（农业电气化与自动化专业论文）基于bicmos技术的acdc开关电源管理ic的设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 单片开关电源自从2 0 世纪9 0 年代中期问世以来，以具有高集成度、高性一 价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，显示出强大的生命力，现已成为国 际上开发中、小功率开关电源、精密丌关电源、专用开关电源及开关电源模块的 首选集成电路( i c ) 芯片，使得开关电源朝着短、小、轻、薄的方向发展。 b i c m o s ( b i p o l a rc o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i e o n d u e t o r ) 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新技术，它兼容了c m o s 电路和 双极型电路的优点。因此，近年来该技术正日益受到i c 业界的关注和高度重视。 论文设计了一种单片a c d c 变换型的开关电源管理i c ，该电路将脉宽调制 器、带隙基准电压源、振荡器、误差放大器、软启动、前沿抑制电路等低压控制 电路部分与高压功率管单片集成化，并利用先进的b i c m o s 工艺技术，有效的 降低了总功耗，提高了a c d c 转换效率，使得单片开关电源i c 的性能得到提高。 并用h s p i c e 仿真软件对i c 的单元模块进行了反复的仿真试验，并达到了预先 设定的指标。该电路的工作方式为脉冲宽度调制方式即p w m 方式；电路j 下常工 作温度范围为o 7 8 。c ；开关频率为1 3 0k h z ，输出信号工作的最大占空比为 7 2 ，最小占空比为8 5 ，转换率可达到8 7 。 文末还对整体电路的工作过程即上电、正常工作、过流保护以及自动重启工 作过程进行了分析和仿真，仿真结果表明，该集成电路满足了上述的要求。可适 用于中、小功率的开关电源。 关键词：单片开关电源管理i c ；b i c m o s 技术；p w m 控制方式 江苏大学硕士学位论文 ab 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 s s h o w ns t r o n gv i t a le n e r g i e ss i n c ei tc a m eo u ti nt h e19 9 0 s ，b e c a u s et h ei ch a sm a n y v i r t u e ss 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 t s w i t c h e rs o l u t i o na n dh i g hp e r f o r m a n c e t h es w i t c h i n gp o w e ri ci ss e l e c t e df i r s t l yi n t h ed e s i g no f h i g hp 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 r s 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 ds oo ni nt h ew o r l d ，w h i c hh a s b e e nm a k i n gs 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 dt h i n b i c m o s ( b i p o l a rc o m p l e m e n t a r ym e t a l x i d e s e m i e o n d u e t o r ) t e c h n o l o g yc o m - b i n e sb i p o l a rd e v i c ew i t hc m o sd 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 s c i r c u i t sv i r t u e s ，b u ta l s oo b t a i nb i p o l a rc i r c u i t sm e r i t s s ot h ei ci n d u s t r ya r e i n c r e a s i n g l ya t t a c h i n gm u c hi m p o r t a n c et ot h en e wt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s a t y p eo fs 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 ci sd e s i g n e df o r t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yo