（微电子学与固体电子学专业论文）一款acdc开关电源芯片的设计.pdf

上海大学硕士学位论文 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电流模式开关电源控制电路。该电路工作频率为 4 0 k h z ，内部集成耐压6 5 0 v 的功率l d m o s ，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 w - 1 0 0 w 的产品中。 本文首先阐述了开关电源的工作原理，然后详细介绍了本电路的整体工作 原理，重点介绍了基准源电路、电压调节器电路、振荡器电路、热关断电路、 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。最后对结合 外部电路，对整个电路进行了系统级仿真。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，p w m ，电流模式，动态自供电 v 上海大学硕士学位论文 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 ee 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 l ln o tw o r kw i t h o u tr e l i a b l ep o w e r i n19 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 ri 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 t h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲i 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 y c i r c u i ta n dh j 【g he f f i c i e n c y s oi th a sb e e nu s e db r o a d l y an e wt y p ec 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 n t h i sd i s s e r t a t i o n i t s o p e r a t i n gf r e q u e n c yi s 4 0k h z ，i n c l u d i n gap o w e rl d m o sw h i c hb r e a k d o w n v o l t a g ei s6 5 0 v i t so u t p u td r i v ec u r r e n ti sllo m a ，m e a n w h i l e ，i tc a nw o r ki nas o c a l l e d “s k i p c y c l e ”m o d ew h e nt h el o a di sl i g h t ，s ot h a ti t sp o w e rd i s s i p a t i o nc o u l d b ev e r yl o wt h e n t h ew h o l ec i r c u i ti n c l u d e sd y n a m i c s e l g 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 dt e m p e r a t u r es h u t d o w nc i r c u i t t h ec i r c u i ti sa p p l i e di n t h ep r o d u c t sw h i c h p o w e rf r o m5 w t o10 0 w t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo f s w i t c h i n gp o w e r ，t h e nt h e o p e r a t i n gt 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 f o l l o w i n gt h a t ，t h eo p e r a t i n g p r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o na n a l y s i sa b o u tr e f e r e n c ec i r c u i t ，v o l t a g er e g u l a t o rc i r c u i t ， c o m p a r a t o r sc i r c u i t s ，o s c i l l a t o rc 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 th a v e b e e n p a r t i c u l a r l ye x p o u n d e d a tl a s t ，t h es y s t e ml e v e ls i m u l a t i o no ft h ew h o l ec i r c u i t i n c l u d i n gt h ee x t e r n a lc i r c u i ti sp r o c e s s e d 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 a tt h e c i r c u i t sf u n c t i o nh a sb e e na c h i e v e da n dt h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e n o 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 , p w m ，c u r r e n tm o d e l ，d s s v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：礁到日期：色丝兰盆够阂 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：诬! 