（微电子学与固体电子学专业论文）buck+dcdc变换器芯片的研究与设计.pdf

摘要 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稳定 性和可靠性。随着电子技术的发展，电子设备的种类越来越多，其对电源的要求 也更加灵活多样。b u c kd c d c 变换器由于电路结构简单、调整方便、可靠性高等 优点，在降压式场合一直得到广泛的应用。 本文设计的是一款电流型p w m 控制方式b u c kd c d c 变换器芯片。该芯片工作 频率固定为3 8 0 k h z ，内部集成功率开关管，输入电压范围4 7 5 v 2 3 v ，输出电压在 o 9 2 v 2 3 v 连续可调，并具有欠压、过流、过热等保护功能，配以简单的外围电路 就可以构成完整、可靠的b u c kd c d c 变换器。 文中分析和阐述了b u c kd c d c 的电路拓扑结构及控制电路的工作原理。对该 变换器芯片各功能模块，如基准电压电路、过热保护电路、误差放大电路、电压 比较电路、锯齿波振荡发生电路、自举驱动电路、欠压保护电路、电流检测电路 等进行了设计并给出了仿真验证结果。最后通过对变换器芯片应用电路的h s p i c e 仿真，验证了设计方案和理论分析的可行性和正确性，所设计的b u c kd c d c 变换 器达到了预期的要求。 关键词： b u c kd c d c 变换器 电流控制模式脉冲宽度调制b c d a b s t r a c t p o w e rs u p p l yi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so f e l e c t r o n i ce q u i p m e n t s i t s d e l f o n n a n c e sa f f e c td i r e c t l yt 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 w i t h t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h et y p e so f e l e c t r o n i ce q u i p m e n ta r e b e c o m i n gm o r ea n dm o r e ，s ot 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 em o r ef l e x i b l ea n d d i v e r s e w i t ht h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n tr e g u l a t i o n a n dh i g h r e l i a b i l i t y , b u c kd c d cc o n v e r t e ri sw i d e l yu s e di nv o l t a g es t e p d o w ns i t u a t i o n ac l l n e 盯t m o d ep w mc o n t r o lb u c kd c d cc o n v e r t e rc h i pw a sd e s i g n e di nt h i s p a p e r t h ec h i pw i t ha b u i l ti ni n t e r n a lp o w e rt r a n s i s t o r , h a saf i x e d38 0 k h zo fo p e r a t i n g f r e q u e n c y , m p u tv o l t a g er a n g eo f4 7 5 v - 2 3 v , a d j u s t a b l eo u t p u tv o l t a g e o f0 9 2 v 2 3 v , a n dw i t hs e v e r a lp r o t e c t i o nc i r c u i t s ，s u c ha st h ec i r c u i t so fu n d e r - v o l t a g e ，o v e r - c u r r e n t ， o v e r - t e m p e r a t u r e t h ec h i p c a nc o n s t i t u t eac o m p l e t ea n dr e l i a b l eb u c kd c d c c o n v e r t e rw 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 et h e s i sa n a l y z e dt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e so fb u c kd c d ct o p o l o g yc i r c u i ta n d c o r l 仃0 lc i r c u i t i ti 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 ，s u c ha sb a n d g a pr e f e r e n c e v o l t a g ec i r c u i t , o v e r - t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，g r r o ra m p l i f i e r , v o l t a g ec o m p a r a t o r , s a w t o o t ho s c i l l a t o r , b o o t s t