（微电子学与固体电子学专业论文）新型低功耗电流模式开关电源电路研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活关系日益密切， 而任何电子设备都离不开可靠的电源。进入9 0 年代开关电源相继进入各种电子、 电器设备领域，如程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等。开 关电源中核心的部分就是控制i c ，由于其具有高集成度、高性价比、最简外围 电路、高效率等优点，所以得到了广泛应用。 本文设计了一种新型低功耗电流模式开关电源控制电路。该电路工作频率为 4 2 k h z ，内部集成耐压5 0 0 v 的功率l d m o s ，输出驱动电流1 1 0 m a ，同时在轻 载下提供跳周期模式，具有很低的待机功耗。并具有动态自供电、过流保护、过 温保护等功能。该电路结合外部m o s f e t 应用于5 矿1 0 0 w 的产品中。 本文首先阐述了开关电源的工作原理，详细介绍了本电路的整体工作原理， 最后重点介绍了振荡器电路、基准源电路、热关断电路、电压调节器电路及高压 电流源电路的工作原理，并利用仿真工具对电路进行了仿真。仿真结果表明本文 基本完成了设计工作，达到了设计要求。 关键词：开关电源低功耗p w m电流模式 皇三型垫查堂堡主堂垡堡塞 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h e e l e c t r i ca n d e l e c t r o n i ce q u i p m e n t sh a v eb e e nu s e db r o a d l yi no u rw o r ka n dl i f e e v e r ye l e c t r o n i c e q u i p m e n tc a nn o tw o r kw i t h o u tr e l i a b l ep o w e r i n 1 9 9 0 st h es w i t c h i n gp o w e rh a d b e e nu s e di na l lk i n d so ff i e l d s ，s u c ha se x c h a n g e r , c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l e q u i p m e n t s t h ec o r eo fs w i t c h i n gp o w e r i sc o n t r o li n t e g r a t e dc i r c u i t s b e c a u s ei th a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hi n t e g r a t i o n ，m o s tc o s te f f e c t i v e ，s i m p l ep e r i p h e r yc i r c u i t a n d h i g he f f i c i e n c y s oi th a s b e e nu s e db r o a d l y an e w t y p el o w - p o w e ra n dc u r r e n t - m o d e lc o n t r o l l e ri sd e s i g n e di nt h i st h e s i s i t s o p e r a t i n gf r e q u e n c y i s4 2 k h z ，i n c l u d i n gap o w e r l d m o sw h i c hb r e a k d o w n v o l t a g e i s5 0 0 v i t so u t p u td r i v ec u r r e n ti s110 m a ，m e a n w h i l e ，i tw o r k si nt h es k i p c y c l e m o d ew h e nt h el o a di s l i g h t i t sp o w e rd i s s i p a t i o ni sv e r yl o w t h ew h o l ec i r c u i t i n c l u d e s d y n a m i cs e l f - s u p p l y ( d s s ) c i r c u i t ，o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i ta n d t e m p e r a t u r es h u t d o w n c i r c u i t t h ec i r c u i ti sa p p l i e di nt h ep r o d u c t sw h i c h p o w e r f r o m 5 w t o1 0 0 w t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo fs w i t c h i n gp o w e lt h eo p e r a t i n g t h e o r yo ft h i sc