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摘要 随着电子技术的发展，各种电子系统对低功耗的要求越来越高，其中降低电 源待机功耗已成为目前最明确的低功耗指标。目前欧美针对空载时的电源损耗都 做出了严格的规定：欧洲经济协会( e e c ) 专门对不同的额定瓦数下的损耗提出了明 确的指标，如在2 0 0 5 年1 月1 日起，输入功率为1 5 w 一5 0 w 电源系统的待机功耗 必须小于o 5 w ；美国从2 0 0 1 年7 月起就规定政府机构不得购买待机功耗超过1 w 的电器产品，所以低待机功耗电源转换器已成为电源转换器的设计方向。 本论文设计可用于锂电池充电器和低功率a c d c 电源适配器，内部集成高性 能一次侧p w m 控制器和高压p o w e rm o s f e t 功率开关，内置专门针对电池充电 设计的恒压恒流( c v - c c ) 控制技术，频率抖动( f r e q u e n c ys h u f f l i n g ) 技术。该芯片采 用电流模脉宽调制控制方案，大大提高了芯片的电源电压和负载变化的瞬态响应 性能，本文还设计了内置软启动电路，避免了启动过程的大电流。当负载电路减 小时，系统会自动进入b u r s tm o d e 状态来提高系统的效率。另外芯片有欠压保 护、过压保护、过流保护等多种功能。 本文所设计的a c d c 转换器使得开关电源系统设计中无需光耦、4 3 1 和x y 电容，从而最大程度降低了系统成本，是低功率电源适配器、电池充电器和低干 扰电源的最佳选择。 整个电路基于1 o l x m4 0 vc m o s 工艺设计，基于h s p i c e 完成了整体电路前仿 真验证和后仿真，仿真结果表明，支持8 5 。2 6 5 v 全范围交流电压输入，转换效率 大于7 5 ，待机功耗小于1 5 0 r o w ，完全达到绿色节能的需要。 关键词：a c d c 脉宽调制原边检测c m o s 绿色节能 a bs 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 o n i ct e c h n o l o g y , l o wp o w e rr e q u i r e m e n t sh a v e a r o u s e dg r e a tc o n s i d e r a t i o ni nm a n ye l e c t r o n i cs y s t e m s p a r t i c u l a r l y , r e d u c i n gs t a n d b y p o w e rc o n s u m p t i o nh a sb e c o m et h ec l e a r e s ti n d i c a t o r so fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n p r o d u c t a tp r e s e n t ，e u r o p ea n dt h eu n i t e ds t a t e sh a v em a d es t r i c tr u l e sa g a i n s tt h e p o w e rl o s si ne m p t y - l o a d ：t h ee u r o p e a ne c o n o m i ca s s o c i a t i o n ( e e c ) h a sd r a wv a r i o u s l o s sp o w e rr e g u l a t i o nf o rd i f f e r e n tr a t e dw a t t a g e ，s u c ha si nj a n u a r y1 , 2 0 0 5 ，s t a n d b y p o w e ro f15 w 一5 0 wc o n s u m p t i o np r o d u c tm u s tb el e s st h a n0 5 w ；t h eu n i t e ds t a t e s g o v e r n m e n ta g e n c i e sh a v ep r o h i b i t e df r o mb u y i n gm o r et h a nlws t a n d b yp o w e ro f e l e c t r i c a lp r o d u c t sf r o mj u l y2 0 01 ，s ot h el o ws t a n d b yp o w e rc o n s u m p t i o nh a sb e c o m e a p o p u l a ri nt h ef i e l do fp o w e rc o n v e r t e rd e s i g n i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g nc a nb eu s e di nl i t h i u mb a t t e r yc h a r g e ra n dl o w - p o w e r a c d ca d a p t e r , i n t e g r a t e dw i t h i np w mc o n t r o l l e ra n