r a pd r i v ec i r c u i t , u n d e rv o l t a g el o c k o u tc i r c u i t , c u r r e n t s c n s i n gc i r c u i t ，e t c a l lt h e s ec i r c u i ts t r u c t u r e sa n do p e r a t i o np r i n c i p l e sa r ed e s i g n e da n d s i m u l a t e d f i n a l l yt 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 e p r o v e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fa p p l i c a t i o nc i r c u i to ft h ec h i pw i t hh s p i c eo f t h e e d at 0 0 1 t h ec h i pc a nr e a l i z et h ep r o s p e c t i v et a r g e t k e yw o r d s ：b u c k d c d cc o n v e r t e r c u r r e n t - m o d ec o n t r o l p w mb c d 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名：日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开关电源概述 电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的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，输出纹 波电压很小，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，导致电源的体积和重量大、效率低。在便携式电器日益增多的今日， 线性电源的应用越来越受到限制。开关电源s m p s ( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ) 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。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7 0 - - 一9 0 ，比普通线性稳压电源效率提高近一倍。开关电源亦称无工 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，还可以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 1 1 。 1 2 开关电源的发展趋势 开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅 用于卫星电源等少数领域。2 0 世纪6 0 年代出现过晶闸管( 旧称可控硅) 相位控制 式开关电源，7 0 年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频 率低、电路复杂、调试困难等原因而难于推广，使之应用受到限制。7 0 年代后期 以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世， 这种新型节能电源才重获发展【l 】。 电源的集成化，使得它被广泛应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机 等领域中。随着半导体技术和微电子技术的不断发展，集成度高、功能强大的大 规模集成电路的不断出现，使电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻， 与之相比，电源要笨重的多。在现代电子产品中，电源体积要比微处理器大几十 倍，如何减小开关电源的体积，面临着新的挑战，提高频率也是开关电源要面临 的问题。理论分析和实践经验表明，电器产品的体积、重量随供电频率的平方根 成反比的减少，所以当把频率从5 0 h z 提高到2 0 k h z ，提高4 0 0 倍，用电设备的体 2b u c kd c d c 变换器芯片的研究与设计 积、重量大体上降至工频设计的5 1 0 1 2 】。但是，频率提高以后，对整个电路 中的元器件又将有新的要求，因此高频工作下的有关电路元器件也有待于进一步 的研究。 国外开发开关电源芯片的厂商很多，主要有国际整流器( i r ) 、美信( m a x i m ) 、 意法半导体( s t ) 、德州仪器( t i ) 、美国电源集成公司( p i ) 等，他们的产品都 已经非常成熟，能够提供高质量、全系列的开关电源芯片，包括升压、降压、升 降压，固定、可调输出，不同负载能力的芯片。 我国的开关稳压电源研制工作开始于6 0 年代初期，到6 0 年代中期进入实用 阶段，7 0 年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1 9 7 4 年研制成功了 工作频率为1 0 k h z 、输出电压为5 v 的无工频降压变压器开关稳压电源。近1 0 多 年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校己研制出多种型号的工作频率在2 0 k h z 左右，输出功率在1 0 0 0 w 以下的无工频降压变压器开关稳压电源，并应用于电子 计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为1 0 0 k h z - - 2 0 0 k h z 的 高频开关稳压电源于8 0 年代初期就己开始试制，9 0 年代初期就已试制成功，而且 正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率【3 1 。 