i r c u i th a sb e e nd e m o n s t r a t e d t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o n a n a l y s i sa b o u to s c i l l a t o rc i r c u i t ，r e f e r e n c ec i r c u i t ，t e m p e r a t u r es h u t d o w nc i r c u i t ，a n d v o l t a g er e g u l a t o rc i r c u i th a v eb e e np a r t i c u l a r l ye x p o u n d e di nt h ee n do f t h i st h e s i s s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ed e c l a r e dt h ec i r c u i tf u n c t i o nh a sb e e na c h i e v e da n dt h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e no b t a i n e d k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e r l o w p o w e rd i s s i p a t i o n p w mc u r r e n tm o d e l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：一多年垂月石日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名； 导师签名：蝴 日期：哆年驴月易日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密 切，而任何电子设备都离不开可靠的电源，进入8 0 年代计算机电源全面实现了 开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入9 0 年代开关电源相继进入各种 电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等 都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利 用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电 压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制( p w m ) 或者脉冲频率调制方式 ( p f m ) 控制i c 和外部电路构成。 1 1 电源技术的发展及方向 1 1 1 线性电源 电源系统有如电子设备血液，源源不断地向电子系统提供能量。正如人体系 统不同部分对营养成分的需求不同，电子系统对电源的要求也不尽相同。一般情 况下，电源( 如市电) 要经过转换才能合乎电子系统使用的需要，如a c d c 转 换器。多年来在a c d c 转换器中线性电源被广泛使用，其中的一个原因是由于 它的电路简单，用到的元件少，价格便宜。电路通常由变压器、桥堆和电容组成。 变压器把2 2 0 v 的交流电压降到合适的电压，经过四个二极管组成的桥堆得到初 步的直流电源，再经过电容滤波，就是一个简单的线性电源了。 但是，这时输出的电压还没有经过调整，如要获得较好的直流电压，在桥堆 后还要加调整电路，这当然要增加费用。图1 1 就是一个经过初步调整的线性电 源电路。 线性电源的主要问题在于：输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在一 个通用的输入电压范围内工作。但最主要的缺陷还是在体积和重量上。前面提到 通过调整器可以使输出精度增加，但这更增加功率消耗，并使效率更低。线性电 源要达到5 0 g j 效率就不容易了，而这些消耗掉的无用功还带来散热问题。如果 使线性电源在一个通用输入电压范围内( 8 5v 2 6 5 矿a c ) 工作，会导致线性电 电子科技大学硕士学位论文 源的效率更低。而单一输入电压值的线性电源会给生产厂家带来不少麻烦，因为 他们不得不准备很多规格的电源。 ji -f 譬妒 - 日m 。瓢堡。 手 l 。k 。- ：嚣 。广- 3 一 瑚蛳。衅t o 。聃 黼扎 jik 图1 1 线性电源原理图 1 1 ，2 开关电源 由于体积和重量上的问题，在便携式电器日益增多的今天，线性电源的应用 越来越受到限制。一般来说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转 换成另一种电源形式的主电路都叫做开关变换电路。转换时采用自动控制的闭环 电路来稳定输出并有各种保护环节的称为开关电源( s w i t c hp o w e r s u p d l v ) 。 开关电源自从上世纪6 0 年代问世以来，就在各个领域得到广泛的应用。苹 果公司是最早在它的电脑中应用开关电源的公司之一，开关电源的应用也是苹果 电脑价格低廉的一个重要原因。