一种低功耗的ACDC芯片的设计与实现

ABSTRACT电子科技大学硕士学位论文种低功耗的AC-DC芯片的设计与实现姓名：陶万科申请学位级别：硕士专业：微电子与固体电子学导教师：李平20090501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90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IC,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。本文的开关电源电路结合了各种先进技术，在笔记本适配器、离线电池充电 器、机顶盒、电视和监视器的备用电源等相关领域有着广泛的应用，因此具有重 要的研究价值。此文中分析设计了一种电流模式控制PWM型开关电源电路。它采 用华润上华lum 40VSPDMBiCMOS工艺制程，利用反激式拓扑结构电流模式控 制实现系统的稳定。该电路在低于10W的低功耗，高效率离线反激式转换器的应 用中表现出优异性；正常工作的开关频率为50kHz,最大占空比为80%;具有斜 坡补偿功能，保证了反馈环路工作的稳定；具有软启动功能，可以避免启动时的 电感电流过冲；具有跳周期工作的特性，提髙了轻负载时的转换效率；具有频率 抖动功能以减小EMI;内置了过流、过压和过载保护功能。本文首先阐述了电流模式开关电源的工作原理，详细介绍了本电路的整体工 作原理，重点介绍了欠压锁存和内部电源、过压保护、栅驱动、带隙基准、电流 基准、电压调节器、偏置电路、频率抖动控制、振荡器和模式控制电路、保护电 路模块、计数器、逻辑电路和修调电路的工作原理，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。然后介绍了 BiCMOS工艺和版图设计的要点，列出了本设计中几种重要的器 件的结构和版图，接着将部分子电路的版图进行简单分析，同时也列出了整体版 图。这些版图都通过了 DRC和LVS的验证。最后对整个论文做了一个总结，并提出了本设计以后工作的方向。 关键词：开关电源，软启动，跳周期模式，频率抖动，斜坡补偿ABSTRACTWith the development of electric and electronic technology, the electric and electronic equipments have been used broadly in our work and life. Every electronic equipment can not woric without reliable power. In 1990s the switching power had been used in all kinds of fields, such as exchanger, communication and control equipmts. The core of switching power is control integrated circuits. Because it has the characteristics of high integration, most cost effective, simple periphery circuit and high efficiency. So it has been used broadly.The switching power supply unifies all kinds of advanced technology. It is suitable for high power AC-DC Adapters for Notebooks, Offline Battery Chargers, Set-Top Boxes Power Supplies, TV, Monitors, etc. Therefore the project is worth studying. A currrait-mode PWM switching power supply circuit is designed in this thesis. It is based on CSMC lum 40VSPDMBiCMOS process. The system is controlled by current mode feedback loop on the basis of flyback topology. It is q)timized for high pafoimance low standby pow and cost effective offline flyback converter qpUcatioiis in sub lOW range. It works at 50KHz frequency and maximum duty is 80 percent. Slope compensation maintains stability