dh i g h v o l t a g ep o w e rm o s f e t p o w e rs w i t c h ，b u i l t i nr e c h a r g e a b l eb a t t e r yd e s i g n e ds p e c i f i c a l l yf o rt h ec o n s t a n tc u r r e n t a n dc o n s t a n t v o l t a g e( c v - c c )c o n t r o lt e c h n o l o g y , j i t t e rf r e q u e n c y( f r e q u e n c y s h u f f l i n g ) t e c h n o l o g y t h i sd e s i g nu s ec u r r e n tc o n t r o lp w mm o d e ，w h i c hg r e a t l yr a i s e d t h ec h i ps u p p l yv o l t a g ea n dl o a dt r a n s i e n tr e s p o n s et oc h a n g e s ，t h i sa r t i c l ea l s od e s i g n e d s o f t - s h a r tc i r c u i tt oa v o i dt h es t a r to ft h eb i gc u r r e n t w h e nt h el o a di sl i g h t ，t h es y s t e m w i l la u t o m a t i c a l l ye n t e rt h eb u r s tm o d et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h i s c h i pa l s oh a sp r o t e c t i o no fu n d e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n ，o v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n ，o v e rc u r r e n t p r o t e c t i o na n do t h e rf e a t u r e s t h es y s t e mm a k e sn oo p t i cc o u p l e rd e s i g n ，t h e4 31a n dx yc a p a c i t o r ，t h es y s t e m i st h eb e s tc h o i c et ol o wp o w e ra d a p t e ra n db a t t e r yc h a r g e r t h ee n t i r ec i r c u i t d e s i g nb a s e do n 1 o u m4 0 vc m o sp r o c e s s ，c o m p l e t e p r e - s i m u l a t i o na n dp o s t s i m u l a t i o nu s i n gh s p i c e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t i t s u p p o r tt h ef u l lr a n g eo f8 5 - 2 6 5 va cv o l t a g ei n p u t , c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sg r e a t e r t h a n7 5p e r c e n t , s t a n d b yp o w e rc o n s u m p t i o ni sl e s st h a n15 0 r o w ，f u l l ym e e t i n gt h e n e e d so fg r e e ne n e r g yr e q u i r e k e y w o r d ：a c d c p w m o r i g i n a le d g e d e t e c t i o nc m o sg r e e ne n e r g y 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期! ! 1 2 ：! ! ： 日期一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外关于a c d c 芯片的研究 开关电源具有工频变压器所不具备的优点，新型、高效、节能的开关电源代 表着稳压电源的发展方向，因为开关电源内部工作于高频率状态，本身的功耗很 低，电源效率就可做得较高，一般均可做到8 0 ，甚至接近9 0 t 1 1 。这样高的效 率不是普通工频变压器稳压电源所能比拟的。