到导师签名：赶皇茎日期：垒丝垒主坐垒留 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的 种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设 备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和 低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。2 0 世纪5 0 年代，美国宇 航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪 的发展过程中，开关电源因体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等 优点而逐渐取代了传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设 备中。 1 1 稳压电源的发展 稳压电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期： 1 ) 电子管稳压电源时期( 1 9 5 0 年代) 。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和 交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。 2 ) 晶体管稳压电源时期( 1 9 6 0 年代一1 9 7 0 年代中期) 。随着晶体管技术的的发 展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。 3 ) 低性能稳压电源时期( 1 9 7 0 年代1 9 8 0 年代末期) 。出现了晶体管自激式开 关稳压电源，工作频率在2 0 k h z 以下，工作效率6 0 左右。随后压控功率器件 的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可 取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率m o s f e t 的出现，构成了高 频电力电子技术，其开关频率可达1 0 0 k h z 以上，并且可并联大电流输出。 4 ) 高性能的开关稳压电源时期( 1 9 9 0 年代至今) 。随着新型功率器件和脉宽 调制( p w m ) 电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出 现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成d c d c 电源。 上海大学硕士学位论文 1 2 线性电源和开关电源 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 比普通线 性稳压电源效率提高近一倍。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。近年来，为了实 现功率调节和远程控制等功能，以及减小体积、减轻重量的需要，用智能高压 功率集成电路驱动的开关电源得到了广泛应用和快速发展。采用这种集成电路 来调节和控制开关电源，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。 1 3 开关电源 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【l l 。 以计算机领域为例，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 1 所示的就是一个开关电源电路。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，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 2 上海大学硕士学位论文 m o s f e t 开、关时间的长短，从而将输出电压( 或电流) 维持在一个稳定的值 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 图1 1 开关电源电路 馈电路的不同，对输出的控制精度也不同。早期的开关电源除了需要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影响。从提高开关电源的竞争力 来说，提高控制电路和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) ，开关式集成电源 电路在集成化上一直得不到长足的进步，直到最近十年，大规模和超大规模集 成电路技术迅猛发展，使集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合， 催生出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的发展；绝缘栅控双极晶体管( i g b t ) 的出现，也为大 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。 由上述可见，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，因此缩小了变压器的体积和 3 上海大学硕士学位论文 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 - 一1 0 ，其主要材料可节约9 0 或更高，可节电 3 0 或更多。