而现在，几乎所有的计算机都采用各种开关电源 技术来满足不同的需要。 开关电源中主要的组成部分有：p w m 控制器、功率开关管、变压器和反馈 电路。图1 - 2 显示的就是个开关电源电路。它的输入部分由桥堆和输入电容组 成，产生的未经调整的直流电压进入到变压器的原边，然后耦合到变压器的副边， 通过在副边的反馈电路，把输出电压( 或电流) 的变化反馈到p w m 控制器上， 而p w m 控制电路根据反馈回来电压( 或电流) 值的大小来决定功率m o s f e t 开、关时间的长短，从而将输出电压( 或电流) 维持在个稳定的值上。也就是 说，通过快速的开、关功率管，由m o s f e t 开、关时间的长短即占空比来调整 电子科技大学硕士学位论文 存在变压器原边的能量，提供一个持续的稳定的输出电压。根据反馈电路的不同， 输出精度也不同，一般可达1 5 左右。 彩 ： 聿。主 f f l 1 主主 。亍下。 二 i 3 目 t 1镫 ：7 。 图1 2 开关电源原理图 虽说开关电源开始对线性电源构成了威胁，但是早期的开关电源除了p w m 控制器和功率开关管外，还包括大概4 0 到8 0 个分立元件构成一些辅助电路。这 不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到了影响，所以从提高开关电源的竞 争力来说，提高控制电路、保护电路的可集成性，使电源系统的设计简单化成为 一个关键的问题。 多年来，由于技术上的障碍( 高压、大功率) ，开关电源集成电路在集成化 上一直得不到很大的进步，但是最近几年，大规模和超大规模集成电路技术的迅 猛发展，能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了 一批全新的全控型功率器件，首先是功率m o s f e t 的问世，导致了中小型功率 电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 的出现，又为大中型功 率电源向高频发展带来机遇。因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提 高开关电源的性能和安全性，这包括热关断电路、限流电路、过欠压保护电路 等等。 通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度高、转 换效率高，性能可靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅度缩小变 压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于5 0 k h z 到1 m h z 的高频 条件下，而不是像线性电源中的那样工作于5 0 h z 的低频状态，因此缩小了变压 电子科技大学硕士学位论文 器的体积和重量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量。理论分析和实践 经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积和重量与供电频率的平方根成 反比。如果把工作频率从工频5 0 h z 提高到2 0 k h z ，提高4 0 0 倍，用电设备的体 积和重量可以下降至工频设计的5 1 0 ，其主要材料可节约9 0 或更高，可 节电3 0 或更多。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 概是线性电源的l 3 。因此，开关电源代替线性电源是大势所趋。 电源电路除了进一步向小型化和集成化方向发展以外，电源设计目前正进一 步地向着绿色化方向发展，目前各国特别是欧美等发达国家对节能要求越来越 高，而发电是造成环境污染的重要原因，因此节电可以减少对环境的污染；其次 这些电源不能对电网产生污染，许多开关电源会对电网造成污染，向电网注入严 重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出 现缺角和畸变。各种有源滤波器和有源补偿器的诞生，就产生了许多修正功率因 数的方法，这为批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。 1 2 电源控制i c 在开关电源中的应用及发展趋势 在晶体管发明以后，微电子技术对电子系统的发展起到了巨大的推动作用， 尤其是在计算机和信号处理方面的成果更是有目共睹。目前，绝大部分电子系统 中都大量使用了集成电路来减小体积，减轻重量，提高可靠性。同样微电子技术 对电力电子的影响也非常明显，这一点可以从各种功率电子器件和功率集成电路 的广泛应用看出，并且这一趋势将一直继续下去。 i c 产品在功率电子中的应用可以简单分为两类。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，也将进 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 dc i r c u i t ，p i c ) a 它一般包含低压逻辑部分和高压功率部分，还设计有 必要的各种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 电子科技大学硕士学位论文 的智能功率集成电路( s m a r t p o w e r i 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、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 在目前微电子走向系统集成的情况下起着越来 越重要的作用，有专家甚至称s p i c 的发展将会引发第二次电子革命。 