电流型控制及多环控$ 1 ( m u l t i l o o p c o n t r 0 1 ) 己得到较普遍应用；电荷控$ 1 ( c h a r g ec o n t r 0 1 ) 、一周期控s 0 ( o n e c y c l e c o n t r 0 1 ) 、数字信号处理器( d s p ) 控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研 制，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。开关电源常用的单端 或双端输出脉宽调制( p w m ) ，省去了笨重的工频变压器，可制成几瓦至几千瓦的 电源。 锂离池充电状态的功率器件，电池充电器芯片在便携式系统设计中扮演着重 要的角色。然而，设计师们还在使用着从较老并且相对粗糙和低成本的充电器件 到较新的更复杂芯片等各种各样的器件，而后者集成了越来越复杂的智能，可以 延长电池寿命，保护被充电系统不受损害。 便携式系统设计师面临的挑战是：如何快速高效地对系统进行充电，同时不 影响用户安全或损坏电池，并且要占用最少的电路板面积。锂离子充电器通常采 用三种充电模式来最大化充电效率并确保用户安全性。深度放电的电池必须先用 较小的电流进行逐步预充电，将电池电压慢慢提升到安全阀值之上。 就拿工作电压范围是2 8 v 到4 2 v 的单节锂离子电池充电器来说，它通常会 测量被充电池的电压，当电池电压低于3 v 时，它将进入预充或“慢充”模式。慢充 模式可以在电池内阻很低时防止对电池高速充电，从而尽量减少发热，一般预充 期间的充电速率约是全速充电时的1 0 t 2 】。 一旦电池达到最小电压值，充电器就切换到恒流或快充模式，此时将对电池 全速充电，直到电池达到接近满充电压的第二个阀值。随后充电器将进入恒压模 式，此时电池电压保持不变，从而让充电电流逐渐停止。当充电电流小于预设的 终止阀值时，恒压充电模式也就结束了。 1 2a c d c 芯片的主要特性指标 1 、静态电流： 1 ) 关断电流：指芯片处于关断状态时整个芯片所消耗的电流。 2 ) 有源静态电流：即我们通常所指的芯片正常工作时的静态电流【3 】，即电源 2一种c m o s 绿色节能原边检测a c d c 控制器 对地管脚电流，是指开关电源稳压器输入输出之间的电流差： i q = i ，一i d ( 1 - 1 ) 静态电流就是电路的总偏置电流，静态电流越大，静态功耗就越大，电路的 工作效率也就越低，因此降低静态电流对提高充电器的工作效率来说是很重要的。 3 ) 休眠时静态电流：一般指芯片在间歇工作方式下，当芯片进入休眠时整个 芯片所消耗的电流。 2 、效率：是指输入输出为额定值时，其输出功率与输入有效功率之比值。 效率= 羰器羰嚣川。 m 2 ， 因此，输入输出压差越低，静态电流( 输入电流和输出电流之差) 越低，开关稳 压器的工作效率就越高，可高达9 5 以上。 3 、输出电压纹波【4 】：是在输出端呈现的输入频率及开关变换频率同步的分量， 用峰一峰值表示，一般为输出电压的o 5 以内。在输入输出电压、功率及电感电容 确定的情况下，工作频率越高则系统输出的纹波越小。由此可知当今a c d c 转换 器的趋势之一是高频化。 1 3 本论文的主要工作 本论文结合公司项目和当今电源管理的发展趋势，设计了一款小电流、微功 耗型的绿色节能原边检测a c d c 控制器。该芯片设定为5 0 k h z 的固定工作频率， 在轻负载条件下可选择在绿色模式工作，且静态电流仅为1 0 衅，最大程度地延长 了便携式应用中电池的使用寿命。该芯片还包括软启动控制、频率抖动技术和电 流限制等辅助功能。 本文的主要工作是芯片电路的设计及验证。首先，从系统的角度出发了解芯 片的系统结构，从而确定系统中各模块的性能参数；其次，利用自己的电路知识 设计出子模块电路；接着，利用h s p i e e 对电路及系统进行仿真，使电路达到系统 的设计要求；最后，进行版图设计。 本文主要由下面几个部分组成： 第一章：既绪论介绍了电源管理i c 研究的现状及趋势。 第二章：开关电源系统的拓扑结构和特点，并详细阐述反激式开关电源变压 器的工作原理。 第三章：介绍了开关电源中常用控制模式，然后分析了系统的稳定性及补偿 原理。 第四章：芯片的系统设计，确定了芯片的系统功能和各项电特性指标，并在 此基础上针对芯片特点和典型应用，芯片的拓扑结构、工作方式、控制模式及子 第一章绪论 模块划分和功能定义等进行了详细讨论。 第五章：系统中模块电路的设计，主要是对c m o s 运算放大器电路、带隙基 准电路、振荡器电路、比较器等电路的设计与仿真，最后完成物理实现。 第六章：芯片的整体仿真，验证芯片整体工作时，各个模块的工作状态和输 出管脚波形。 第七章：芯片的测试结果。 最后是结束语、致谢和参考文献。 第二章开关电源拓扑结构概述 第二章开关电源拓扑结构概述 主回路：开关电源中，功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中 的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功率器件以及 供电输入端和负载端。 开关电源( 直流变换器) 的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全 面了解开关电源主回路的各种基本类型以及工作原理，具有极其重要的意义。 开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型【5 】。 2 1 非隔离式电路的类型 非隔离：输入端与输出端电气相通，没有隔离。 