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 4 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 4 1d c d c 变换圆 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t s 不变，改变t o n ( 通用) ， 二是频率调制方式，t o n 不变，改变t s ( 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u o 小于输入电压u i ，极性相同。 2 ) b o o s 电路一升压斩波器，其输出平均电压u o 大于输入电压u i ，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u o 大于或小于输入 电压u i ，极性相反，电感传输。 4 上海大学硕士学位论文 4 ) c u k 电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压u o 大于或小于输入电压u i 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， 相应的功率密度为( 6 、2 、1 0 、1 7 ) w c o r n 3 , 效率为8 0 9 0 。日本n e m i e 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 7w t o 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 5 。 1 4 2a 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 5 开关电源发展国内j , i - 发展现状 近年来，集成开关电源的沿着两个方向不断发展： 1 ) 对开关电源的核心单元控制电路实现集成化 1 9 7 7 年国外首先研制成功脉冲宽度调制( p w m ) 控制器集成电路。美国 5 上海大学硕士学位论文 摩托罗拉公司、硅通用公司( s i l i c o ng e n e r a l ) 、尤尼特德公司( u n i t r o d e ) 等相 继推出一批p w m 芯片，典型产品有m c 3 5 2 0 、m c 3 8 4 2 、s g 3 5 2 4 。2 0 0 5 年凌 特公司推出频率高达4 m h z 的d c d c 控制器l t c 3 4 1 7 效率高达9 5 。 2 ) 对中、小功率开关电源实现单片集成化。 此方向大致分两个阶段：8 0 年代初，意一法半导体有限公司( s g s t h o m s o n ) 率先推出i a 9 6 0 系列单片开关式稳压器。该公司于9 0 年代又推出了i a 9 7 0 a 系 列。其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。1 9 9 4 年，美国动力( p o w e r ) 公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片 开关电源，被人们称誉为“顶级开关电源。其第一代产品为t o p s w i t c h 系列， 第二代产品则是1 9 9 7 年问世的t o p s w i t c h - i i 系列。1 9 9 8 年又推出了高效小功 率、低价格的四端单片开关电源t i n y s w i t c h 系列。在这之后，m o t o r o l a 公司于 1 9 9 9 年又推出m c 3 3 3 7 0 系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器。 目前，手机、数码相机、m p 3 播放器、以及个人电脑等便携式设备的需求量的 逐年增大，带动适合于电池供电电源管理芯片的发展。在国外凌特( l i n e a rt e c h ) t i 、i n t e r s i l 等公司根据市场需求，开发出了大量适合于便携式设备的电源 管理芯片，如凌特公司的同步降压型稳压器l t c 3 4 1 2 a ，工作频率高达4 m h z ， 效率高达9 5 ，在输出电压低至0 8 v 时，输出电流高达3 a 。i n t e r s i l 公司 的i s l 8 8 5 5 0 a 驱动两个外部n 通道m o s f e t s ，从2 v 到2 5 v 的输入中产生低 至0 7 v 的输出电压，输出电流高达2 0 a ，效率高达9 5 。 我国开关电源起源于1 9 7 0 年代末期，到1 9 8 0 年代中期，开关电源产品开始 推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为2 0k h z 以下的p w m 技术，其 效率只能达到6 0 7 0 。经过2 0 多年的不断发展，新型功率器件的研发为开 关电源的高频化奠定了基础，功率m o s f e t 和i g b t 的应用使中小功率开关电 源工作频率高达到4 0 0k h z ( a c d c ) 和1m h z ( d c d c ) 。软开关技术的出现，真正 实现了开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关 电源的效率。目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到9 3 。但是， 目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。 6 上海大学硕士学位论文 1 6 开关电源的发展趋势 1 ) 小型化、轻量化和高频化。 开关电源的体积、重量主要由储能元件( 磁性元件和电容) 决定，因此，开关电 源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的 提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善 电源系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 2 ) 高效率和高可靠性。 开关电源使用的元器件一般少于线性工作电源，因此提高了可靠性。