1 3 开关电源的分类 开关电源可分为d c d c 和a c d c 两大类，d c d c 变换器现已实现模块化， 且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但 a c d c 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技 术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 1 3 i d c d c 变换 d c d c 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩 波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式五不变，改变7 葫( n n ) ， 二是频率调制方式，7 赢不变，改变五( 易产生干扰) 。其具体的电路由以下几 类： ( 1 ) b u c k 电路一降压斩波器，其输出平均电压小于输入电压u ，极性相 同。 ( 2 ) b o o s t 电路一升压斩波器t 其输出平均电压u 。大于输入电压u ，极性 相同。 ( 3 ) b u c k b o o s t 电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压e ，d 大于或小于 输入电压m ，极性相反，电感传输。 ( 4 ) c u k 电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压【，d 大于或小于输入电 压，极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得d c d c 发生了质的飞跃，美国v i c o r 公司设计制造 的多种e c i 软开关d c d c 变换器，其最大输出功率有3 0 0 w 、6 0 0 w 、8 0 0 w 等， 电子科技大学硕士学位论文 相应的功率密度为( 6 、2 、1 0 、1 7 ) w c m 3 ，效率为8 0 9 0 。日本n e m i c l a m b d a 公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块r m 系列，其开关频 率为2 0 0k h z 3 0 0 k h z ，功率密度已达到2 7 叫c m 3 ，采用同步整流器 ( m o s f e t 代替肖特基二极管) ，使整个电路效率提高到9 0 。 1 3 2 a c d c 变换 a c d c 变换是将交流电压变换为直流电压，其功率流向可以是双向的，功 率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。 a c d c 变换器输入为5 0 6 0 h z 的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对 较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准( 如u l 、c c e e 等) 及 e m c 指令的限制( 如i e c 、f c c 、c s a ) ，交流输入侧必须加e m c 滤波及使用 符合安全标准的元件，这样就限制a c d c 电源体积的小型化，另外，由于内部 的高频、高压、大电流开关动作，使得解决e m c 电磁兼容问题难度加大，也就 对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电 流开关使得电源工作消耗增大，限制了a c d c 变换器模块化的进程，因此必须 采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 a c d c 变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。按电源相数可 分为单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四 象限。 1 4 开关电源的应用及发展趋势 开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的 各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展 不可缺少的一种电源方式。而当我们把开关电源的研究扩大到可调高电压、大电 流时，以及将研究新技术应用于d c d c 变换器，即开拓了大功率应用领域，又 使开关电源的应用范围扩大到了从发电厂设备至家用电器的所有应用电力、电子 技术的电气工程领域，作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础的 开关电源，它的产品展现了广阔的市场前景。