目前，我国已成为全球增长潜力最大的电子产品消费大国：全球最大的移动 电话市场、第三大p c 市场，未来五年还将成为全球第二大半导体市场。2 0 0 4 年 无线多媒体通信与计算机市场的迅猛发展为全球半导体市场增长做出了主要贡 献，同时也为全球电源以及电源管理芯片市场的发展注入了一股强劲的增长动力。 电源供应和电源管理i c 作为信息产品、设备的供电系统，与其在数量上有着l ：1 的关系。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。 国产开关电源已占据了相当市场，并有少量开始出口。然而，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。这些芯片厂商普遍能够提供令国内厂家 满意的电源管理芯片，但是，由于没有国内厂家参与竞争，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 产权的电源管理芯片已是形势所迫。 随着电子产品轻、薄、小的发展趋势，要求电子元件体积更小，耗能更低。 开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断的改进。高效率、高可靠、 低功耗、低噪声、抗干扰和模块化，成了开关电源的发展方向【4 】。 ( 1 ) 高效率：为了使开关电源轻、小、薄，高频化( 开关频率达兆赫级) 是 必然发展趋势。而高频化又必然使传统的p w m 开关( 属硬开关) 功耗加大，效率 降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、零 电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效 率达到8 5 8 8 。 第一章绪论 ( 2 ) 高可靠：开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了 可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电 源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一 公司通过降低温度、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其d c d c 开关电 源系列产品的可靠性大大提高，产品的m t b f ( 平均无故障时间) 高达1 0 0 万小 时以上。 ( 3 ) 模块化：无论是a c d c 或d c d c 或其他变换器都是朝模块化方向发展。 其特点是：可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成n + 1 冗余电源系统， 从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高 速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系 统建成后，根据发展需要不断扩充容量。 ( 4 ) 低噪声：开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之 增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但 谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、 场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。 ( 5 ) 抗电磁干扰( e m i ) ：当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产 生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗e m i 的规范或标准，如美国的f c c 、 德国的v d e 等，研究开发抗e m i 的开关电源日益显得重要。 1 3 本论文研究的内容及章节安排 本论文结合公司项目和当今电源管理的发展趋势，设计了一款大电流降压型 开关电源。该芯片设定为3 8 0 k h z 的固定工作频率，在故障情况下频率变为2 4 0 k h z ， 降低了功耗且最大程度地延长了便携式应用中电池的使用寿命。该芯片还包括使 能控制、软启动控制、过热保护和电流限制等辅助功能。 本文的主要工作是b u c k 芯片电路的设计及验证。首先，从电源管理的基本理 论出发，了解b u c k 芯片的基本结构和工作原理；其次，利用自己的电路知识设计 出子电路模块；最后，利用h s p i e e 软件对电路及系统进行仿真，使电路达到系统 的设计要求。 本文主要由下面几个部分组成： 第一章：绪论，简单介绍了电源管理i c 发展与趋势。 第二章：开关电源系统的拓扑结构和特点，并详细阐述了b u c k 开关电源系统 的工作原理。 第三章：芯片子电路模块的设计实现，主要是对内部调节电路、带隙基准电 压源电路、振荡器电路、误差放大器电路、比较器电路等的设计与仿真。 4 b u c kd c d c 变换器芯片的研究与设计 第四章：对芯片应用电路进行仿真验证。 最后是结束语，致谢和参考文献。 第二章d c d c 变换器的基本原理 第二章d c d c 变换器的基本原理 d c d c 变换器由主电路和控制电路构成。主电路一般包括输入电源、功率开 关管、整流管及滤波电感、电容和负载，它们共同完成电能的转换：控制电路通 过控制功率开关管的导通与关断，稳定输出电压在恒定的值。