电容、 光电耦合器以及功率m o s 等元器件的寿命决定开关电源的寿命。因此，要尽可 能采用较少的元器件，提高集成度。另外，开关电源的工作效率高，会使自身发热 减少、散热容易，从而实现高功率密度、高可靠性。 3 ) 低噪声和良好的动态响应。 开关电源的缺点之一是噪声大。单纯追求高频化，噪声也会随之增大。采用 部分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声。 4 ) 低电压、大电流、高功率。 低电压、大电流、高功率变换技术，已将电压从3 3v 降至1 0 v 电流已达几 十至几百安培。同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、启动时间、启动过 冲以及动态特性等，也得到进一步提高。它的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结 构、动态问题( 尤其是负载的大信号动态问题) 、同步整流技术、控制技术以及 其它相关技术的研究。诸如布线、磁集成、新兴电容、封装和高频大功率器件 等技术。从目前至今后一段时间内。它都是电力电子界的热点。 1 7 本文的工作 本文的主要工作是设计一种电流模式开关电源控制电路，它可以通过直流 干线进行自我供电，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，控制电路能检测到输出负载的情况，并立即调整输出功率的大 小，即便输出端短路也能对整个电路进行保护。一旦短路消失，控制器即恢复 7 上海大学硕士学位论文 正常工作。它的待机功耗很低，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。 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 m 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表 明，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进行系统级仿真。 第六章对整个论文进行了总结。 8 上海大学硕士学位论文 第二章控制技术介绍 2 1 控制技术【3 】【6 】 为将开关电源输出稳定在一定值，需要有控制模块对输出调整。开关电源 控制技术按调制方式可分为：脉频调制( p f m ) 和脉宽调制( p w m ) 。各种调 制方式都有其优缺点，可根据实际需要选择。 2 1 1 脉频调制( p 一) 经典p f m ，也叫跨脉冲调制( p s m ，以开关管控制信号，略过一部分时钟 周期而得名) 。经典脉频调制是一种最简单的控制技术，在该方式下时钟被固定 为5 0 占空比，通过电压反馈实现开关频率的控制。当输出电压低于一定值时， 固定时钟将控制开关开启与关闭，直到输出上升到调整值；当输出高于调整值 时，开关管将关闭直到输出下降到调整值以下。 图2 1 经典p f 8 调制方式原理图 图2 1 为一种经典p f m 调制方式原理图，输出通过电阻分压反馈至比较器 c o m 输入端与v r e f 比较，当低于v r e f 时，c l k 将通过r s 触发器直接控制开 关管，当高于v r e f 时则屏蔽一部分时钟，使开关管关闭。通过这样的方式， 能量由v i n 传递到v o u t 。经典p f m 模式的电感选择复杂，电压纹波很大， 噪声频谱随负载变化很大。 电流限制脉频调制不同于p f m 调制，此调制方式运用峰值电感电流限制一 9 上海大学硕士学位论文 个最小关闭时间和最大开启时间。工作于此模式下，一旦输出电压低于调整值， 开关管将开启直到电感电流达到设计值，此时开关管将关闭一定时间( 最小关 闭时间) ，电感电流开始下降，当该段时间结束时，反馈电路通过对输出电压采 样，比较输出电压此时是否低于调整值，若低于则开启开关管，否则继续关闭 开关管。电流限制脉频调制的电感电流峰值固定，电感容易选择，同时纹波相 对于经典p f m 小，但噪声频谱仍然随负载变化。图2 2 为最小关闭时间电流 限制脉频调制的原理图。 图2 2 最小关闭时间电流限制脉频调制的原理图 2 1 2 脉宽调制( p 删) 脉宽调制指固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比d 实现对输 出压的调整。p w m 技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率 恒定，噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。因 此p w m 技术普遍应用于通信技术中。p w m 调制方式根据反馈采样的不同可分为： 电压模式和电流模式。在下面两节中将分别详细介绍。 1 0 上海大学硕士学位论文 2 2 电压模式控制 电压模式控制是最早应用于开关电源中的一种模式。图2 3 所示 瑚p u 硒严莎q 7 q 一疆 垤厂- l 一几厂 图2 3 电压模式控制 如图2 3 ，输出电压通过电阻分压与基准电压v r e f 比较，其差值通过 e r r o r a m p 放大为v e ，并作为p w m 比较器p w mc o m 的输入端， p w mc o m 另一端则是由时钟产生的斜升电压。p w mc o m 输出v s 控制开关 管，在一个周期内，v e 越大，占空比越大，则开关管开启时间越长；v e 越小， 占空比越小，则开关管开启时间越短。 电压模式控制具有以下优点：1 ) 单环控制，设计简单；2 ) 较大的斜坡幅 度将；3 ) 低输出阻抗。 同时具有以下缺点：1 ) 响应慢；2 ) 补偿复杂。 2 3 电流模式控制 针对于电压模式的缺点，电流模式控制发展起来，电流模式控制可分为峰 值电流模式控制( p c m ) ，和以其为基础发展起来的平均电流模式，通常情况下 所指电流模式为峰值电流模式控制。图2 4 所示为p w m 峰值电流模式控制原理 图。这里p w mc o m 的输入端由电压模式控制中的斜升电压，换成对开关管 电流采样值所转换成的电压，因而电流模式控制是双环控制，其中电压环为外 上海大学硕士学位论文 环，电流控制为内环。 