fa c d c i ti n t e g r a t e sl o w - v o l t a g ec o n t r o lp o r t i o ns u c h a sp w mc o m p a r a t o r , v o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t ，s a w t o o t h w a v eg e n e r a t o r , e r r o r a m p l i f i e r , s o f ta c t i v a t i o nc i r c u i te t c ，a n dh i g h - v o l t a g ep o w e rt u b ei n t h es a m e i n t e g r a t e dc i r c u i t a d o p t i n gb i c m o st e c h n o l o g yi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fi c i n t h i sp a p e r , t h es u b c i r c u i t sa r ed e s i g n e da n de m u l a t e dc a r e f u l l yu s i n gh s p i c ea n da s r e s u l t ，t h es u b c i r c u i ta n s w e rt h er e q u i r e m e n t st h a tw a ss e t t e di na d v a n c e i tw o r k sa t h i g hf r e q 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 ea n dt h en o r m a lw o r k i n g t e m p e r a t u r ei s0 。c - 7 8 c ；t h ew o r k i n gf r e q u e n c yi sf i x e da t13 0 k h z s of a ra st h e o 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 nt i m ep r o p o r t i o no fi t s h i g hl e v e li s7 2p e r c e n t ，b u tt h em i n m u m o n ei s8 5p e r c e n t ，c o n v e r s i o nr a t ec a nr e a c ht h e 8 7p e r c e n t l a s t l y , t h es y n t h e t i cc i r c u i ti s e 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 r m a l w o r k i n g ，a u t o m a t i cr e s t a r tw o r k i n ga n do v e r - c u r r e n tw o r k i n g ；t h er e s u l t so fe m u l a t i o n m e e tt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t t h ef o r w a r dd e s i g no fs i n g l e - c h i ps 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 ch a sb e e nf i n i s h e d t h i sm a n a g e m e n ti cc a nb eu s e di nm i d d l e o rl o wp o w e rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 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 ti c ：b i c m o s t e c h n o l o g y ；p w mm o d e i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密m 。 