（微电子学与固体电子学专业论文）具有自动重启功能的dcdc变换器控制电路的设计.pdf

摘要 摘要 开关电源系统由于其具有高效率、高可靠性、体积小和抗干扰能力强等优点， 使得开关电源变换器电路成为国内外广泛研究的对象。本文设计了一种具有自动 重启功能的开关电源变换器电路，该开关电源变换器将耐压6 0 0 v 的高压功率 l d m o s 和低压控制电路集成在同一芯片上，利用简单的外围电路即可构成高效率 的开关电源系统；采用跨周期调制模式( p u l s e c y c l es k i pm o d u l a t i o n ，p s m ) 和电 流极限控制模式相结合的双环控制模式，使开关电源在不同负载，尤其是轻负载 下都具有高效率；具有自动重启、过温、过流和过压欠压等多重保护功能：采用 频率抖动技术( f r e q u e n c yj i t t e 血g ，f j ) 降低电磁干扰( e l 叻m a 醇e t i ci n t e d 打e n c e ， e m i ) 。该交换器电路的主要设计指标为：最大输出功率9 w ，空载时芯片的功耗 低于5 0 m w ，开关频率为1 3 2 k h z ，最大占空比为6 5 ，热保护温度1 3 5 。 电路仿真是集成电路设计中的重要环节，仿真时所用的器件模型参数的精度 是影响仿真精度的首要因素。本文简要介绍了低压m o s 管的基本模型参数的提取， 采用曲线拟合的方法，通过对器件仿真的数据进行拟合得到这些参数。 在电路设计中，本文首先分析了开关电源电路的基本拓扑结构和p s m 调制模 式，接着对开关电源变换器进行了系统的原理分析并设计了总体框图，然后详细 设计了振荡器电路，热保护电路，自动重启计数器电路和主控门逻辑等子电路并 进行了功能仿真。振荡器电路产生一个频率在1 3 2 k h z 附近抖动的矩形波作为整个 电路的时钟信号。热保护电路在芯片温度高于1 3 5 时关断功率l d m o s 以保护芯 片不被烧坏。在对过热保护电路深入分析后，设计了一个电路来实现室温( 2 5 ) 下检测过热保护电路是否正常工作的功能。自动重启计数器电路使电路的保护功 能更加完善，并在自动重启时降低振荡器频率以降低芯片的静态功耗。主控门电 路实现各子电路对功率u ) m o s 的最终控制并驱动功率管。 在完成子电路的仿真和整体电路的功能仿真后，利用c a d e n c e 软件平台进行 了接体电路的版图设计和d r c 、l ，v s 验证。 关键词：开关电源变换器，跨周期调制，e m i ，频率抖动，参数提取 a b s t r a c t t 1 l i sm e s i sw 晒s u p p o r t e d b yt 1 1 ek e yp r o g r a mo f n 砒i o n a ln a n l r a ls c i e n c ef o u n 眦i o no f c l l i m t h et 1 1 e s i ss t u d i e d 也ed e s i 弘o fad c d cs 、v i t c h i n gc o n v e n e rw i 也a u t 0 一r e s t a n f i m c t i o n an e wm o d u l a t i o nm o d cn 锄e dp l l l s e - c y c l es k j pm o d u l a t i 叽( p s m ) a n d c u 小i n tl i i n i ts t a t em a c l l i n cw e r cd e s i g n e d m o r e o v e r ，w e a l ( e m ic h 啪c 州s t i c sh a d b e e nr e a l i z e db y 印p l y i n gf h e q u e n c yj i t t e r 1 1 1 ec o n v e n e rh a dt l l ev i n i l e so fl l i g l l i n t e g r a t i o n1 e v e l ，l l i 曲e f f i c i e n c y b j 曲r c l i a b i l 时锄dl o wc o s t nc 姐b ef o n i l e dh i 曲 e f f i c i e n c yp o w e rs u p p l yb yu s i n gaf e we x t e m a lc o m p o n e n t s t h eb a s i cd e s i g i li d e x 、v a s ：m a ) 【i m 啪。唧u tp o w e r9 w ， n 0l o a dc o n s u m 州o n l ( 正常) ( 4 1 1 ) 这就是说当温度升高到关断温度后，n 1 点电压升高了，所以需要更大的b e 结开启电压才能关断q 1 ，也就是说需要比1 3 5 更低的温度才能使a 3 输出高电平 信号，因此，当温度稍微下降的时候，由于此时( 关断时) 较高，而胁变 化不大，所以q 1 继续导通，a 3 继续输出低电平信号。