按照输入输出电压 的关系，d c d c 变换器可以分为四种：b u c k 变换器、b o o s t 变换器、b u c k b o o s t 变换器和c u k 变换器。 2 1 ib u c k 变换器 2 1d c d c 变换器的拓扑结构 b u c k 变换器电路如图2 1 所示。功率m o s f e t 为开关调整元件，它的导通与 关断由控制电路决定；工和c 为滤波元件；r 为负载电阻。开关管截止时，二极管 可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。 图2 1b u c k 变换器电路 根据电感电流凡在周期开始时是否从零开始，b u c k 变换器的工作模式可分为 电感电流连续模式( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，c c m ) 和电感电流不连续模式 ( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，d c m ) 。图2 2 为两种工作模式的电路波形。其 中n 是图2 1 中1 点的电压，屯是流过电感的电流，玩是电感两端的电压，i s 是 流过功率管m o s f e t 的电流，f d 是流过二极管的电流。 ( 1 ) c c m 工作模式 波形如图2 2 ( a ) 所示。控制电路输出信号使开关管所导通时( 图中实线所 示) ，滤波电感l 中的电流逐渐增加，因此储能也逐渐增大，电容器c 开始充电。 忽略m o s f e t 的导通压降，m o s f e t 源极电压应为k ，滤波电感两端电压应为 矗i 圪= 巧一圪= 姜 ( 2 1 ) “ 由此可以得出 6 b u c kd c d c 变换器芯片的研究与设计 1 1 = v o ) d t 假定输入电压g i 和输出电压保持不变，可以得到 t ：毕h 。l 椭 厶 式中 。i n 为阡导通前流过电感三中的电流。 v v ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( a ) c c m 电路波形 ( b ) d c m 电路波形 图2 2b u c k 变换器两种工作模式电路的波形 所导通期间，流过电感l 的电流凡线性上升，如图中f l 的波形所示。听导通 状态结束时，即t = t o 皿时，工中的电流达到最大值，即 t 嘲= 二三v 了v 上0 + lm i 。 ( 2 4 ) _ 控制电路使开关管关断时( 如图中虚线所示) ，电感l 中的电流将减小，上两 端产生的感应电压使二极管导通，电感工中贮存的能量通过续流二极管传输到 负载。忽略续流二极管的导通压降，电感两端电压应为 圪= “罢( 2 - 5 ) 由此可以得到 厶= 一i 圪出 ( 2 - 6 ) 设输出电压圪保持不变，则有 t = 一孚f + 一 ( 2 - 7 ) 式中儿嗽为开关管关断前流过电感的电流。 第二章d c d c 变换器的基本原理 开关管关断状态结束时，即t = t o 仃时，电感中的电流下降到最小值，即 l 曲= 一孚o + ，l 衄 ( 2 - 8 ) 将该式带入电感电流最大值表示式( 2 4 ) ，经适当调整后，可以得到 圪= k 南= k 矗 ( 2 - 9 ) = d j k( 2 1 0 ) 式中，d l = ( + 岛曲为开关管导通时间与控制信号周期之比，通常称为控制信号 的占空比；d 2 = f 0 一( + f o 曲为开关管关断时间与控制信号周期之比，称为关断占空 比。此时d l 切2 = 1 ，所以c c m 模式输出电压圪可以用式( 2 1 0 ) 表示。 ( 2 ) d c m 工作模式 当电感工较小，负载电阻较大，或周期较大时，将出现电感电流下降到0 ，新 的工作周期却尚未开始的情况，当新的周期来到时，电感电流从0 开始，线性增 加，如图2 2 ( b ) 所示。这种工作方式称为电感电流不连续的模式，即d c m 。此 时d 1 + d 2 i ，输出圪用式( 2 9 ) 表示： ( 3 ) 临界状态 对比图2 2 的图( a ) 和图( b ) ，可发现几懈和几血之间的差值衄与厶相对 值的大小不同划分两种工作状态，并且在两种状态间存在一个临界状态，三个状 态的特点分别为： c c m 状态：去业 l ( 2 - 1 3 ) 由式( 2 8 ) 和式( 2 1 2 ) ，可得在临界状态有 知= 三d 2 i = 丘r = l ( 2 - 1 4 ) 上式中尺为输出电阻，疋为开关周期。满足式( 2 1 4 ) 的电感值称为临界电感，以 三c 表示，则 k = - q 笋r , = 圭等 仁 上式中石为开关频率。由式( 2 - 1 5 ) 可得：当k 和d 2 、兀值固定时，若r 值增大， 系统由c c m 状态向d c m 状态转换；而当r 、d 2 和兀值固定时，若l 1 0 0 u a 0 81 11 4v e n 端上拉电流v e n = 0 v 1 0u a u v l 二o 上升阈值v e n 逐渐增大 2 3 0 2 5 02 7 0 v 关断电流 v e n = 0 4 v 2 33 6u a 静态电流v e n = 3 v 1 11 3肌a 热关断温度 1 6 0 所设计的变换器芯片电路的内部功能框图如图2 1 0 所示，主要包括以下模块i ( 1 ) 内部调节电路实现具有使能控制的3 6 v 模拟电源和5 v 数字电源，为其他 电路提供工作电压； ( 2 ) 具有变频功能的振荡器电路，产生时钟控制信号和斜坡信号； ( 3 ) 电流检测放大器，用来检测开关管电流； ( 4 ) p w m 比较器，用来产生p w m 控制信号； ( 5 ) 高精度误差放大器，用来放大基准电压和反馈电压之间的差值； ( 6 ) 输出1 2 2 v 的带隙基准电压源电路，为电路提供多个电压基准： ( 7 ) 斜坡补偿电路，为电路提供斜坡补偿： ( 8 ) 各种比较器电路、驱动电路、软启动电路和逻辑控制电路。 