2 1 1串联式结构 串联：在主回路中开关器件( 图2 1 中所示的开关三极管t ) 与输入端、输出端、 电感器l 、负载r l 四者成串联连接的关系。 开关管t 交替工作于通断两种状态，当开关管t 导通时，输入端电源通过开 关管t 及电感器l 对负载供电，并同时对电感器l 充电，当开关管t 关断时，电 感器l 中的反向电动势使续流二极管d 自动导通，电感器l 中储存的能量通过续 流二极管d 形成的回路，对负载r l 继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。 tl + 迎 l l ：c ；r l u i 占 】 ： d 【】b 图2 1 串联型开关稳压电路主回路 + 串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。 2 1 2 并联式结构 并联：在主回路中，相对于输入端而言，开关器件( 图2 2 中所示的开关三极 管t ) 与输出端负载成并联连接的关系。 开关管t 交替工作于通断两种状态，当开关管t 导通时，输入端电源通过开 关管t 对电感器l 充电，同时续流二极管d 关断，负载r 靠电容器存储的电能供 电；当开关管t 关断时，续流二极管d 导通，输入端电源电压与电感器l 中的自 感电动势正向叠加后，通过续流二极管d 对负载r l 供电，并同时对电容器c 充电。 6一种c m o s 绿色节能原边检测a c d c 控制器 + 图2 2 并联型开关稳压电路主回路 + 由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压 式变换。并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容c 的容量有更高的要求。 2 1 3 极性反转型变换器结构 极性反转：输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本结构特征是：在主 回路中，相对于输入端而言，电感器l 与负载成并联。 + 图2 3 极性反转型换能电路 + 开关管t 交替工作于通断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管 t 导通时，输入端电源通过开关管t 对电感器l 充电，同时续流二极管d 关断， 负载r l 靠电容器存储的电能供电；当开关管t 关断时，续流二极管d 导通，电 感器l 中的自感电动势通过续流二极管d 对负载r l 供电，并同时对电容器c 充 电；由于续流二极管d 的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。 2 2 隔离式电路的类型 隔离：输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁耦合方式传递能量， 输入输出完全电气隔离【6 】。 2 2 1单端正激式 单端：通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器； 正激：脉冲变压器的原副边相位关系，确保在开关管导通驱动脉冲变压器原 边时变压器副边同时对负载供电。 第二章开关电源拓扑结构概述 7 u d 1 n 3 ；口 f i 。2 丰c 丰r l 州3， 匕 】 1jii i d 3 】【 【 厂y o 汤 一 图2 4 单端正激式开关电源主回路 该电路的最大问题是：开关管t 交替工作于通断两种状态，当开关管关断时， 脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器 饱和，使开关器件烧毁。图中的d 3 与n 3 构成的磁通复位电路，提供了泄放多余 磁能的渠道。 2 2 2 单端反激式 反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原副边相位关系确保当开关管 导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器副边不对负载供电，即原副边交错通断。 脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将在原边 上形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护d 3 、n 3 构 成的回路。从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名 端的区别，但电路的工作方式不同，d 3 、n 3 的作用也不同【7 】。 d 1 ；n 2 ； 七 一 咖牛c n 4 ；4 ； 】 i。)厂 i d 3 一 【t 2l 叻 f f 图2 5 单端反激式开关电源主回路 2 2 3 推挽式 这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两 只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽 功率放大器。 一种c m o s 绿色节能原边检测a c d c 控制器 j 一 il ， 千cf r l ， ：8 ， o l d 2 lu 图2 6 推挽式换能电路 主要优点：高频变压器磁芯利用率高( 与单端电路相比) 、电源电压利用率高( 与 后面要叙述的半桥电路相比) 、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。 