例如，发电厂的贮能发电设备、直流 输电系统、动态无功补偿、机车牵引、交直流电机传动、不停电电源、汽车电子 电子科技大学硕士学位论文 化、开关电源、中高频感应加热设备以及电视、通讯、办公自动化设备等。 电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，性能优劣直接关系到电子设各的 技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电 源两大类。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出电压波 纹很小，但它必须使用笨重的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。开关电源s p s 被誉为高效节能电 源，它代表着稳压电源的发展方向，现己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 ，比普通性能稳压电源提高近一倍。开关电源亦称为无工频变压器的电 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、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。在开关电 源中，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，高压功 率集成电路得到广泛应用和快速发展。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，而且可以和微处理器直接接口或通过局 域网( l a n ) 来实现编程或控制功能，是目前7 5 以下高效率、多功能开关电 源的最佳解决方案。 1 5 本文的工作 本文的主要工作是设计一种低功耗电流模式开关电源控制电路，它可以通过 4 2 v 到5 0 0 v 的直流干线进行自我充电，不需要额外的变压器，我们称之为动态 自供电。通过监视反馈线的情况，控制电路能检测到出现短路的情况，并立即将 输出功率减小，对摧个电路进行保护，一旦短路消失，控制器即恢复正常工作。 它的待机功耗低，如果开关电源在正常负载条件下具有良好的效率，当输出功率 减小时，其效率开始下降，采用跳过一些不需要的开关周期的方法，可以大大减 小在轻负载时的功率消耗。该控制器电路可以广泛应用于低功耗电源设计中，可 以简化适配器和辅助电源的设计。 第一章主要是通过查阅有关文献资料，对论文所涉及的领域进行概括性的介 绍，从而对我们的研究工作有一个总体的概念。 电子科技大学硕士学位论文 第二章主要介绍了开关电源的控制理论，分析阐述了p f m 和p w m 的基本 原理，着重介绍了p w v l 开关电源的控制方法，对电压型控制和电流型控制进行 了详细的说明。 第三章主要对内部电路进行了原理分析。介绍了整个电路的工作过程，对动 态自供电、跳周期模式和电路功耗进行了理论分析。 第四章主要对电路的各个子模块进行分析仿真。通过对仿真结果的分析，各 个子模块电路基本达到设计要求。 第五章主要对整个电路设计工作进行总结。 电子科技大学硕士学位论文 第二章开关电源控制理论介绍 开关电源控制的主要目的就是要保持输出电压一定，而负载电流可以有很大 的变化范围，这就要通过负反馈来达到这个目的。所有的电源控制器，无论线性 电源还是开关电源，都要检测输出电压。反馈电压输入到称之为电压误差放大器 的高增益运算放大器的反向端，参考电压输入到运算放大器的同向端，运算放大 器输出的就是参考电压和输出电压的差值。运算放大器把这误差值放大了许多 倍，这个输出电压称为误差电压，用误差电压信号来控制电源供给负载的能量。 该值为正，说明输出电压太低，电源要输出更多的能量。反之如果是个负值，就 说明输出电压太高，要减小输出的能量。 2 1 开关电源控制方式 开关电源的控制方式，大致有以下三种 ( 1 ) 脉宽调制方式，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。其特点式固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期也是 固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。其特点是受功率开关最小导通时间的 限制，对输出电源不能做宽范围的调节；另外输出端一般要接假负载，以防止空 载时输出高电压。目前，集成开关电源大多采用p w m 方式。 ( 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( 例如压控振荡器v c o ) 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。 ( 3 ) 混合调制方式，使指脉冲宽度与脉冲频率均不固定，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r 。和t 均可调节，因此占空比调节 范围最宽，适合供实验室使用的输出电压可以宽度范围调节的开关电源。