学位论文作者签名：仰望氛 导师签名： 签字醐：呷以彩 l ) 、蓟j 互 j m 签字眦伽7 争名目3 号 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文巾以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 咿逢蒙 日期：叫彳，衫 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的研究的意义 第一章绪论 开关电源管理芯片于9 0 年代中、后期相继问世便显示出强大的生命力，目 前已经成为国际上丌关电源及电源模块的优选集成电路，新一代开关电源管理芯 片采用功率半导体器件作为丌关元件，通过周期性工作，控制开关元件的时问占 空比来调整输出电压，按照开关型稳压电源的控制方式可分为脉冲宽度调制式 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 、脉冲频率调制式( p u l s ef r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，缩写为p f m ) 和混合调制方式( p w m 与p f m ) 。正是由于采用了 新的工作方式和较高的工作频率，单片丌关电源管理芯片能大大提高电源效率， 纹波幅度明显下降，且能使输出稳定。例如s g l 5 2 4 内部所需电流小于1 0m m ； m a x 3 6 7 3 7 效率可以达到8 3 ，输出电压为一1 5v 时，纹波幅度为o 7 5v ；t o p i i 系列效率最高可达到9 0 。而新一代开关电源管理芯片中，则加入了必要的过 热和过流保护电路，成为真正的智能控制电路，有的控制芯片还加入了欠压滞回、 自动重启等功能，使得控制系统更加完善。目前单片开关电源下朝体积小、功耗 低、精度高、可靠性高的方向发展。 目前，国外许多著名的i c 厂家都在大力开发低功耗、节能型单片开关电源 集成电路。随着单片开关电源的快速发展，传统的采用c m o s 工艺制造的器件 在速度、驱动能力等性能上的不足逐渐凸现出来，而b i c m o s 工艺技术同时融 合c m o s 器件的高集成度、低耗、强抗干扰能力以及双极工艺的高速、大电流 驱动能力的性能优势，使其极好地顺应了单片开关电源的发展要求。p h i l i p s 的 t e a l 5 2 0 系列即是一例，充分体现了b i c m o s 工艺技术在单片开关电源管理芯 片中应用的优越性。它采用了该公司专有的高压e z - h v 和低压b i c m o s 集成工 艺，适合设计5 0w 以下的小功率、小型化、低成本开关电源。采用先进的节能 技术和制作工艺，使单片开关电源被誉为“绿色芯片”( g r e e nc h i p ) 。但由于 b i c m o s 工艺技术本身的复杂性能高、难度大且成本高，现有的采用b i c m o s 工艺技术的单片开关电源管理芯片的产品很少。所以论文工作的研究目的放在将 b i c m o s 工艺技术运用到单片丌关电源管理芯片中，希望能推动单片开关电源芯 江苏大学硕士学位论文 片向小型化、高集成度、低耗、高精度方向发展，并在扩大b i c m o s 技术应用 领域方面做出有益的工作。 1 2 开关电源管理集成电路的现状与发展趋势 电源是现代通信、航空航天、生物技术、计算机等高科技领域内电子设备的 动力支撑，被誉为电子设备的心脏，其性能好坏直接关系到电子设计的技术指标 及能否安全可靠的工作。 近年来，随着工业领域自控程度的不断提高及民用电器产品的日益高档化， 对稳压电源的结构和性能提出了越来越高的要求。高效、精确、集成、便携己成 为发展的趋势和方向。传统的线性稳压电源也称为串联调整式稳压电源，虽具有 稳压性能好，输出纹波电压很小等优点，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。而开关电 源以其功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势几乎席卷了整个电子界，它被誉 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之 一【1 1 。由于开关电源内部的器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电 源效率比普通性能稳压电源提高近一倍。其中，小功率的开关电源芯片是一种正 在快速发展的功率集成电路，由于其较小的体积和较高的转换效率( 8 0 9 0 ) ， 具有很好的市场前景和研究价值。 开关电源已有几十年的发展历史。集成电路设计与制造技术的进步以及提 供开关电源使用的新型元器件和材料的出现，为开关电源的蓬勃发展提高了必要 条件。进入2 1 世纪以来，开关式电能变换技术无论是技术理沦还是产业进程， 都爆炸式地飞速发展，新技术、新产品不断涌现。集成开关电源的发展方向有两 个【2 】：一是对开关电源的核心单元一控制电路实现集成化。1 9 7 7 年国外首先研制 成脉宽调制( p w m ) 控制器集成电路，例如美国m o t o r o l a 公司的m c 3 5 2 0 、s i l i c o n g e n e r a l 公司的s g 3 5 2 4 、u n i t r o d e 公司的u c 3 8 4 2 。国外又研制出开关频率达1 m h z 的高速p w m 、p f m 芯片，典型产品如u c l 8 5 2 、u c l 8 6 4 等；二是对中小功率 开关电源实现单片集成化。单片集成开关电源集成电路具有集成度高、性一价比 高、外围电路简单、性能指标优良等优点，是开发中小功率开关电源、精密开关 电源及开关电源模块的首选i c 。