at duty more than 50 percent. Soft-start can eliminate the inrush current when the power switch starts. The chip itself goes into burst mode at light loads. Inter frequency jitto- function is used for improved EMI. Over current, over voltage and over load protection are providedThis thesis first introduces the basic theory of current mode switching power. The operating theory of this circuit has been demonstrated. The operating principle and simulation analysis about UVLO, internal supply, gate driver, bandgap reference current reference, voltage regulator, bias circuit, frequency jitter control, OSC, operating mode control, protection block, counter, logic and trim have been particularly expounded in the end of this thesis. Simulation results have declared the circuit function has been achieved and the performance characteristics have been obtained.ABSTRACTThis thesis then introduces the essences of BiCMOS process and layout. Some important devices structure and layout are declared. The thesis also analyses layouts of some sub-circuits. At the same time, the whole layout of this chip has been provided and has passed the check ofDRC and LVS.At last, the chip designed in this paper is summarized and the trend of this research is introduced.Keywords: Switching power. Soft start, Burst mode. Frequency jitter, Slope compensation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：fm 日期：叫年月M曰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：碑h辦 导师签名日期：年月叫日III电子科技大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论在中国电子整机企业推进绿色采购、绿色制造和绿色设计过程中，包括中国 在内的世界多国出台了要求更趋严格的节能法规，使得中国企业在设计“绿色电 源”、进行节能降耗方面面临着更大的压力。特别是随着越来越多的中国产品出口 到海外，满足欧美等地的电源规范标准变得愈加重要，电子设备制造厂商除了需 要更注重产品的种种新的特色功能外，还需要更加关注产品的电源管理和节能特 色。与此相应的，各种节电技术不断涌现，更高性能的IC解决方案纷纷问世，从 而使中国厂商采用能够满足苛刻法规要求的绿色能源成为可能。为了推广高效率的节能产品，并方便消费者区分，全球多个国家和地区纷纷 发布了各种节能规范，例如“能源之星”认证项目、美国加州能源委员会（CEC)、 欧盟行为准则、欧洲高能效电器组织（GEEA)，均把节能放在环保的重要一环。 欧洲2008年开始执行由GEEA发出的能源标签，中国在2006年三月实施的节能 评价值指标为待机能耗3W,能效指数为1.1: 2009年3月1日实施的节能评价值 为待机能耗1W,能效指数为0.75。待机效率：在3W150W功率段的适配器，分 段执行0.75W、0.5W、0.3W的标准。使用在25%, 50%, 75%, 100%时的能效大 于一定的数值。从2005年丨月开始执行，第一阶段待机功耗在0.5W的标准（我 国现执行0.75W标准)。2006年7月更严格执行0.3W待机能耗标准。