主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高( 至少是电源电 压的两倍1 。 2 2 4 全桥式 这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器 原边。 u i i 一 一亍 【】 【蚌1 几- i 一 = c：r l 6 lj - 一几- 年 【】扣引 佩盯1 2 卿 d 2 u 图2 7 全桥式开关电源主回路 图中t l 、t 4 为一对，由同一组信号驱动，同时导通关端；t 2 、t 3 为另一对， 由另一组信号驱动，同时导通关端。两对开关管轮流通断，在变压器原边线圈中 形成正负交变的脉冲电流。 主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。 主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实 现同步比较困难。这种电路结构通常使用在l k w 以上超大功率开关电源电路中。 2 2 5 半桥式 电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管( t 3 、t 4 ) 换成了两只等值 大电容c l 、c 2 。 几 第二章开关电源拓扑结构概述 9 厂l jil【 nt 1 厂 l _ 丰c 1 才- 口ll j5 几_ 扣二虹n l 图2 8 半桥式开关电源主回路 主要优点：具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的 功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥 电路低等。这种电路常常被用于各种非稳压输出的d c 变换器，如电子荧光灯驱动 电路中。 2 3 单端反激式变压器原理 所谓单端是通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器。反激式则指当功率 m o s f e t 导通时，就将电能储存在高频变压器的初级绕组上，仅当m o s f e t 关断 时，才向次级输送电能，由于开关频率高达5 0 k h z ，使得高频变压器能够快速存储、 释放能量，经高频整流滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本 工作原理。而反馈回路通过器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的。 反激式变压器又称电感储能式变压器，图2 9 为其工作原理简图，当高压开关 管q l 被脉宽调f l ；0 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 脉冲信号激励而导通时，直流输入电压 施加到高频变压器t 的原边绕组上，在变压器次级绕组上感应出的电压使整流管 d 反向偏置而阻断，此时电源能量以磁能形式存储在初级电感中；当开关管q 1 截 止时，原边绕组两端电压极性反向，副边绕组上的电压极性颠倒，使d 导通，储 存在变压器中的能量释放给负载。 l r d 图2 9 单端反激式变压器工作原理简图 l o一种c m o s 绿色节能原边检测a c d c 控制器 单端反激开关电源采用了稳定性很好的双环路反馈( 输出直流电压隔离取样反 馈外回路和初级线圈充磁峰值电流取样反馈内回路) 控制系统，就可以通过开关电 源的脉冲宽度调制器迅速调整脉冲占空比，从而在每一个周期内对前一个周期的 输出电压和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节，达到稳定输出电压的目的。这 种反馈控制电路的最大特点是：在输入电压和负载电流变化较大时，具有更快的 动态响应速度，自动限制负载电流，补偿电路简单。反激电路适应于小功率开关 电源【8 1 。 2 4 单端反激式变压器的工作方式 单端反激式变压器一般工作于两种工作方式一j ： 第一种是断续电流模式( d i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ) 或称“完全能量转换”： 三极管导通( t o n ) 时储存在变压器中的所有能量在反激周期三极管断开曲中都转移 到输出端； 第二种是连续电流模式( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ) 或称“不完全能量转换”：储 存在变压器中的一部分能量在三极管断开( t 商末保留到下一个三极管导通( t 0 i i ) 周期 的开始。d c m 和c c m 在小信号传递函数方面是极不相同的，其波形如图2 1 0 所 示。实际上，当变压器输入电压u i n 或负载电流i l 在较大范围内变化时，必然跨 越这两种工作方式，因此反激式变压器要求在d c m 和c c m 状态下都能稳定工作， 但在设计上是比较困难的。通常我们可以d c m c c m 临界状态作为设计基准，并 配以电流模式控制p w m ，此法可有效解决d c m 时的各种问题。但在c c m 时没 有消除电路固有的不稳定问题。 