由它构成的开关电源，在成本上与同等功率的 2 江苏大学硕士学位论文 线性稳压电源模块相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。这就为 新型丌关电源的推广与普及创造了良好的条件。目前，单片开关电源已经形成了 几十个系列、数百种产品。1 9 9 4 年，美国电源集成公司( p o w e ri n t e g r a t i o n s ，简 称p i ) ，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t o ps w i t c h 系列；2 0 0 0 2 0 0 2 年先后推出的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，这种电源最大的输出功率可达2 9 0w 。美困安森美半导体公司( o n s e m i ) 在1 9 9 8 2 0 0 1 年期f b j ，也市h 继开发出n v p l 0 0 0 、n c p l 0 5 0 系列单片开关电源， 最大输出功率为4 0w 。荷兰飞利浦( p h i l i p s ) 公司于2 0 0 0 年研制成功t e a l 5 1 0 、 t e l 5 2 0 系列单片开关电源，其中t e a l 5 2 4 的最大输出功率为5 0w 。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 等系列的单片开关电源，最大输出功率 可达1 2 5w 。 国外开发电源管理芯片的厂很多，主要有i r 、m a x i m 、s t 、t i 、p i 等等。 其技术已相当成熟且产品质量高，能高提供高质量、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。 国内丌关电源自主研发及生产厂家有3 0 0 多家，形成规模的有几十家。国产 开关电源已占据了相当市场，并开始出口。然而，同国产手机、d v d 机产业一 样，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 电源管理芯片均由国外公司提供，虽然芯片厂商普遍提供令国内厂家满意的芯 片，但价钱很高，也冈此使得电源整机的成本居高不下，技术上被动且受人牵制。 故我国迫切需要走出这困境，加速创新性设计工作，开发中国具有自主知识产权 的电源管理芯片。 1 3 国内外b i c m o s 技术的研究动态 在集成电路( i c ) 技术发展的初期，绝大多数的l c 芯片都是通过双极型晶 体管( b j t ) 来实现的，用双极技术虽然可以制造出速度高、驱动力强、精度高 的模拟器件，但是其功耗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 i ) 时代的到来，单一的c m o s 技术已经无法适应日益复杂 江苏大学硕士学位论文 的系统在驱动能力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，都不具备完全覆盖延迟 一功耗积空间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 rc 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。 b i c m o s 技术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、集成度高、低功耗和低电源电压等显著特点。b i c m o s 技术的概念是，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。2 0 多年来的b i c m o s 电路设计与开发的理论与实践汪实其性能明显超越了单一工艺电路。以双极、 c m o s 、b i c m o s 三种逻辑电路为例，图1 1 对这3 种工艺所获得的主要性能做 出了定性比较1 3 j 。 延迟 ( f p d ) b i c m o s 技术的概念，早在6 0 年代末就已提出，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，使b i c m o s 在发展初期阶段处于不利的竞争地位。直到2 0 世纪8 0 年代， b i c m o s 技术才显现出强大的生命力。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；同立、哈罩斯、德克萨斯仪器( t i ) ， 美国l s i 逻辑公司的摩托罗拉等公司纷纷开发出s r a m 、d r a m 、b i c m o s 门阵 列、a d ( d a l s i ) 芯片、微处理机、a s i c 等基于b i c m o s 技术的产品，充分 体现出b i c m o s 技术的优越性、先进性和实用性。近几年来，b i c m o s 应用领 4 江苏大学硕士学位论文 域的扩大不断推动着该技术的深入研究。