制，通过检测输出电压与功率管电流的变化来控 制电感或功率管的电流使其跟踪输出电压的变化嘲。图2 3 所示为电流型控制的原理图。 它的工作原理如下：输出采样信号v f b 与基准电压v 跚f 经误差放大器e r r比较放大， 得到误差信号v e ，由恒频率的时钟脉冲置位锁存器输出脉冲控制功率管q a l m 导p 通，电感 电流逐渐增大，当电流在采样电阻r s 上的电压v s 幅值达到、飞时，p w m 比较器的状态翻 转，锁存器重定，功率开关管q 1 关断，电路逐个周期检测和调节驱动脉冲，控制变换 器输出电压m 1 。 v n v 姗 图2 3 电流反馈控制模式原理图 f i g 2 3 c u r r e n tf e e d b a c kc o n t r o lm o d e v o r l 电流模式控制较电压模式控制有如下优点： ( 1 ) 对输入电压变化响应快，抗干扰性能强。 ( 2 ) 过流保护和可并联性。在电流控制型d c d c 变换器中，由于内环采用了直接 的电流峰值控制技术，它可以及时、准确的检测输出或变压器以及开关管中的瞬态电流， 自然形成了逐个电流脉冲检测电路。只要给定或限制参考电流，就可以准确地限制流过 开关管和变压器中的最大电流，从而在输出超载或短路时保护了开关管和变压器。也可 以有效的克服因输入电压的浪涌产生很大的尖峰电流而损坏功率开关管的缺陷。 ( 3 ) 回路稳定性好、负载响应快。电流型控制可以看作是一个受输出电压控制的电 流源，而电流源的电流大小就反映了电源输出电压的大小。这是因为电感中电流脉冲的 幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。电流控制型 和电压控制型的开关电源相比有许多优点，但其本身也有缺点，如电感峰值电流与平均 电流有误差；直流开环负载调整率较差。这些问题绝大部分可以采取适当措施后得到满 意地解决，这就为电流型开关电源的普及和发展创造了条件。 基于b i c m o s 工艺的2 倍相p w m 控制芯片设计 ( 4 ) 根本消除了p u s h p u l l 开关电源存在的磁通量失衡问题。磁通量失衡会减弱电感 的承压能力，导致功率管电流不断增大并最终烧毁。电流模式在每个周期都限定功率管 峰值电流，能彻底杜绝磁通量失衡。 ( 5 ) 自动均流功能，当多台开关电源并联运行时，每台电源都有独立电流负反馈， 并联输出电压有一个总电压负反馈控制电路，使各个电流反馈系统有相同的电流参考 值，这样就可实现多台开关电源之间并联均流。 ( 6 ) 简化了反馈电路的设计。 电流模式控制也有它的缺点，如占空比大于5 0 的开环不稳定性，存在难以校正的 峰值电流与平均电流的误差；闭环响应不如平均电流模式控制理想；易发生次谐波振荡， 即使输出脉冲信号占空比小于5 0 ，也有发生高频次谐波振荡的可能性，因此需要斜坡 补偿等n u 。 2 4 电流检测模式 电流的检测方法有很多种，从检测效果来看基本上可以分为以下三种，基本的检测 电路，无损耗检测电路，精确的无损耗检测电路n 刿。 ( 1 ) 基本的检测电路 基本的电流检测技术是在电感的一端串联一个检测电阻，对于给定的电阻值检测电 阻上的压降即可检测出对应电感上流过的电流，如图2 4 所示。为了检测的精度这个电 阻的阻值至少为1 0 0 毫欧，假设满载电流为1 a ，将有0 1 w 的功率耗散在这个电阻上。如 果 y c 图2 4 电流检测电路 f i g 2 4 t h ec i r c u i to fc u r r e n tt e s t i n g 大连理工大学硕士学位论文 输出的电压为3 3 v ，则输出功率为3 3 w ，因为检测电阻而使系统损耗了3 3 的功率。 在大电流，低电压的应用场合情况将会更加严重，使用串联电阻的检测方法跟本不可能 使用。 ( 2 ) 无损耗检测电路 所谓的无损耗检测是利用功率回路中原有的器件上的压降来检测电流，这样相对于 整个系统来说将没有额外的功耗n 羽。最常用的无损耗检测有两种，一种是利用开关管的 导通电阻，另一种是利用电感的直流电阻( d c r ) 。本文采取的是后一种方法。利用电感 的直流电阻检测的方法就相对复杂一些，因为电感本身会引入一个交流量，所以需要一 个简单的低通r c 滤波器来滤除电感上的电压，如图2 5 所示。 v c 图2 5 通过电感d c r 检测电流 f i g 2 5 c u r r e n tt e s t e db yd c ro fi n d u c t o r 在这种方法中，电感l 和它的直流电阻必须知道，根据它们的值才能确定滤波的电 阻和电容值。这种技术在使用中对电感要求比较高，一般是用在电感的类型和值已经确 定的定制系统中。 ( 3 ) 精确的无损耗检测电路 它通过在功率m o s f e t 旁并联一个检测m o s 管来实现的，如图2 6 所示。 检测管的宽长比要远远的小于功率管，功率管的宽至少要是检测管的1 0 0 倍以上才 能保证检测m o s 上消耗很小的功率近似为无损耗的检测方法【1 4 】。