新标准在节 能方面有新的规定，其中要求电源转换效率由先前的72%提升至80%以上，同时 也对待机、休眠、空闲等各种工作状态也做了更严格的规定，在功率大于85W的 产品中要求主动支持PFC但所有这些标准没有强制执行，由于消费者对节能意识不是很强，对价格的 要求强于节能。所以市场上80%以上的产品不能满足能源标准。但有迹象表明在 2010年这些标准将在全球大范围内强制执行。电源适配器属于劳动密集型产品，技术附加值较低，广泛記套于电话子母机、 语音复读机、随身听、游戏机、笔记本电脑、移动电话等电子及信息类产品，是 与消费者息息相关的有安全性指标要求的电子产品。1.1开关电源国内外研究状况在当前，世界上开关电源的研究状况可以从市场占有率上可见一斑。在目前 的开关电源国际市场上，特别是AC-DC单片开关电源芯片的市场份额，主要被如 PI (Power Integration), ST (意法半导体)，TI (德州仪器)，NS (国家半导体)， Fairchild (仙童半导体）等公司所占据。国内企业在这片领域几乎没有涉及。不仅 如此，国外这些企业的单片开关电源产品的研发已经相当成熟，各个公司一般都 研发出针对不同应用领域的一系列产品，占据特定的市场，竞争相当激烈。同时， 这也导致开关电源产品无论在性能上，还是在功能上都更加先进，也使得价格不 端下降。在市场格局上，TI和NS公司主要占据着高端市场；ST、PI和Fairchild公 司则主要占据着民用市场。因此，在市场上我们能经常看到的就是如ST公司的 VIPer系列和PI公司的Topswitch，Tmyswitch等系列产品。意法半导体（ST)公司成立于1987年，它由意大利SGS半导体公司和法国 汤姆逊半导体合并而成，它作为全球第三大半导体供应商（2005)和第一大机顶 盒和电源管理芯片的制造商推出的VIPer系列AC-DC单片开关电源，以使用垂直 方向的Power MOS为特点，这种使用垂直方向上的漂移区的功率MOS管能使耐 压达到700V。从97年推出的第一款VIPerl00/VIPer50,该系列产品已经推出到 04 年的 VIPer53EPI公司推出的开关电源产品系列包括TOPSwitch TinySwicth, LinkSwicth, LinkSwitch-TN，DPA-Switch等。作为Viper系列产品的最主要竞争对手，其中某些 系列已经经过了几代的发展。另外，Fairchild公司的单片开关电源芯片产品FSD系列，在民用市场上也有 相当的竞争力。在国内，单片开关电源管理芯片市场也主要由国外大公司所占据。为改善这 样的局面，国内很多企业和研究机构为此都做了很大的努力，也取得了一定的成 果。主要产品包括0B的“绿色引擎”AC/DC系列芯片OB2262/3、OB2268/9、 OB2278/9等；南京通华微电子推出的TH101, TH201, TH202等。但是，昂宝产 品仍然不是单片开关电源管理芯片，而是釆用的两片方案；而南京通华微电子 TH202虽然是单片开关电源管理芯片，但使用的是功率三极管。我们知道，由于 三极管固有的正反馈机理，会引起电流集中现象，使得其性能不能同使用场效应 管的国外产品相媳美。因此，国内的研究状况同国外的情况还有很大的差距。第一章绪论1.2开关电源发展方向目前，开关电源产品的发展方向主要是：更高效率，更小体积，更少电磁污 染，更加可靠。随着人们节能意识的提高，要求电子产品节能技术的提高的呼声也越来越高。 电源的作用为给电子产品提供能量，它主要技术为电能的变换，即将市电或电池 等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。在这一工程中，电能的变换 效率对节能有着非常重要的影响。在当前，新的器件、新的拓扑理论以及新的开 关电源控制技术大大提高了电能变换效率。理论分析和实践经验表明，电子产品的体积和重量随供电频率的平方根成反 比的减小。例如：当把频率从50Hz提高到20kHz，用电设备的体积和重量能大概 降至工频设计的5%-10%。因此，电子产品体积的减小同工作频率的增加有关。然 而工作频率增大，也必然引入更多的电磁污染。为减少开关电源的电磁污染，各种新的方式得到引入。在控制部分，采用频 率抖动、软启动、PFC等技术；在硬件上，采用了超快恢复二极管、无感电容、 无感电阻等器件。这些技术和器件的应用，很好的减少了开关电源的电磁污染。开关电源的高可靠性通过一系列的保护电路得到了实现。在现在的开关电源 产品中，一般都集成了如过电压、欠电压、过载、过温、过流等保护电路，以确 保芯片的更大的输入电压范围，更高的输入功率因数，更广泛的应用领域下都能 使系统更可靠安全地工作。1.3课题特点本论文所研究的芯片具有以下特点：1. 芯片由一个电流模式的PWM控制器和一个高电压功率MOS场效应管组 成。它在低于10W的低功耗，高效率反激式转换器的应用中表现出优异性。2. 芯片正常工作时，工作在一个内部设置好并被精确修调的PWM频率下。 在空载和轻载时，这个频率通过芯片内部自己调节而使芯片进入跳周期模式，因 而减少了开关功耗，从而能够得到更低的待机功耗和更高的转换效率。