其功能描述如下：电路随时检测输出电压值，将该电压值经分压电路采样后 加到误差放大器的反相输入端。而期望的电压值由基准电压产生，输入到该运算 放大器的同相输入端，基准电压和输出电压取样通过差分放大后产生控制信号 1 6b u c kd c 仍c 变换器芯片的研究与设计 唧，该控制信号与电感电流的采样信号通过p w m 比较器比较后产生一个电平信 号，输入到r s 触发器一端，通过r s 触发器及一系列逻辑电路进而控制功率开关管。 在周期开始时，功率开关管m 1 截至，m 2 导通。如果c o m p 端电压圪一大于电 流检测放大电路的输出电压，则p w m 比较器的输出为低电平。那么3 8 0 k h z 的时钟 信号在上升沿置位r s 触发器，其输出使m 2 截至，m 1 导通，s w 脚通过电感与输出 相连。电流检测放大电路检测电感电流的变化值并将其放大，其输出加上斜波补 偿信号与误差放大器的输出通过p w m i ：匕较器进行比较放大。当两者之和大于圪一 时，r s 触发器复位，回到最初的状态：m 1 截至，m 2 导通。如果电流检测放大电 路的输出与斜波补偿的和小于k o 肿，那么在时钟下降沿将复位触发器。 图2 1 0b u c kd c d c 变换器功能框图 第三章子电路模块的设计与仿真 第三章子电路模块的设计与仿真 d c d c 电源芯片一般由带隙基准电压源、误差放大器、振荡器、比较器、功 率开关管、以及部分逻辑电路构成；为了增加芯片工作的稳定性和可靠性，还加 入了短路保护、过热保护、过流保护、欠压检测等辅助功能，本章将对这些模块 进行分析。 3 1 带隙基准电压源电路和过热保护电路 带隙基准电压源电路可以产生对温度和电源电压不敏感的电压值，进而可以 为其它电路提供偏置电压；过热保护电路用于检测芯片内部温度是否过高，可以 在温度过高时，关断电路工作，从而保护芯片以免被烧坏。 3 1 1 带隙基准电压源的原理 3 1 1 1 负温度系数电压 双极性晶体管的基极一发射极电压，具有负温度系数。对于一个双极性晶体管， 可以写出如= i se x p ( v n e v r ) ，其中巧= k t q ，饱和电流i s 正比于七研，其中芦 为少数载流子迁移率，为硅的本征载流子浓度。这些参数与温度的关系可以表示 为芘丁“，其中掰- 3 2 ，并且砰o ct 3e x p - e , ( k t ) ，其中1 1 2 p 矿，为 硅的带隙能量。所以 i s = b t 锄e x p 鲁 ( 3 1 ) 其中，b 是一个比例系数。根据= 巧l n ( 乇厶) ，可以计算基极一发射极电压的温 度系数。为了简化分析，假设尼保持不变。这样就有 监：盟1 1 1 生一堡亟 ( 3 2 ) 矾 a 】? l s i s a 1 7 由式( 3 1 ) 可得， 而o z s = 小+ ，z ) p mc x p 鲁+ 6 p 吖e x p - 一- f f t - 1 j 点k ： ( 3 - 3 ) b u c kd c 仍c 变换器芯片的研究与设计 堡i坠=(4+聊)竖+集巧s c o ttk t ，2 l 由式( 3 2 ) 和式( 3 - 4 ) ，可以得到 盟生：堡l n 生一( 4 + m 1 堡一皂k ：e - ( 4 + m ) v r - e g q a tt 1 。 、7f 七丁2 。丁 从式( 3 5 ) 可以看出，e 的温度系数与e 本身有关【引。 3 1 i 2 正温度系数电压 ( 3 _ 4 ) ( 3 5 ) 在1 9 6 4 年人们认识到，如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下， 那么它们的基极一发射极电压的差值就与绝对温度成比例【8 】。如图3 1 所示，如果 两个同样的晶体管( 尽l 咄2 ) 偏置的集电极电流分别为n o 和o 并忽略它们的基极 电流，那么 = - 一：= 巧l l l 等一巧1 i l 去= 巧l n n ( 3 - 6 ) 这样e 的差值就表现出正温度系数，为 訾：k i n ，l ( 3 - 7 ) 图3 1 正温度系数电压产生电路 3 1 1 2 带隙基准电压源电路 利用上面的正负温度系数的电压，可以设计出具有零温度系数的电压。常温 下a v , a r + o 0 8 6 朋v 做，而a e a 丁_ 2 加v 依。如果取= + 口，其中 口= 2 0 0 8 6 2 3 3 ，就可以得到在一定温度范围内的零温度系数的电压。 带隙基准模块由与绝对温度成正比( p t a t ) 的电流产生电路和带隙基准产生 第三章子电路模块的设计与仿真 1 9 电路组成。其等效电路如图3 2 所示的两管带隙基准源电路【9 1 ，其中q 1 、q 2 、q 3 、 q 4 、r 1 构成了p t a t 电流产生电路，q 3 和q 4 的射极面积比例为1 ：8 ，得到的p t a t 电流为 i p r a r = v r 玛l n _ _ _ _ _ 堕82 ，k ti r n 8 ( 3 - 8 ) 假设q 3 和q 4 的射极电流相等，则流过r 2 的电流为2 i p t a t ，那么q 3 和q 4 的基 极电位，即带隙基准电压为 + 半+ 警 ( 3 - 9 ) 那么所需的输出基准电压为 2 砉= 惫( ，+ 竺鼍坐) = 惫( ，+ 塑篆坐 c 3 。， 合理设置r i 和r 2 的值，就可以得到零温度系数的带隙基准电压。 图3 2 带隙基准电路等效结构图 3 1 2 过热保护电路的原理 d c d c 芯片正常工作时，会产生热量，使芯片温度升高；当功率管集成在芯 片内部时，温度会升得更高，这样芯片就有可能因为高温而烧坏，所以芯片需要 温度保护电路。过热保护电路的设计思想是利用双极型晶体管基极一射极电压e 具有负温度系数来检测芯片内的温度变化，当温度超过设定值时，保护电路起作 用，将功率管关断，直至温度下降到安