例如，低温b i c m o s 技术已在低温双 层极技术等方面获得突破，将成为研究高性能器件的重要前沿方向；使用特别的 电路技术和对b i c m o s 器件结构的改进出现了m c b i c m o s ，c b i c m o s ， f s - b s - c m o s 等结构门电路；现阶段，在高端开发中已融合了先进的双极技术， 如：硅锗异质结双极晶体管( s i g eh b t ) 、绝缘材料衬底上硅( s o i ) 技术、任 意材料衬底上的硅( s o a ) 双极工艺等，使b i c m o s 工艺得到了进一步的发展。 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。从应用角度分析，b i c m o s 在数字系统中应用的典型代表足硅 静态存储器s r a m ，其i o 接口、灵敏放大器和控制电路等，采用了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。b i c m o s 技术还被广泛应用于各种数字逻辑门电路、门阵列，低功耗、 超高速数字逻辑运算及控制、高速数字信号处理器、片上系统( s o c ) 等。在模 拟系统中，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、失调电压等方面的重要性质有着明显的灵活性，b i c m o s 技术己被用到运算 放大器、差动放大器、低阻抗输出级、宽带低噪声放大器和模拟乘法器等电路 中，电压电流比较使模拟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。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 工艺技术将双极和c m o s 器件的独有的特性结合在一起，获得了 优于这两种器件的最佳性能。然而，随着光刻尺寸的等比例缩小，有必要从根本 上提高双极器件的性能，从而获得b i c m o s 器件的高速特性。器件尺寸的等比 例缩小必然伴随电源电压的降低，然而，在低电源电压条件下，由于工艺复杂程 度和生产成本的原因，通过附加高性能双极器件，提高或改进c m o s 器件性能 不容易实现。除了传统的硅器件以外，采用部分耗尽s o i c m o s 和低温c m o s ， 可进一步提高性能，为将c m o s 规模扩展至1 0n i i l 沟道长度带来了希望。另外， 在s i s i g e 双极互补型金属一氧化物一半导体( s i s i g eb i c m o s ) 技术中，s i s i g e 异质结双极晶体管( h b t ) 制造b i c m o s 的工艺与硅集成电路工艺基本兼容， 待异质结半导体器件的关键工艺技术突破后，其成本和性能可以与硅集成电路相 媲美【4 1 。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容及论文章节安排 论文的主要内容安排如下： 第一章是绪论部分。主要介绍了课题的研究目的、意义，概述了单片开关电 源及开关电源管理集成电路和b i c m o s 在国内外的发展趋势与现状。 第二章论述了p w m 工作的原理，并介绍了单片电源管理芯片的整体设计方 案。 第三章首先对b i c m o s 工艺的实现进行了说明，然后设计了a c d c 单片开 关管理i c 中基于b i c m o s 工艺的部分数字逻辑电路。 第四章对集成电路单元功能电路模块的设计进行了详细的介绍。 第五章首先对所没计的功能模块电路进行仿真验证，最后对整体电路进行了 上电过程、正常工作过程等进行了分析说明。 第六章对论文工作的总结和展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章单片开关电源管理芯片的整体结构设计 开关电源是有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，控制电路则是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 化即为开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 来调节和控制丌关电源，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，还可以和微处理器接口或通过局域网来实现编程控制或控制功能。 本章将讨论单片开关电源管理芯片的控制方式、脉冲宽度调制( p w m ) 控制方 式的工作原理以及集成电路的整体结构框图。 2 1单片开关电源管理芯片的控制方式 目前开关电源管理芯片的控制方式主要有三种：脉冲宽度调制方式、脉冲频 率调制方式和混合调制方式，下面将介绍这三种控制方式的各自特点i 副。 1 ) 脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制( p u l s ew i d t hm 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。