3. 在开启电路中使用了一个大阻值电阻，因此它在VDD端的幵启电流和正 常工作时的电流都较小，减小了待机功耗。电子科技大学硕士学位论文4. 其斜坡补偿不仅功能增强了系统大信号的稳定性，而且还在大PWM占空 比情况下减小了可能的亚谐波振荡。在电流检测端的前沿消隐功能移除了由于缓 冲二极管的反向恢复特性引入的信号干扰，因此大大减少了外围器件数量和系统 设计成本。5.提供了完整的具有自动恢复特性的保护措施：包括逐周期电流限制（OCP)， 过载保护（OLP)，VDD过压银制和欠压锁定（UVLO)。它的软启动功能使该芯 片表现出很好的EMI特性。1.4本论文所做工作本论文的主要研究目的为：设计和实现一种低功耗的离线反激式AC-DC芯片。 此芯片釆用BiCMOS工艺，主要应用于低于10W的情况下。由于此芯片有多种工 作模式，具有很好的节能能力。在查阅国内外的相关文章和技术的基础上，提出本论文主要研究内容有以下 几个部分：1. AC/DC开关电源芯片的特点及应用本芯片的主要特点就是其节能能力很出色。首先他能根据负载的变化，自动 在PWM, PFM和BURST_MODE三种工作模式之间转换，起到很好的节能作用 其次是为保证正常工作时，效率尽可能高，设计一款低功耗的驱动电路。2. 内部功能模块的电路设计及仿真，包括总仿真此芯片内部功能模块主要有过压欠压保护、过流检测、斜坡补偿、振荡器、 高压转低压、前沿消隐、电压电流基准等模块。首先要对各个模块进行功能分析, 然后使用CSMC lum 40VSPDMBiCMOS工艺库对各个模块在HSPICE进行功能仿 真，接着将各个模块连接起来，加上外围电路进行总体仿真。3. 内部功能模块的版图实现在电路仿真完成后，基于CSMC lum 40VSPDMBiCMOS工艺库版图规则在 CADENCE环境下对芯片进行版图的实现，并进行DRC和LVS的检查，在这些都 完成后进行流片。第二章电流模式开关电源原理和研究 2.电流模式开关电源原理理解了电流模式控制的开关电源的工作原理，对正确设计电流模式控制的幵 关电源，确定其设计和实现的要求有重要的意义。电流模式开关电源简介图2-1就是一个典型的电流模式控制开关电源的工作原理图。从图中我们可以 看到它是一个双环控制系统：一是输出电压反馈控制部分，二是电流极限检测反 馈控制部分。它的工作原理是：输出电压的分压与Vref经A比较后，得到PWM 比较器的一端，通过PWM比较器的输出，与振荡器产生的方波信号在触发器上进 行逻辑运算，输出逻辑信号输入驱动电路，这一信号经过驱动电路的放大后控制 功率开关管的开闭。在功率开关管开启后，电路中主边电感流过电流逐渐增大， 使得流过采样电阻Rs上的电流也增大，Vs上升。当Vs的值可以同A比较器输出 相比较时，PWM输出将控制信号，关闭功率开关管。 ps.餘 SBr-wofojroc5-p/Vm. t-Er*ntm _1 图2-1电流模式控制开关电源的工作原理图电流模式控制的优点是：具有快速的输入输出共同响应及良好线性调整率； 它的外围拓扑结构可以不需要滤波电感，使得系统更加稳定，具有很好的大信 号特性：具有逐周期电流检测功能，这使得过载和短路情况下有了一个固有的保护电路。电流模式控制的缺点是：由于双环控制的特点，增加了电路设计和分析的 难度;由于Vs具有PWM波调制和功率限制双重功能，如果没有斜坡补偿，当 占空比大于50%时，控制环变得不稳定，抗干扰性能差；由于Vs控制环路来自 主线圈，其电流谐振会给该控制环路带来噪声；因控制环控制电流，使负载调 整率变差，在多路输出时，需要耦合电感实现交互调节。2.1.2斜坡补偿原理尽管从上节的讨论可知，电流模式控制方式具有不少的优点，但是其缺点一 样应得到关注2。从上节的讨论可知，电流模式控制是工作在固定频率、峰值电流 控制关断的控制方法。虽然峰值电感电流逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。 但是峰值电感电流的平均值不能与平均电感电流的值一一对应，在占空比不同的 情况下，相同峰值的电感电流的平均值可以对应不同的平均电感电流。而平均电 感电流才是唯一决定输出电压大小的因素。所以在以峰值电流作为控制关断的方 法时，为稳定输出电压，必须对峰值电流做一定的处理。这一处理就叫做斜坡补 偿。如果不做处理，当在恒定输入电压下，开关占空比大于时，如果由于某 种原因引起了电感电流初始扰动，会造成系统的开环不稳定3。图2-1所示的峰值电流控制中，在占空比高于0.5时，不考虑反馈的情况下， 存在无条件的不稳定性3】。为抑制该不稳定性，需要斜坡补偿，也就是将斜坡电流 叠加于采样开关电流。下面将就开环不稳定性以分析。如图2-2 (a)、图2-2(b)所示，10为没有扰动的电感电流采样初始值，AiO为上 升处的电流扰动量，Ail为下降处的扰动量。