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 脉宽调制式开关电源的基本原理 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 ，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，这就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，对输出电压不能做宽泛围调节；另外输出端一般要接假负载( 亦称预负载) ， 以防空载时输出电压升高。目前，集成开关电源大多采用p w m 方式。 图2 1 脉宽调制式开关电源的基本原理图 d c d c 变换电路是通过 控制开关器件的导通和 关断时间，将一个输入的 不稳定直流电压转换成 另一个输出稳定的直流 电压。图2 1 为脉宽调制 式开关电源基本原理图， 可以看出控制信号是由 反馈的实际电压和期望 值通过差分放大得到，然 后和锯齿波信号比较，当 p 。高于锯齿波时，开关器件导通，当圪。，低于锯齿波信号时，开关器件关断， d ：t o ：k ：丘型 t s t m + t 嚼 v 。l 公式( 2 1 ) 由此得n y f 关器件实际工作的驱动信号。如果定义开关器件开通时间占整个周期 的比值为d ，在公式中，o 为器件导通时间，t o y 为器件关断时间，五为周期，。 为反馈的实际电平经过放大后的电平，它反应了输出信号高于或低于期望值的信 息。一般锯齿波信号工作频率为几十到几百k h z ，甚至某些双极型电路工作频 率可以达到1 m h z ，但。变化频率很低，一般为几k 王z 。图2 2 为p w m 比 较器工作波形图。 当输出外部电压较高时，反馈信号也升高，由于它接入运算放大器的反相输 l n 电子科技大学硕士学位论文 入端，所以p 二。，电平下降，通过和锯齿波比较后得到开关器件的导通时间f 。减 小，即d 减小，输出电流减少，使输出电压降低；同理，当输出电压低于期望 值时，该电路能使开关器件导通时间增加，来使输出电压升高。 4 o j 5 ) 3q 一 2 - 5 图2 - 2p w m 比较器工作波形图 2 3 脉宽调制式开关电源控制方法的选择 选择控制方法极其重要，如果选择不正确，会使电源工作不稳定而浪费宝贵 的时间。设计者要知道各种控制方法之间细微的差别，总体上说，正激式拓扑用 电压型控制器，升压式拓扑通常用电流型控制。但这不是一成不变的规则，因为 每一种控制方法都可以用到各种拓扑中去，只是得到的结果不一样而已。表2 - 1 为各种控制方法的说明。 2 3 1 电压型控制 电压型控制的最显著特点就是误差电压信号被输入到p w m 比较器，与振荡 器产生的三角波进行比较。电压误差信号升高或降低使输出信号的脉宽增大或减 小。要识别是不是电压控制型i c ，可以先找到r c 振荡器，然后看产生的三角波 是不是输入到比较器，并与误差电压信号进行比较。 a 0 0 0 o 0 o o 6 5 4 3 2 ，0 ， 电子科技大学硕士学位论文 - ) w m 控捌方法 控制方法最适宜的拓扑 说明 具有输出早掏电流厦馈的电压塑控封 正激式电路输出电藏反馈盘懂客使葫事开关失簸 具有输出电流遥周骰崩的皂雕塑控澍正激式电璐 其有银好硼输出奄溅攥护聃船。遣懈柱 测高压侧电菰 电减i 静环拦橱正微式和升压式电路有稂雾专翱强制控翻瞎少 具有很好的赣幽嗽菇僳、护溲豫控制 电灌登控豺，由耐钟脉冲导通舢。时龟鞲 l c 很参，避常案甩g n ：d 孵礴辩蓑 b ) 准谐糍和谐搬转换控赶方法 拄翻方怯最适宣舶拓扑 说嘲 固定关断时间j 垒髓零电压开美准谐振电船 变嘲要甜最离期草酿瘟 同定并适时问控麓 零电流并关准谐振电路 变颏，簧对蠹假期争取嘲 相黪控制p 曾艟芷激式全桥电路 固定簸事 表2 - 1 控制方法说明图 电压型控制i c 的过电流保护有两种形式，早期的方法是用平均电流反馈。 在这种方法中，输出电流是通过负载上串联一个电阻来检测的，电流信号可以放 大输入到补偿用电流误差放大器中。当电流放大器检测到输出电流接近原先设定 的限制值时，就阻碍电压误差放大器的作用，从而把电流加以限制，以免电流继 续增大。平均电流反馈作为电流保护有一个固有的缺点，就是响应速度很慢。当 输出突然短路，会来不及保护功率开关，而且在磁性元件进入饱和状态时也无法 检测。这些会导致在几个微秒内电流成指数上升而损坏功率开关。 第二种过电流保护方法是逐周过电流保护。这种方法可以保证功率开关工作 在最大安全电流范围内。在功率开关管上串联一个电流检测器( 电阻或电流互感 器) ，这样就可以检测流过功率开关管的瞬时电流。当这个电流超过原先设定的 瞬时电流限制值时，就关断功率开关管。保护电路要求响应很快，以实现包括磁 心饱和在内引起的各种瞬时过电流情况下对功率开关管进行保护。由于这种电流 保护电路的保护限制值是固定的，而且也不会因其他参数改变而变化，所以不是 一种电流型控制。 最后一种是“电压滞环”的电压控制，这种控制方法是非常基本的。在这种控 制方法中，固定频率的振荡器只是在输出电压低于有电压反馈环给定的指令值时 才转成“通”的状态。由于有时候功率开关管突然导通后又进入常态关的状态，所 以有时把这种方法叫做“打嗝型”( h i c c u p m o d e l ) 。只有少数控制i c 和集成开关 皇王型垫奎堂堡主兰堡堡苎 电源i c 用这种控制方法，这种方法会在输出电压上产生大小固定的纹波，纹波 的频率与负载电流成比例。图2 - 3 为具有平均输出电流和逐周电流限制的电压型 控制原理图。 