其缺点是受功率丌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，有很短的导通时间 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( 亦称为预负 载) ，以防止空载时输出电压升高。 2 ) 脉冲频率调制方式( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，简称p f m )它是将 脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比。在电路设计上要固定脉宽发生 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周期变长， 使占空比减小，输出电压降低。 3 ) 混合调制方式它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 与p f m 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 7 江苏大学硕士学位论文 关电源。 目前生产的开关电源大多采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制或混合 调制方式。论文设计采用p w m 控制方式。 2 2 脉冲宽度调制( p w m ) 的控制方式及工作原理 p w m 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。无论是电压模式控制还是电流模式控制，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，除了电压反馈控制环外，还存在着电流控制内环。论文设计采用了电压模式 的控制方式。 现将单片开关电源采用p w m 电压控制方式的基本工作原理简述如下：如图 2 1 所示，交流2 2 0v 输入电压经过整流滤波后转换成直流电压矾，经过功率开 2 2 5 0 - 一 图2 1单片开关电源p w m 控制方式示意图 关管( m o s f e t ) 斩波，高频变压器降压后，得到高频矩形波电压。该电压通过 输出整流滤波器v d 、c 2 作用，在输出端得到直流输出电压乩。其中构成反馈 路径的脉宽调制器是整个电路的核心部分。它产生频率固定而脉冲宽度可调的 驱动信号去控制功率开关管的通断状态，实现对输出电压高低的调节，以达到稳 压的目的。锯齿波发生器提供时钟信号，利用误差放人器和p w m 比较器构成闭 8 江苏大学硕士学位论文 环调节系统。当降低时，脉宽调制改变驱动信号的脉冲宽度。即改变占空比， 使斩波后的平均电压值升高，以补偿乩的降低1 6 j 。 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 出稳定的直流电压，使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 m 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，图2 2 给出脉冲宽度调制方式的基本原理图。 ； 乩。! t o f rp w mf 言g - i ：i 输出反馈电压玩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n 。作伪p w m 比较器的一个输入，而p w m 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得导通和 关断时间，当锯齿波信号电平值高于误差控制信号时，p w m 信号为低电平u o f r ， 则功率开关器件关断，反之为高电平，功率开关管导通。所以p w m 信号的 占空比d 为： d = t o n t = t o n ( t o f r + t o 。) ( 2 一1 ) 式中，o n 和岛f r 分别是p w m 信号的高电平持续时间和低电平持续时间，丁为p w m 信号的周期。反馈电压升高时，误差放大器的输出敞州降低，则如f r 增大，0 n 减 小，占空比d 减小，反之，占空比d 增加。 9 江苏大学硕士学位论文 2 3集成电路的整体结构设计 论文没计的a c d c 开关电源管理集成电路的内部功能框图见图2 3 ，该集 成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 图2 3a c d c 单片开关电源的整体框图 启动、上电复位电路、前沿抑制、欠压保护电路等。 该集成电路的功能可描述如下：c 端为反馈端，同时亦给误差放大器和门驱 动级提供偏置电压。d 端为管理集成电路的启动端，也是功率开关管的漏极。s 端为功率开关管的源极及过流检测端。电路启动后，反馈端c 端电压分压后输 入误差放大器，并与基准电压比较放大，产生控制信号。该控制信号再与由电路 内部的振荡器输出的锯齿波信号经p w m 比较器作用，产生方波p w m 控制信号， 最终控制功率开关管的导通和关断。 