t d c m 波形 t c c m 波形 图2 1 0d c m 与c c m 模式下的电流波形 比较图2 1 0 中d c m 与c c m 中电流波形可以知道，d c m 状态下在变压器t o n 第二章开关电源拓扑结构概述 期间，整个能量转移波形中具有较高的原边峰值电流，这是因为初级电感值b 相 对较低，使i d 急剧升高，所造成的负效应是增大了绕组损耗( w m a m gl o s e ) 和输入 滤波电容器的纹波电流，从而要求开关晶体管必须具有高电流承载能力才能安全 工作。在c c m 状态中，原边峰值电流较低，但开关晶体管在三极管导通( t o r i ) 状态 时有较高的集电极电流，因此导致开关晶体管高功率消耗。同时为达到c c m 就需 要有较高的变压器原边电感值l p ，在变压器磁芯中所储存的残余能量则要求变压 器的体积较d c m 时要大，而其他系数是相等的。综上所述，d c m 与c c m 变压 器的设计是基本相同的，只是原边峰值电流的定义有些区另u ( c c m 时，i p = i 一一 i m i n ) 。 2 5 单端反激变压器的设计 单端反激开关电源的变压器实质上是一个耦合电感，它要承担着储能、变压、 传递能量等工作，其波形如图2 1 1 所示。下面对工作于连续模式和断续模式的单 端反激变换器的变压器设计进行总纠1 0 】。 开关管电压 变压器原边电压 变压器原边电流 变压器副边电流 负载电流 一仙倬 i 卜l l ；l 一- - 。；j ，镍：i 唰。_ - - 图2 1 1 变压器波形 2 5 1已知参数 这些参数由设计人员根据用户的需求和电路的特点确定，包括：输入电压u i n 、 输出电压u 咖、每路输出功率p 叫、效率小开关频率f s ( 或周期t ) 、线路主开关管 的耐压u 舳。 2 5 2 计算 在反激变换器中，副边反射电压即反激电压u f 与输入电压之和不能高于主开 关管的耐压，同时还要留有一定的裕量( 此处假设为5 0 。反激电压由下式决定【l l 】： 1 2一种c m o s 绿色节能原边检测a c d c 控制器 u i = u 脯一u 加c 一一5 0 ( 2 - 1 ) 反激电压和输出电压的关系由原、副边的匝比确定。所以确定了反激电压之 后，就可以确定原、副边的匝比： n p u r 二_ = 二一 n su 咖 另外，反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、 根据在稳态下变压器的能量平衡，有： ( 2 2 ) 最大输出功率的状态， c 劬d 嗍= u i ( 1 一d 一) ( 2 3 ) 设在最大占空比时，当开关管导通，原边电流为i p l ，当开关管断开时，原边 电流上升到1 0 2 。若i p l 为o ，则说明变换器工作于断续模式，否则工作于连续模式。 基于能量守恒可得： 1p 言( j ，i + ，p 2 ) d 眦x u t n d c 血2 等( 2 - 4 ) 一般连续模式设计，我们令i p 2 _ 3 i p i 。这样就可以求出变换器的原边电流，由 此可以得到原边电感： l ：d m x u i , , o c ， z k i j 口 f 2 5 ) 对于连续模式，a i p = i p 2 - - i p l = 2 1 p i ；对于断续模式，a i p = i p 2 。 可由a w 法求出所需磁芯： 么，a 。= ( 三，i p 2 1 0 4 - b 。k o k j ) i 1 4 ( 2 6 ) 式中，a w 为磁芯窗1 3 面积，单位为c n l 2 ；凡为磁芯截面积，单位为c m 2 ；l p 为原边电感量，单位为h ；i p 2 为原边峰值电流，单位为a ；b w 为磁芯工作磁感应 强度，单位为t ；瞄为窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一 般为0 2 0 4 ；k 为电流密度，一般取3 9 5 a e r a 2 。根据求得的4 4 。值选择合适的 磁芯，一般尽量选择窗1 3 长宽之比较大的磁芯，这样磁芯的窗口有效使用系数较 高，同时可以减小漏感。确定了磁芯就可以求出原边的匝数。根据： n p = l p i p 2 1 0 4 b ，a 。 ( 2 _ 7 ) 再根据原、副边的匝比关系可以求出副边的匝数。若求出的匝数不是整数， 这时应该调整某些参数，使原、副边的匝数合适。 为了避免磁芯饱和，应该在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下： ，g = ( 0 4 r d v j , 2 a 。1 0 ) i t ， ( 2 - 8 ) 第二章开关电源拓扑结构概述 式中，1 9 为气隙长度，单位为c t i i ；n p 为原边匝数；a e 为磁芯的截面积，单位 为c m 2 ；b 为原边电感量，单位为h 。 至此，单端反激开关电源变压器的主要参数设计完成。应在设计完成后核算 窗e l 面积是否够大、变压器的损耗和温升是否可以接受。同时，在变压器的制作 中还有一些工艺问题需要注意。 第三章开关电源的控制方式 1 5 第三章开关电源的控制方式 3 1 反激式开关电源控制基本原理 在传统的电压型控制中，只有一个环路，动态性能差。当输入电压有扰动时， 通过电压环反馈引起占空比的改变速度比较慢。因此，在要求输出电压的瞬态误 差较小的场合，电压型控制模式是不理想的。为了解决这个问题，可以采用电流 型控制模式，电流型控制既保留了电压型控制的输出电压反馈，又增加了电感电 流反馈，而且这个电流反馈就作为p w m 控制变换器的斜坡函数，使系统的性能具 有明显的优越性。