c 一一了t 兀 鼍厂 广 厂 图2 - 4p 嘲峰值电流模式控制原理图 图2 4 所示电流模式控制具有如下优点：1 ) 由于输入前馈，有较好的开环 线形调整：2 ) 单极点系统，具有良好的小信号稳定性能，较好补偿；3 ) 优异的 动态特性。缺点如下：1 ) 当占空比高于0 5 时出现次谐波不稳定状况，需要有 斜坡补偿；2 ) 噪声抑制差；3 ) 负载调整差；4 ) 峰值电流与平均电流有很大的 误差。 1 2 上海大学硕士学位论文 第三章整体电路分析与设计 本文所设计的电路为a 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a c d c 开关电源系统。本章首先结合整体电路介绍该芯片 的工作过程，然后再对部分子电路模块进行介绍。最后再对芯片的两个主要功 能分别加以介绍。 3 1 整体电路中的控制芯片 图3 1 芯片外围电路 图3 1 为a c d c 开关电源系统整体电路，m 1 即为外部的高压开关管，最 高可承受7 0 0v 的电压。我们现在结合这个电路来介绍待设计的芯片。如图所 示，待设计的芯片共有七个有效引脚，分别介绍如下：a d j 用来调整开始跳周 期的工作的电平，悬空时取默认值。f b 为反馈端，通过将一个光耦合器连到该 引脚，可随输出电压的大小反馈回来一个电流，芯片以此来设定变压器原边的 峰值电流、判断输出是否过载、判断是否发生“跳周期 。c s 为电检测输入， 它通过检测r s e n s e 上的电压来检测流过功率管m 1 电流，若流过功管m l 峰值 电流达到f b 端设定的值，则通过内部比较器及其它控制电路将m 1 关断。d r v 为驱动输出端，外接功率m o s f e t 。v c c 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v c c 电容注入一恒定电流。 1 3 上海大学硕士学位论文 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。这时，芯片内部的高压电流源导通，通过v e t 端向电容c 5 充电，v e c 端电 压开始升高，当v c c 端电压大于9 8 v 时，内部电路开始启动，系统开始正常工 作，完成启动过程。正常工作时，振荡器输出矩形波，触发器发出占空比一定 的脉冲，通过输出驱动电路将外部功率m o s f e t 开启和关断。变压器次级线圈 回路有电流流过，光耦工作，反馈给f b 端电流。此外，如果电路工作中一旦发 生过热、过载情况，经检测电路检测后，会通过门控电路将集成电路输出端自 行关断，禁止脉冲输出。当电路开始启动后，v c c 端电压会继续上升，当v c c 上的电压高于1 1 4 v 后，电流源自行关断，v c c 端开始下降，下降到9 8 v 后， 内部的高压电流源又将导通，v c c 端电压重新上升。这样，正常工作时，v c c 端 电压将往复于9 8 1 1 4 之间。 3 3 内部电路模块设计【7 】俐 结合电路功能，内部电路将主要由基准源电路、电压调节器电路、振荡器 电路，比较器电路，高压电流源电路、过温保护电路等组成。 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。带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 的带隙参考基准电压源。 电压调节器：由于带隙基准电压源的输出电压为1 2 v 1 3 v 左右，而芯片 内部许多电路的偏置电压和比较器比较基准电压为6 1v 、5 2v 、4 8v 等相 对较大的电压，并且考虑到通常所称的基准电压源一般并不具备驱动能力，而 1 4 上海大学硕士学位论文 系统中必然有一些电路模块要求电源提供较大的电流，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。 电压比较器电路：电压比较器在本文所设计的芯片中被广泛的应用，本文 用到的比较器，按照其实现的功能，可分为p w m 比较器，跳周期比较器，过 压比较器，欠压比较器和过载比较器。这些比较器由于应用的场合不同，设计 指标就不同，进而电路结构也就不同。 振荡器：振荡器通常产生一定频率的振荡波形，本电路设计的振荡器将产 生一个4 0 k h z 的方波。 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 重新自行启动，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提供整 个内部电路的电源电压，当电容上的电压达到某一设定值时，电流源关闭。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。集成电路就是 通过对外接大电容的充放电来获的一个动态的电源电压的。 3 4 主要功能 3 4 1 动态自供电( d s s ) d s s 的基本原理是让v c c 大电容在一个低电压和一个高电压间反复充放 电。我们很容易用一组简单的逻辑表述来描述电流源的工作，其工作过程如下： 1 ) 当v c c 小于v c c o n 时，电流源接通，电容开始充电，v c c 升高，此时电路无 输出； 2 ) 当v c c 增加到大于v c c o n 时，电路输出脉冲，正常工作 3 ) 当v c c 增加到大于v c c o f f 时，电流源关断，但电路仍有脉冲输出，正常工 作； 4 ) 当电流源关断后v c c 开始减小，当v c c 减小到小于v c c o n 时，则电流源接 1 5 上海大学硕士学位论文 通。又开始下一个充放电过程。 典型值为：v c c o n = 9 8 v v c , c o f f = 11 4 v 图3 2 动态自供电原理图： l i v c c o c r ：1 。4v ： ，、j1 、k，r 、 上 ! - z j 一二! ， 7 ，_ 。- 一。- _ ；v c c o n 掌9 8 、， ，、 7 ， ， 1l1 l 关颧 jl ：输出脉；串 1o 0 0 m3 0 ，o o m5 0 。