误差放大电路是将c 端反馈的电压值与基准电压值的差值进行放大。所设 计的集成电路要求误差放大器的增益不是很大，这样就可以减少一些特殊的放大 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，该振荡器的振荡频率为1 3 0k h z 。 江苏大学硕士学位论文 基准电压源为电路提供基准电压，其精度和稳定度直接决定了整个系统的精 度。因此，其对温度性能和电源抑制性能的要求较高。 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关键电 路，所以要求p w m 比较电路的转换时间? l b , b f 7 8 】。 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、上电复位电 路以及低通滤波器电路、软启动电路、内部旁路、前沿抑制电路、输出驱动电路 以及逻辑控制数字电路。 江苏大荦硕士晕住论支 第三章b i c m o s 工艺技术与数字逻辑电路 b i c m o s 技术将烈极器件和c m o s 器件同时制作在同- j 5 片j ，使两者再 自的优势互补，从而提高芯片的综合性能。从电蹄结构角度町将b i c m o s 分为 两类：一是将双极器件和c m o s 器件做在同芯片上，即实现两种功能块的简 单纽台；二是制各出双极器件和c m o s 器件功能一体化的单元，进向由这种功 能单元自卜而f 逐层组成l s i 或v l s l 。论文采用第2 种b i c m o s 电路结构类型。 文中所设汁的单片升关电源管理芯片的控制、保护逻辑电路巾包含反柏器、 2 输入端与t l q 、2 输入端或非门、基本凡s 触发器以及八分频l u 路等。而逻辑门 电路足组成和设h 控制逻辑电路部分即数宁电路的基础币元，因此义t 1 采用 b i c m o s 技术对几剃晕要的逻辑f 乜路进行取点研究和设计。 3 1 b i c m o s 的结构以及工艺实现 3 1 1b i c m o s 的结构 日| j 订的b i c m o s 工2 主要响两种，是以c m o s 为基础的b i c m o sl 艺。 _ 是以b j t _ t 艺为牿础的b i c m o s 工艺例。圈31 是双阱b i c m o s 结构的横截 面图。出罔可见，以外延双阱c m o s 丁艺为举础，在n 阱内增加了n 埋层和集 h 。 ”，p 1 一1 1 p ， n i ：l l _ 、| i j l _ 1 _ 【 厂_ _ i 一7 、声i ，j i - ：43l 双阱型b i c m o sf n 横截面目 电撇接触深n + 注入，以减少b j t 集电极串联电阻阻值( 可降到几十欧上下) ，从 而降低b j t 的饱和管压降以及埔强c m o s 的抗门锁性能( 提高l a t c h p u 电压) ： 用p + 型注入制作摹区并用作隔离：发射区采取多晶硅掺杂彤式，与c m o s 器件 的栅区掺杂形式一致，形成多品硅双极型管。在制作过程中，将b j t 基区与p m o s 管的漏源区同时形成发射区则与n m o s 管稍源同时作成。该高速b i c m o s 江苏大学硕士学位论文 制备工艺主要增加了4 个掩膜：n + 埋层、深n + 接触区、p 型基区和p 型发射区。 目前国外一旦先进的双极工艺研发出来，就将其用于b i c m o s 工艺中，使 b i c m o s 工艺得到了进一步发展。例如，出现了以双极工艺为基础的b i c m o s 工艺。这种工艺既保证了c m o s 器件的性能不低于纯c m o s 器件，同时又兼顾 了b j t 器件，使其性能得到提升。该工艺采用p 型衬底，具有n + 、p + 双埋层。 n 型薄外延层形成b j t 器件的集电区和p m o s 管的源区。用重掺杂多晶硅作为 c m o s 器件的栅极和n p n 管的发射极。这类b i c m o s 工艺的特点是复杂性增加， 但速度提高，更适应高速器件的制备要求。 3 1 2b i c m o s 工艺的实现 早期的b i c m o s 电路足增强的c m o s 工艺，即它对双极型器件( b j t ) 的 功耗采取了一定限制措施。b i c m o s 技术的优点是从c m o s 工艺发展而来的。 最初采用的方法是在势阱建立c m o s 工艺之上融合一些辅助的步骤，在不降低 c m o s 器件特性的前提下生产双极型器件。 b i c m o s 技术大致可以划分为3 类【1 0 】：第一类是低成本、中速、5v 数字 b i c m o s 技术。最简单的低成本b i c m o s 技术只需要在一个现有的n 阱c m o s 工艺额外增加一项掩膜工艺。这个额外的掩膜层用以在选择的位置上形成轻度掺 杂的p 型区域，该区域用作b j t 的p 型基区( 约为1g m 深，具有的掺杂水平近 似为lx1 0 1 7 原子c m 3 ) 。n 阱形成了n p n 型b j t 的集电区。b j t 的发射极、集 电极触点掺杂和n m o s 管的n + 型源区漏区通过使用离子注入工艺可以同时形 成。