电流型控制方法的特点如下【1 2 】： 1 、系统具有快速的输入、输出动态响应和高度的稳定性； 2 、很高的输出电压精度； 3 、具有内在对功率开关电流的控制能力； 4 、良好的并联运行能力。 由于反馈电感电流的变化率d i d t 直接跟随输入电压和输出电压的变化而变 化。电压反馈回路中，误差放大器的输出作为电流给定信号，与反馈的电感电流 比较，直接控制功率开关通断的占空比，所以电压反馈是电流型电源设计中很重 要的问题。 单端反激开关电源采用了稳定性很好的双环路反馈( 输出直流电压隔离取样反 馈外回路和初级线圈充磁峰值电流取样反馈内回路) 控制系统，就可以通过开关电 源的脉冲宽度调制器迅速调整脉冲占空比，从而在每一个周期内对前一个周期的 输出电压和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节，达到稳定输出电压的目的。这 种反馈控制电路的最大特点是：在输入电压和负载电流变化较大时，具有更快的 动态响应速度，自动限制负载电流，补偿电路简单。反激电路适应于小功率开关 电源，其原理图如图3 1 所示。 0 9 c 图3 1 电流型反激式变换器的基本原理 1 6一种c m o s 绿色节能原边检测a c d c 控制器 下面分析在理想空载的情况下电流型p w m 的工作情况，与电压型的p w m 比 较，电流型p w m 又增加了一个电感电流反馈环节。图3 1 中：a 】为误差放大器； a 2 为电流检测比较器；u 2 为r s 触发器；i n v 为输出电压u o 的反馈取样，该反馈 取样与基准电压v r c f 通过误差放大器a l 产生误差信号u 。( 该信号也是a 2 的比较箝 位电压) 。 设场效应管q 1 导通，则电感电流i l 以斜率研l 线性增长，l 为t l 的原边电 感，电感电流在无感电阻r l 上采样u 1 = r 1 i l ，该采样电压被送入电流检测比较器 a 2 与来自误差放大器的u e 进行比较，当u 1 u 。时，a 2 输出高电平，送到r s 触发 器u 2 的复位端，则两输入或非门u l 输出低电平并关断q 1 ；当时钟输出高电平时， 或非门u 始终输出低电平，封锁p w m ，在振荡器输出时钟下降的同时，或非门 u l 的两输入均为低电平，则q l 被打开。 因此，从图3 1 的分析可以看出，电流型p w m 信号的上升沿由振荡器时钟信 号的下降沿决定，而p w m 的下降沿则由电感电流的陷值信号和来自误差放大器的 误差信号共同决定，如图3 2 所示。 几几几几 锁存器置位输入iiiiii 锁存器复位输入几r nn几 籼1nr 厂 厂 图3 2 反激电路的工作波形 单端反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导 通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量：而开关管关断时，变压器将一次侧线 圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新 的周期。 开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用【”】：一是通过它实现电场一磁场 电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过 脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同 的电路单元提供直流电量；三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地 与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。 3 2 输出直流电压隔离取样反馈外回路 本文设计的芯片是一种高性能的固定频率电流型脉宽集成控制芯片，是专为 第三章开关电源的控制方式 离线式直流变换电路设计的。其主要优点是电压调整率可以达到0 0 1 ，工作频率 高达5 0k h z ，启动电流小于l m a ，外围元件少。它适合做1 0 w 的小型开关电源。 其工作温度为0 c - - - 7 0 c ，最高输入电压3 0 v ，最大输出电流1 a ，能驱动双极型 功率管和m o s f e t ，采用s o p 8 形式封装。 芯片的典型应用电路如图3 3 所示。 芎 图3 3 反激式开关电源的典型应用电路 该电路的工作原理是：直流电压加在黜上，降压后加在芯片的引脚v d d 上， 为芯片提供大于1 8 v 的启动电压，当芯片启动后由反馈绕组提供维持芯片正常工 作需要的电压。当输出电压升高时，单端反激变压器t l 的反馈绕组上产生的反馈 电压也升高，该电压经民和r 7 组成大分压网络，分压后送入引脚i n v ，与基准电 压比较后，经误差放大器放大，使芯片的驱动脉冲占空比减小，从而使输出电压 降低，达到稳定输出电压的目的。 3 3 初级线圈充磁峰值电流取样反馈内回路 初级线圈充磁峰值电流取样的内回路反馈也是开关电源设计起决定作用的环 节，如果内回路反馈设计不符合电路要求，开关电源就无法正常工作【l 4 1 。 设计内回路反馈时，需要在开关管上串联一个以地为参考的取样电阻r s ( 见 图3 3 中的r 1 ) ，将初级线圈的电流转换为电压信号，此电压由电流检测比较器 检测并与来自误差放大器的输出电平比较。 