在消除导致芯片过热因素 之后，芯片温度下降到足够低，n l 点电压不足以使q 5 管导通的时候，q 5 截止， 电路才恢复正常工作，这样就防止了热振荡的产生。 m p 2 、m p 3 、m p 4 、m p 5 提供芯片在线测试关断温度的功能。因为过热保护 电路设计的关断温度一般很高，本电路的设计的关断温度值为1 3 5 ，滞回温度值 为7 5 。在芯片流片后测试真正热关断温度是否为1 3 5 时，不可能将芯片加热到 1 3 5 ，因此在测试时可以通过y 1 3 和y 1 8 信号来降低关断温度，进而方便测试。 其基本原理是：当y 1 3 、y 1 8 为低电平信号，m p 3 和m p 5 导通，流过电阻r l 的 电流增大，使n l 点电压升高，此时的关断温度会降低，设计的温度值为1 5 ；当 y 1 3 为低电平信号，y 1 8 为高电平信号时，m p 3 关断，m p 5 导通，流过电阻r 1 电子科技大学硕士学位论文 的电流只增加m p 4 这一支路，关断温度比正常时低，但是比y 1 3 、y 1 8 为低电平 信号时高，设计的温度值为4 0 。这样，在室温2 5 下测试时，通过控制y 1 3 和 y 1 8 信号就可以测试过热保护电路是否正常工作。当在线测试完成后，y 1 3 信号 永久输出高电平，m p 5 关断，不影响过热保护电路的正常功能。 4 3 2p r e s i m 仿真结果与分析 在上述理论分析之后，用h s p i c e 对过热保护电路进行了功能仿真，仿真结 果与分析如下： 图4 1 2 是a 3 信号在b p 端电压为5 6 v 、5 8 v 、6 1 5 v 下的仿真波形，此时 y 1 3 和y 1 8 信号都为高电平。实线为从一4 0 到1 4 0 温度扫描的关断波形，虚线 为从1 4 0 到一4 0 温度扫描的滞回波形。 4 0- 2 004 0 1 0 0l i 4 0 t - ，r “口co c ) 图4 - 1 2 热保护电路仿真波形 图4 1 3 是y 1 3 为低电平( 0 v ) ，y 1 8 为高电平( 5 8 v ) ，a 3 信号在b p 为5 6 v 、 5 8 v 、6 1 5 v 下从一4 0 到1 4 0 温度扫描的仿真波形。 6 三4 譬 兰2 ；0 l 一1 一7 r 7 1 1 1 7 7 7 1 1 1 7 7 1 1 1 t 1 1 1 r 1 1 t 1 r r t t l 一柏。04 01 0 0 i 锄l 0 t _ p r i t e ( o c ) 图4 1 3 热保护电路仿真波形 图4 1 4 是y 1 3 、y 1 8 都为低电平( 0 v ) 时a 3 信号在b p 为5 6 v 、5 8 v 、6 1 5 v 下从一4 0 到1 4 0 温度扫描的仿真波形。 6 2 0 _ i i u h了-【口 第四章开关电源变换器电路的设计与仿真 6 三4 譬 喜2 0 r 广t 17 1。7l i1 。t 。- 。- 。l 。i 。- 。l 一4 0一02 04 01 0 0l 1 4 0 t p ”t 口( 司c ) 图4 。1 4 热保护电路仿真波形 从图4 1 2 的仿真波形中得出的结果正是所设计的那样：温度在1 3 5 时电路 关断( a 3 信号变低电平) ，温度回到7 5 左右的时候，电路恢复工作( a 3 信号变 高电平) 。 从图4 1 3 和图4 1 4 的仿真波形可以看到：在y 1 3 信号和y 1 8 信号正常偏置 的情况下，过热保护电路能提供正常的在线测试功能，即y 1 3 为低电平，y 1 8 为 高电平时，关断温度为4 0 左右；y 1 3 和y 1 8 都为低电平时，关断温度为1 5 。 仿真结果表明满足设计要求。 4 4 自动重启计数器 当电路出现过载，输出短路或输出开路的情况时，电路进入自动重启的保护 状态。即如果e n ，u v 端在5 0 m s 内一直为高电平，则输出信号关断功率l d m o s 管约8 5 0 m s 并输出y 1 0 信号使振荡器频率下降到1 2 z ，8 5 0 m s 后再检测e n 九j v 端是否为低电平，若还为高电平且持续5 0 m s ，则继续关断功率l d m 0 s 管约8 5 0 m s 。 每次e n 九j v 端被拉低时，重启计数器复位使振荡器频率恢复正常工作时频率 1 3 2 k h z 。 自动重启计数器电路如图4 1 5 所示，由十四位计数器和一些逻辑输出电路组 成，其中计数器单元电路如图4 1 6 所示。 4 4 1 计数器单元电路工作原理 ( 1 ) 当e n a b l e = o 时，q = 1 ，n q = 0 ，则可知当计数器开启时其初始状态 为q = 1 ，n q = o 。 ( 2 ) 当e n a b l e = 1 时，计数器开始工作。 当c k = l ，n c k = 0 时，传输门亿、t 3 导