图2 3 具有平均输出电流和逐周电流限制的电压型控制原理图 2 3 2 电流型控制 电流型控制最好用在电流波形的线性坡度很大的拓扑中，如b o o s t 、 b u c k 。b o o s t 、和反激型电路等升压式拓扑。 电流型控制方法是控制流过功率开关管的峰值( 有时是最小) 电流的漂移点 来实现的，这也等效于磁心的磁通密度的偏移量。从本质上说，是调节磁心的一 些磁参数来实现的。电流型控制最常见的方法是“定时开通”的方法，有固定频率 的振荡器给触发器置位，有快速电流比较器给触发器复位。触发器状态为“1 ”时， 功率开关管导通。 电流比较器的阈值是由电压误差放大器的输出给定的，如果电压误差放大器 显示输出电压太低时，电流门槛值就增大，使输出到负载的能量增加。反之也一 样。电流型控制本身具有过电流保护功能，快速电流比较器实现对电流的逐周限 母晶 平 枷 电子科技大学硕士学位论文 制。这种保护也是一种恒功率过载保护方法。这种保护通过电流和电流反馈来维 持供给负载的恒功率，但并不是在所有产品中用这种方法都是最适合的，特别是 在典型的失效会引起失效电流增大的场合下。此外，电路可以设置其他过载保护 方法。图2 - 4 为由时钟脉冲导通的电流型控制原理图。 图2 - 4 由时钟脉冲导通的电流型控制原理图 另外一种电流型控制方法叫做电流滞环控制，这种方法对电流峰值和谷值都 进行控制a 这种方法用在电流连续模式的b o o s t 变换器中是比较好的。它的结构 有点复杂，但它的响应速度很快。这种方法并不是常用的控制方法，其控制频率 也是变化的。图2 5 为电流滞环控制图。 2 3 3 其它控制方法 现在有些i c 制造厂商为了提高所设计的电源整机效率，在一些工作点上自 行设计新的控制模式或新的控制方法。这种经验比较模糊，除了设计的应用场合 外，并不可以在其它所有应用场合下工作。比如，有些b u c k 控制i c 通过降低 工作的频率，可以使电感电流进入断续模式，进入断续模式后，反馈环的稳定性 4 电子科技大学硕士学位论文 会改变，所以他们用一些复杂的控制方法来补偿可以预见的不稳定性。 图2 - 5 电流滞环控制图 电压滞环控制：这是经常所说的“打嗝型”控制方法，它用一个简单的比较器 来调节输出电压，如果电压低于某一限制值，p w m 发生器就开通段时间，直 到超过这个限制值( 加上某一滞环电压值) 为止。这种方法使输出电压纹波等于 或大于控制电路上的滞环电压值。 变频控制：固定频率控制方法在轻载时由于开关损耗固定，所以频率下降。 有些控制器在轻载时切换到频率可变的时钟，而采用的控制方法还是一样的。 电子科技大学硕士学位论文 第三章整体电路分析与设计 本文所设计的电路为d c d c 型开关电源控制集成电路，加以简单的外围电 路就可以构成完整的开关电源。该电路工作于4 0 v 2 2 0 v 输入电压，正常工作 频率为4 2 k h z ，输出驱动电流1 1 0 m a 。本章首先介绍该电路的工作过程，然后 再对部分子电路模块进行介绍。 为了更好的了解电路的功能，本节将结合外围电路介绍电路的整体性能，并 由此介绍电路的整体工作过程。 3 1 芯片外围电路设计 图3 1 为芯片外围电路：其中引脚a d j 调整起跳峰值电流，用来调整开始跳 图3 - 1 芯片外围电路图 周期工作的电平。f b 为反馈端，通过将一个光耦合器连到该引脚，可随输出功 率的大小反馈回来一个电压，通过内部比较器来决定是否发生跳周期。c s 为电 流检测输入，它通过检测曩。上的电压来检测流过功率管j j l t 电流，若流过功率 管m 电流过大，则通过内部比较器及其它控制电路将m i 关断，起过流保护作用。 肘。为外部的高压管，最高可承受5 0 0 y 的电压。d r y 为驱动输出端，外接 m o s f e t 。p k 为集成电路电源，外接典型值为1 0 u f 的大电容。h v 接外部高压 干线，向p 矗大电容注入恒定电流。 1 6 皇王型垫奎堂堡主堂焦堡苎 一一一 3 2 电路工作过程 该电路在初始加电时，实际上只有h v 端加上高电压的脉动直流电压，此时 外部m o s f e t 处于关断状态，变压器的次级线圈没有电流流过，光耦同样不工 作。此时，芯片内部的高压电流源导通，通过端向电容g 充电，同时内部电 路开始启动。当端电压大于9 8 v 时，振荡器开始工作，输出矩形波和锯齿波a 触发器发出占空比一定的脉冲，通过输出驱动电路将l d m o s 管开启。当p 矗上 的电压高于1 1 4 v 时，电流源关断。此时，电路已经进入正常工作状态，l d m o s 管在p w m 信号控制下开启和关断，变压器次级线圈回路有电流流过，光耦开始 工作。 当外部功率需求减小时，光耦反馈给f b 端的电流也相应减小，该电流被转 换成电压送入内部比较器的反向端，通过与基准电压的比较，比较器输出一个高 电平，将触发器复位，关断外部的功率开关管，减小更多能量输出，减小了功耗。 此外，电路还可能发生过热情况，当温度超过设定温度后，过热保护电路输 出低电平，通过与非门将电路关断。禁止脉冲输出。 3 _ 3 内部电路模块设计 图3 2 内部电路结构框图，由图上可以看出，内部电路主要由基准源电路、 振荡器电路、电压调节器电路、电流源电路、过温保护以及输出电路和辅助数字 电路等组成。 基准源电路：理想的基准源应不受电源和温度的影响，在电路中能提供稳定 的电压，“基准”这一术语正说明基准电压源的数值应比一般电源具有更高的精度 和稳定性。作为整个芯片甚至整个电源的参考电平，其精度和稳定性直接决定了 这个系统的精度。