要保证这种方法检测 的精度，就要想办法使s 和m 点的电压相等，这样可以减少因为沟道长度调制效应引起 的电流镜的不准确。该技术一个致命的缺点就是带宽很小，它是因为一种称为传输效应 基于b i c m o s 工艺的2 3 相p w m 控制芯片设计 的现象引起的。因为功率m o s 管和检测m o s 管的电流比例至少是1 0 0 ：1 ，即使是很小的 耦合都会因为d i d t 引起很大的误差，所以必须想办法减小它们之间的互感。 w ，l t n m o s f 拦t i - 图2 6 检测m o s f e t f i g 2 6 t h et e s t i n gm o s f e t 大连理工大学硕士学位论文 3bic m o s 工艺介绍 3 1b i c m o s 工艺的优势 2 0 世纪五六十年代，随着半导体材料和分离元件制造技术的不断提高，双极技术在 集成电路中的发展也稳步的迅速得到提高，因而到了7 0 年代末期，硅双极工艺形成了世 界集成电路市场的基础。但是由于芯片集成度的不断提高，电路尺寸的迅速缩减小，从 8 0 年代起，c m o s 工艺开始逐渐取代双极成为硅集成电路的主要技术。这是因为c m o s 集成电路以其低功耗、高集成度和设计简便等优点而拥有更为广阔的应用前景。 在集成电路中，c m o s 器件和双极器件的性能之间存在着显著的差距。c m o s 器件 的主要特点是功耗低、器件尺寸小、集成度高，但是在速度和模拟性能方面，c m o s 器 件与双极器件有很大的差距。双极电路虽然具有高速度、驱动能力强和模拟精度高的优 点，但是电路集成度低、功耗大。从图3 1 中可以看出，这些性能上差距的存在意味着 无论是c m o s 集成电路还是双极集成电路都很难同时满足电路高速和低功耗的要求。 速 蛊 图3 1 在速度和功耗方面的比较 f i g 3 1 t h e c o m p a r i s o no fs p e e da n dp o w e rd i s s i p a t i o n 双极c m o s 兼容工艺技术( b i c m o s ) 的出现终于满足了电路同时在集成度和功耗之 间的要求畸1 。b i c m o s 是将双极型器件工艺与c m o s 工艺结合在一起形成的一种兼容工 艺技术，它允许电路设计者在同一快电路芯片上既使用双极型器件又使用c m o s 器件。 以b i c m o s 为基础的工艺技术和器件具有广泛的适应性，可以很好地满足不同领 域的需要n 5 1 。b i c m o s 技术主要可以应用在以下几个方面1 ： 基于b i c m o s 工艺的2 届相p w m 控制芯片设计 ( 1 ) 在数字系统中的应用。b i c m o s 在数字系统中应用的典型代表是硅静态存储器 及其加接口、灵敏放大器和控制电路等，采用b i c m o s 结构和工艺技术，大大提高了信 号的传输速度，高效地实现了不同电平信号的转换与配合。 ( 2 ) 在模拟系统中的应用。b i c m o s 在模拟电路设计中的应用，由于双极器件和m o s 器件在高频性质、电压增益、噪声性能、变化率、失调电压等方面有着不同性质，因此 b i c m o s 工艺有着明显的灵活性。b i c m o s 技术己被用到运算放大器、差动放大器、电 流电压比较器、低阻抗输出级、宽带低噪声放大器和模拟乘法器等电路中，使模拟i c 摆脱了在相当长的一个时期落后于数字i c 的局面，推动了模拟i c 及其工艺的飞速发展。 ( 3 ) b i c m o s 在数模混合信号电路中的应用。由于b i c m o s 同时具有双极电路的高 速度和c m o s 电路的低功耗、集成度高的特点，所以特别适用于高性能混合信号电路。 例如：a d 和d a 转换器就是很重要的数模兼容系统。b i c m o s 对提高系统的响应速度 具有突出的作用。 由此可见，b i c m o s 技术将成为未来系统集成的主流技术。b i c m o s 工艺通常是在 已有的c m o s 工艺基础上融入双极工艺。制造双极型器件的方法有多种，一般是尽可能 多地利用m o s 器件工艺中已有的工艺步骤来制作晶体管，以降低工艺难度和成本。但当 b j t 的性能参数要求越高，则越需增加额外的工艺步骤。那么，如何在可接受的工艺复 杂程度与所要求的器件性能之间作出折衷呢? 这是在采用b i c m o s 技术时需关注的问 题。 3 2 c m o s 工艺的介绍 图3 2n 阱嘣o s 工艺 f i g 3 2 t h ep r o c e s so fnw e l lc m o s 大连理工大学硕士学位论文 c m o s 工艺技术包括p 阱工艺，n 阱工艺和双阱工艺三种。其中n 阱c m o s 电路 优于p 阱c m o s 电路，它可以采用低掺杂浓度的p 型衬底和n 阱降低n m o s 和p m o s 的源、漏结寄生电容和衬偏效应，从而提高电路性能。n 阱c m o st