钒 f 、i 7 0 ；0 0 m 0 0 0 0 m 3 4 2 跳周期模式 图3 2 动态自供电原理图 v c c 乜流灞 该电路具有轻载时自动跳过若干开关周期，从而达到“空载休眠 的节电 功能。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，集成电路将禁止输出脉冲，电路进 入所谓的跳周期模式。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 p = l m h 开关频率：f s w = 4 8 k h z 峰值电流：i p = 3 0 0 m a 因此，理论的功率传输为： w = 去0 i ；l = 2 2 w ( 3 一1 ) 如果电路随着脉冲串宽度为1 0 m s ，重复周期为l o o m s 的一个群进入跳周期 1 6 上海大学士学位论文 模式，则总功率传输为 w = 22 + 0 1 = 2 2 0 m 矿( 3 2 ) 当f 8 端电位高于12 v 时，电路在正常电流模式下工作；当f b 端电压小于 2 v ，电路发生跳周期。图3 3 反馈电压变化图： 一一一一一一一一一一- 一一一一一一一一一一一一一一一一一一4 一一+ - 一一一。一。- 一+ + 一一一一一一一一一一一一一： 正常电流模式工作 跳j 哥期工作 图3 3 反馈电压变化图 图34 不同功率电平上的输出脉冲，其中p 1 1 2 3 5 5 1 2 3 5 4 1 2 3 5 3 1 2 3 5 2 1 2 3 5 1 1 2 5 5 d 9 d cr e s p o n s e 图4 5 带隙基准输出电压随电源电压的变化 4 如图4 5 所示，当地电源电压v d d 在9 8 v 1 1 4 v 变化中，带隙基准的输出电 压变化不到o 1 m v ，满足设计要求。 上海大学硕士学位论文 4 1 7 电压调节器 由于带隙基准电压源的输出电压为1 2 v 1 3 v 左右，而芯片内部许多电路的 偏置电压和比较器比较基准电压为6 1v 、5 2v 、4 8v 等相对较大的电压，并 且考虑到通常所称的基准电压源一般并不具备驱动能力，而系统中必然有一些电 路模块要求电源提供较大的电流，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 4 1 8 电压调节器的设计原理 基本的电压调节器主要由四部分组成：基准电压源，误差放大器，调整元件 和取样电路，其框图如图4 6 所示。放大器正端基准电压与放大器负端反馈电压 相比较，产生的运放输出电压作为调整元件的一个输入，以控制流过调整元件的 电流，从而达到控制输出电压的目的。具体来说，当输入未调电压变大时，流过 调整元件的电流增大，通r 1 、r 2 的分压，反馈到运算放大器负端的电压也增大 图4 6 电压调节器框图 经过运算放大器的放大作用，此时输入调整元件的控制电压减小，使得流过调整 元件管的电流减小，从而能得到比较稳定的输出电压。我们可以调节分压电阻 r 1 、r 2 的比来提供不同的输出电压。为了满足后级电路的驱动能力要求，调整 元件要具有一定驱动电流的能力。 上海大学硕士学位论文 4 1 9 采用普通两级运放的电压调节器的设计 图4 7 采用普通两级运放的电压调节器电路图 由于电压调节器基本工作在直流状态，通常对运算放大器的单位增益带宽、 转换时间、建立时间等的要求不是很高，所以我们可以采用两级运放构【2 7 1 ，如图 4 7 所示，即输入级采用差分形式，通常整个电路的增益，大部分是由输入差分 级提供，同时它还具有改善噪声性能和降低输入失调，从双端差分输入向单端输 出转换的功能；第二级采用c l a s s a b 1 6 】结构，进一步增加增益，同时提高输出摆 幅。其次要做适当的补偿来稳定闭环特性。一种非常有效的方法是m i l l e r ；i 偿技 术【1 5 】，即在第一级的输出端和第二级的输入端之间接一个m i l l e r 电容用以改变运 放的极点的分布，从而改变运放的频率特性。电阻r 1 上产生与v r e f 相等的电压， v o u t l 、v o u t 2 、v o u t 3 即为所要产生的基准电压，分别为：6 1 v 、5 2 v 、4 8 v 。图 中v r e f 为带隙基准的输出电压，v b l 、v b 2 为利用带隙基准电路成生的偏置电压， 电流源i 为利用带隙基准电路生成的偏置电流。 图4 7 中电压调节器电路中元件的相关参数如表4 3 所示。 上海大学硕士学位论文 表43 电压调节器电路中元件的相关参数 i m im 2m 3m 4m 5m 6 5 0 u 5 u5 0 u 5 u3 c a 9 5 u3 0 u 5 u5 0 u 5 u 5 0 u ，5 u m 7m 8m 9m 1 0m 1 1m 1 2 8 6 “5 u8 6 u 5 u8 6 u s u8 6 u 5 u1 8 6 u 2 0 u1 4 5 u 5 u m 1 3r 1 r 2r 3r 4 c c 2 0 0 u 2 0 u2 3 0 66 6 5 67 4 6 81 6 9 5 0 5 2 p 4 1 1 0 电压调节器的仿真 对电压调节器电路输出进行仿真，这里仅以v o u t l 为例，得到图4 8 和和图4 9 。 其中图4 8 为v o u t l 的温度特性曲线，从图中可以看到，当温度在一4 0 。c 8 0 。c 变化 过程中，v o u t l 的输出电压变化大约为5 0 m y 左右，满足设计要求；图4 9 为v o u t l 随负载变化时的曲线，从图中可以看到，负载电流在0 1 0 m a 变化过程中，基准 电压的输出电压变化不到l m v ，满足设计要求。 图4 8v 伽t 1 的温度特性曲线 上簿大学硕学位论文 4 2 比较器的设计 图49v o u t l 随负载变化的变化 电压比较器在本文所设计的芯片中被广泛的应用，一般说来它的功能是 将一个模拟信号与另一个模拟信号相比较，根据比较的结果输出一个二进制信 号。电压比较器的符号和理想的电压比较器的传输特性曲线如图41 0 所示。比 较器的许多特性跟高增益放大器相同，故而比较器的符号也跟运算放大器类似， 但与运算放大器的使用不同，比较器一般工作在开环状态或正反馈下，输入与 输出不存在线性关系。电压比较器一般有两个输入端，分别为同相输入端和反 相输入端，当同相端的电压大