用于电源控制器的基准电压源，需要能在比较宽的输入电压和 温度变化范围内保持稳定。能隙基准电压源由于在电源电压、功耗、长期稳定性 等方面的独特优势，等到了非常广泛的应用，该电路中即采用了输出为1 2 v 的 能隙参考基准电压源。 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 2 内部电路结构框图 振荡器：振荡器通常产生一定频率的振荡波形，通常会包括一锯齿波形，通 过锯齿波的上升沿作为脉冲宽度调节器( 通常为比较器) 的比较电压。 电压调节器：由于能隙基准电压源的电压一般为1 2 v 1 3 v 左右，而芯片 内部许多数字电路和模拟电路的供电电压分别为3 3 矿、5 矿等，另外还需要给系 统各电路模块提供不同数值的偏置电压和参考电压( 如不同类型的比较器的比较 基准等) 。另一方面，考虑到通常所称的基准电压源一般只能提供一个高稳定的 基准电平，并不具备驱动能力，而系统中必然有一些电路模块要求电源提供较大 的电流和功率。因此，必须设置电压调节器进行电平转换，并给予它一定的驱动 能力。本电路设计的电压调节器输出电压为4 v 和6 v 。 过温保护电路：如果电路工作温度过高，就有可能将某些管子烧坏，为了对 电路进行保护，我们设计了过温保护电路。当电路温度大于某一设定的温度值时， 保护电路将整个电路关断。禁止脉冲输出。等温度降低到某一值时，电路重新启 动，开始正常工作。 高压电流源：电路在刚开始启动时，是通过该电流源给电容充电来给整个内 部电路提供电源电压，当电容上的电压达到某一设定值时，电流源关闭，以减小 皇王型垫查兰堡主兰垡堡茎 功耗。当电容上的电压降到另一设定值时，电流源重新开启给电容充电。电路就 是通过对电容的充放电来获的一个动态的电源电压。 3 4 电路主要功能说明 3 4 1 动态自供电( d s s ) d s s 的原理是根据p 矗大电容从一个低电压充电，放电到一个更高电压。我们 很容易用一组简单的逻辑方程来描述电流源的工作，其工作过程如下： 当小于c 0 。时，电流源接通，电容开始充电，升高，此时电路无输出； 当p r c c 增加到大于d 时，电路输出脉冲正常工作 当p 矗增加到大于p ；c 。，时，电流源关断，但电路仍有脉冲输出，正常工作； 当电流源关断后p 岛开始减小，当p 盈减小到小于d 时，则电流源接通。又 开始下一个充放电过程。典型值为p 如，= 1 1 4 y ，= 9 8 y 。 图3 3 为动态自供电原理图： 1 0 b v 褥懂 堍0 0 品；， 。4 v i 1 k -；p 弓，、 - ， 飘z ；堍0 0 n = 9 慧 z 。 1 一 ，r lfl l 关龋 ll i 输出徘冲 1 。| m3 0 。m釉。o o m。m9 n m 图3 - 3 动态自供电原理图 v c c 电流澜 电子科技大学硕士学位论文 3 4 2 跳周期模式 该电路在输出功率需求降低到给定水平以下时将自动跳过开关周期，这是通 过监视f b 引脚实现的。在正常模式，f b 引脚根据负载值给出一个峰值电流。 当这一设置点到达给定值时，集成电路会确保电流不进一步下降，并开始禁止输 出脉冲，电路进入所谓的跳周期模式，又称为受控脉冲串操作。这时的功率传输 取决于脉冲串的宽度。假设我们有下列元件值 初级电感：l = 1 m h 开关频率层，= 4 8 k h z l e = 3 0 0 m a 因此，理论的功率传输为：矿= = 1l ，+ 露+ b ，= 2 2 w公式( 3 1 ) 如果电路随着脉冲串长度为l o m s ，重复周期为l o o m s 的一个群进入跳周期 模式，则总功率传输为：w = 2 2 0 1 = 2 2 0 m w 公式( 3 2 ) 当f b 端电位高于1 2 v 时，电路在正常电流模式下工作：当f b 端电压小于 1 2 v ，电路发生跳周期。图3 - 4 为反馈电压变化图： 图3 4 为反馈电压变化图 8 v 8 v 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 5 为不同功率电平上的输出脉冲，其中# 昱 与 3 4 ，3 电路功耗 图3 - 5 不同功率电平上的输出脉冲 电路通过内部d s s 电路直接从直流干线供电。因此流过d s s 的电流就是整 个电路电流消耗的直接反映。总的功耗可计算为： w = p + k 2 d 其中，y 为h v 端电压，i c c ：为电容充电电流。d 为占空比。 公式( 3 - 3 ) 如果电路是工作在2 5 0 v 交流干线上，则最大整流电压可高至3 5 0 v 直流， 假设4 蒯电流导通8 m s ，关断5 0 m s 。于是集成电路功耗为： 矿= 3 5 0 v4 4 m a $ 0 1 6 = 2 2 4 m w 公式( 3 - 4 ) 除了内部集成电路的功耗外，还有驱动外部m o s f e t 所需要的功率驱动外 部m o s f e t 平均功率由m o s f e t 的栅极电荷珐和开关频率五，决定。平均功率 为： = t 珐+ 公式( 3 5 ) 电子科技大学硕士学位论文 p 刍为栅源电压。因此在空载时的总待机功耗将取决于内部集成电路功耗和驱动 外部m o s f e t 的功耗。 电子科技大学硕士学位论文 第四章 电路主要子模块的分析与仿真 本章主要对电路各个子模块进行设计、分析和仿真，所使用的软件为 c a d e n c e 和h s p