第四章芯片的设计要求及指标 1 9 第四章芯片的设计要求及指标 本章首先确定了芯片的系统功能和各项电特性指标，并在此基础上针对芯片 特点和典型应用以及芯片的拓扑结构、工作方式、控制模式以及子模块划分和功 能定义等进行了详细讨论。 4 1 锂离子电池快速充电技术 锂离子电池的充电方法有很多种。最简单的锂离子电池充电器通常指的是恒 压( c v ) 充电器，它由与电池两端相连的一个电流受限的恒压源组成，它的电流被 限制在电池容量以下，输出电压调节为电池终止电压。 能量耗尽的电池将尽可能吸收充电电源提供的电流。在给电池充电时，电池 两端的电压将会上升，而充电电流将逐渐变小。当充电电流下降到0 1 c ( c 为电池 容量) 以下时，可以认为电池己被充满。因为不主张涓流充电( t r i c k l ec h a r g e ) ，所 以当充电结束时，充电器必须完全关闭或断开。为防止有缺陷的电池被不确定的 电流充电，应使用后备定时器来终止充电过程。 虽然恒压充电是一种成本相对较低的方法，但它的确需要很长的充电时间。 由于电源电压保持恒定，随着电池不断被充电，充电电流将迅速下降，从而使充 电的速度也迅速下降。然后，给电池充电的电流速率将远低于它可以承受的电流 速率。 一种更快的充电方法是恒流恒压( c c c v ) 充电，当开始充电时，c c c v 充电 器首先施加一个等价于电池容量c 的恒定电流。为防止在恒流充电周期中过充电， 需要监视电池封装两端的电压。当电压上升到给定的终止电压时，电路切换到恒 压源工作模式。即使电池封装两端的电压达到终止电压，但因为在e s r 上存在电 压降，所以实际的电池电压将低于终止电压。在恒流充电期间，电池能以接近其 终止电压的高电流速率充电，且不会有任何被施加高电压和发生过充电的危险。 经恒流充电后，电池的容量将达到其额定值的约8 5 。在恒流周期结束后， 充电器切换到恒压周期。在恒压周期，充电器通过监视充电电流来决定是否结束 充电。与恒压充电器一样，当充电电流减小到电池的0 1 c 以下时充电周期结束。 图4 1 中的虚线显示了一个完整的c c c v 充电过程【”】，其中v o 为输出电压，i o 为输出电流。 一种c m o s 绿色节能原边检测a c d c 控制器 v o 图4 1c c c v 充电过程 尽管实现c c c v 充电方法需要更加复杂的电路，但因为它可以显著减少充电 时间，所以各种不同的c c c v 充电方式在锂离子电池充电应用中居于主导地位。 迄今为止，我们一直假定被充电的对象是质量好的电池。但情况并非总是如 此。被充电的电池可能有缺陷而不能接受充电。此外，试图对有缺陷的电池进行 快速充电可能会产生安全隐患。理想的充电器必须能检测所有可能的电池故障模 式，并有针对性地进行充电。为简化问题，我们在前面的讨论中有意忽略了另一 个因素，即电池温度。如果锂离子电池的温度超出指定的温度范围，那么给它充 电将是不安全的。目前，所有充电器都必须跟踪电压的变化，而c v c c 充电器甚 至需要跟踪电流和电压。但正如前文所指出的，我们在提高充电器效率和延长电 池寿命的同时不能忽略潜在的安全问题，这使得我们越来越需要更智能的充电操 作【1 6 】。 为防止因意外将反向电压施加到电池上，所有锂离子电池包都包含一些复杂 的电路。一般来说，保护功能包括防止过放电、过充电、过大的充放电电流以及 避免电池被施加高电压。 在电池的充电或放电期间，如果任何参数超过了特定电池设置的限制值，电 芯与电池终端之间的连接将断开。通常，当反向电压被撤除或者电池被预置之后， 经过一段时间，充电器将会复位。除了电子保护以外，电池还包含机械的二级过 流保护器件。一种聚合物正温度系数口p t c ) 过流保护器件被串联在电池封装与电 芯终端之间。当发生过流时，p p t c 器件从低阻抗状态转换到高阻抗状态，从而保 护了电路。器件因1 2 r 发热效应产生的热量导致它的温度上升，而上述变化正是器 件温度快速增高的结烈1 7 j 。 第四章芯片的设计要求及指标 2 l 4 2a c d c 的芯片特点及指标 4 2 1 芯片特点 微电子技术在不断的发展，各式各样的电子产品遍及世界每一个角落，能源 成了全世界普遍关注的问题。随着人类文明的高度发展，更人性化，干扰更小， 保护功能更完善的电子产品也日益受到人们的青睐。在这种背景下，各式各样的 电子产品对其使用的电源提出了体积小，重量轻，能源转换率高，待机功耗低， 干扰小，保护完善，性价比高等要求。本芯片适应这种趋势有以下特点： 1 、软启动：提供了4 m s 的软启动时间。在这段时间内，芯片的最大占空比由 d , n 大逐渐得到释放，大大降低了系统的过冲及元器件应力。 2 、低待机功耗：间歇工作模式设计不仅可以让整个系统在空载的状态下轻易 达到国际能源机构最新的推荐标准，而且允许系统在较轻负载( u v l o ( o f f ) 时，p h 4 0 将被开启，使得d b 2 0 、d 4 和d b l 7 被短路，进一步提高了n h 5 栅极的电压。 在v d d 下降的过程中，当v d d 降到u v l o ( o n ) 以下，输出u v 变低，通过逻辑 第五章系统的电路设计 2 7 控制关断p w m 输出。显然p h 4 0 在电路中起到了降u v l o 滞回的作用。在该模块 中，u v l o ( o f f ) 的典型值为1 5 v ，u v l o ( o n ) 的典型值为8 5 v 。 图5 3 过