另外，在n 阱c m o s 工艺的基础上还可增加两个掩膜层，即集电极扩散隔 离( c d i ) b i c m o s 工艺，在n 阱下面的p 型衬底中形成n 型埋入层，以提高 工艺过程中生成的b j t 器件的性能。 第二类是高性能、高成本数字b i c m o s 工艺。这项高性能技术的基本思路 是：确保b i c m o s 器件所包含的c m o s 器件和b j t 的性能均达到单独制造时的 水平【】。以双阱b i c m o s 工艺为例，双极型存储密度可以通过给埋入n + 区增加 校准埋入p 层而得到提高，使相邻势阱之间的间距变得更加紧凑。淀积一个近本 征外延层以取代n 型外延层，其掺杂等级由b j t 和p m o s 器件的需求决定。白 校准的p 阱和n 阱也将注入到薄膜本征外延层中，且每个剖面都能独立进行优 化。此外，使用一个额外的掩膜以实现多晶硅发射极，可以大大改善晶体管的电 江苏大学硕士学位论文 流增益和缩小器件的纵向尺寸，获得更浅的发射结。这不但缩短了渡越时间，而 且减小了发射极基极寄生电容。这一高性能b i c m o s 工艺在传统的c m o s 工艺 基础上增加了4 个掩膜层( 埋入n + 、深n + 下向扩散、p 基极和多晶硅发射极) 。 第三类是模拟数字b i c m o s 技术。模拟数字b i c m o s 工艺和5v 数字b i c m o s 工艺主要区别是在于工作电压不同。模拟器件通常可以工作于变化范围 较宽的供电电压( 例如，可以高于1 0v ) 和功耗等级条件下，然而5v 兼容 b i c m o s 工艺制造的器件在这一工作条件下会出现渚如：热载流子退化、栅极氧 化层击穿、m o s 器件穿通等情况。因此，必须在基于c m o s 工艺的基础上进行 调整，制备出适合模拟数字混合电路应用的器件。下文采用和进行研究的正是 此类b i c m o s 工艺。 3 2b i c m o s 反相器的设计 从器件结构兼容角度出发，b i c m o s 反相器是由b j t 与c m o s 器件组合形 成的具有非逻辑功能的电路。由反相器可构成其他逻辑功能部件，同时也为深入 研究b j t 与c m o s 器件和相应的优化设计提供了一个很好的切入点。 3 2 1基本的b i c m o s 反相器 图3 2 是由一对m o s 管v p 、v n 构成的c m o s 反相器。基本b i c m o s 反 相器是对c m o s 反相器电路结构改进，加入b j t 器件，使其具有较大的驱动负 载电容的能力，并利用b i c m o s 工艺技术实现。如图3 3 所示，一对互补的m o s 图3 2c m o s 反相器电路 图3 3 基本b i c m o s 反相器电路 管v n 和v p 构成了c m o s 反相器，b j t 器件v t l 、v t 2 组成推拉式输出级12 1 。 整体电路的输入阻抗高、输出阻抗低。现分析在负载电容c l 的作用下电路的工 作原理。当输入为低电平时，v p 管工作在导通状态，v n 管截止。因此，v t 2 1 4 江苏大学硕士学位论文 的基极电流为零，使其进入截止状态。v p 管的低阻抗导电沟道提供对v t l 的驱 动。v t l 管进入放大状态，较大的射极电流使负载电容c l 快速充电。输出为高 电平，h d _ u b e l ( u a e l 为v t l 管处于放大区的基极一发射极电压) 。 当输入由低电平跳变为高电平时，v p 管截止，v n 管道通，负载电容c l 因 v n 管形成的低阻导电沟道而放电，同时v t 2 管因获得足够的基极电流而导通， 输出为低电平u o l u b e 2 ( u b e 2 为v t 2 管处于放大区的基极一发射极电压。此时， 负载电容c l 不再放电。 综上所述，基本b i c m o s 反相器输出逻辑摆幅为：v d d - 2 u b e 。图3 4 为基本b i c m o s 反相器与c m o s 反相器的电压传输特性。由图可见，b i c m o s i i 鼍对盟甚= = = 妻毒害季 。r 一一一1 。t 。+ 一l 一一一一一j 一一一! 一一 ii i i1 ：i - 皇：鞯 i 一一- 一l 一一一4 一一一l - - 一一一一- t 一一一一一一一一卜一一 i i 。广。一一l 。一1 。一r 一一 一一1 一一一t 一一一r 一一一一一。 一l 一一一j 一一一l 一一一一一一j 一一一一一一l 一一一一一 i l 一一 i l 、。lv i l j 3 i 一一一一一一+ 一一一p 一一一p - 妻辜# 薹：一；一：k ；，一 ii 一一一1 一一一下一一一r 一。一。 图3 4c m o s 与b i c m o s 反相器的电压传输特性 o 反相器传输特性的响应速度优于c m o s 反相器，且基本b i c m o s 的噪声容限仅 略低于1 ( 2 v d d ) ，这对提高系统的抗干扰能力十分有利。 由于加入b j t 器件，b i c m o s 反相器的延迟时间是由上拉器件v t l 的导通延 迟( b i c m o s 反相器中特有的) 及负载驱动延迟组成1 3 1 。但当负载电容较大时， 负载电容的驱动延迟时间相对于b j t