Ad为占空比扰动量，ml为电感电 流上升斜率，m2为电感电流下降斜率，则有如下关系：= (2-2)由(2-1)、（2-2)式可得：A/l = -AiO(2-3)在降压型开关电源中：h-；L在连续模式下，开关电源占空比D与VIN , VOUT的关系如下【7】:D丄狐由(2-3)、（2-4)、(2-5)、(2-6)式，并整理可得：1-D(2-7)(2-7)式显示当D小于0.5时，电流扰动量收敛，系统稳定，如图2-2 (a)；D大于0.5时，电流呈发散趋势，如图2-2(b)，因而会导致系统的不稳定性。 jWMD0.5XAi()Cb)图2-2电感电流扰动比较波形图（a) D0.5加入斜坡补偿可以消除该不稳定因素。斜坡补偿如图2-3 (a)和2-3 (b)所 示，mc为斜坡补偿斜率。图2-3 (a)为在误差比较器输出VE上叠加一负斜率斜 坡；而图2-3 (b)以一正斜率斜坡叠加在电感电流的上升斜坡上。两种叠加方式 等效，但在实际电路中更多釆用图2-3 (b)的方式。 根据图2-3 (a)可得到如下关系式：AzO - m, ArfJ = = -A/1+m/SdT(2-8)=(2-9)/Wj为使电感电流呈收敛趋势，需使/2-、+讲。llm,(2-10)(2-4) (2-5)(2-6)关于斜坡补偿，斜率越大，振荡衰减就越快，但补偿斜率过大，会造成过补偿。一方面，过补偿会加剧斜坡补偿对系统开关电流限制指标的影响，从而降低 系统的带载能力；另一方面，过补偿会影响系统瞬态响应特性【8】。通常选择斜坡补 偿斜率需根据需要折中考虑。同时，如图2-3中，斜坡补偿分为正斜坡补偿和负斜 坡补偿。10)(a)负斜率斜坡补偿波形图；（b)正斜率斜坡补偿波形图幵关电源电路的调制方式主要有：PWM、PFM、BURST MODE三种调制方 式。脉冲宽度调制（PWM)方式8_91，在其开关频率固定的情况下，通过调节导通 脉冲宽度来改变占空比，从而实现电能变换的控制；脉冲频率调制（PFM)方式 i】，在其脉冲宽度固定的情况下，通过调节开关频率，从而实现对电能变换的 控制；跳周期模式（BURST MODE)方式，在脉冲宽度恒定的情况下，有选择的 在某些工作周期使芯片不工作的方式来实现对电能变换的控制。2. 2.1 PWMPWM调制方式是开关功率变换器中最常采用的控制方式，通过负载端反馈信 号与内部产生的银齿波进行比较，然后输出一路恒频变宽的方波信号对功率开关 管进行控制，依据负载状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其 工作波形图如图24所示。 Nyf slimttk t _ ft Tt图24 PWM工作原理图目前PWM控制方式是开关电源中使用最普遍的，具有以下优点：在负载较重 情况下效率很高，电压调整率高，线性度高，输出纹波小，适用于电流或者压控 制模式。存在以下缺点：输入电压调制能力弱，频率特性较差，轻负载下效率下 降。2.2. 2 PFMPFM也是开关功率变换器中经常使用的调制方式，多与PWM结合往往达到 最佳控制效果。通过负载端反馈信号与基准信号进行比较，输出误差信号对工作 频率进行调节，然后输出一路恒宽变频的方波信号对功率开关管进行控制，依据 负载状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其工作波形图如图2-5 所示。目前PFM控制方式是开关电源中使用已经比较普遍，具有以下优点：在载较 轻情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者 电压控制模式。存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。1 n n n rk ttllt丨丨丨脚图2-5 PFM工作原理图2.2.3 BURST MODEBURST MODE调制方式是开关功率变换器中一种新的控制方式，称为跳周期 模式。将负载端反馈信号转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平决 定是否在该时钟周期内工作，调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其工 作波形图如图2-6所示。目前BURTSTMODE控制方式已经用于开关功率变换器，具有以下优点：在 负载较轻情况下效率很髙，工作频率低，频率特性好，功率管开关次数少，适用 于小功率电源管理IC。存在如下缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱。Veh-n nil! infifYipjijiiijijif-IMiw图26 Burst mode工作原理图电流模式开关电源节能方式前面己经叙述，开关电源的发展方向为更高效率，更小体积，更少电磁污染， 更加可靠。要满足这些新的要求,开关电源控制技术就得不断创新12】。其中，AC/DC 开关电源又以高频、高电压、大电流为其发展的方向，这就对其芯片内部电路的 高密度提出了更高的要求。高频、高电压压、大电流开关使得电源工作损耗增大， 限制了 AC/DC开关电压模块化的进程，因此必须釆用新的优化设计方法。一个幵 关电源系统要降低功耗，从系统的观点来看，一是要考虑到待机、轻载和空载的 情况下的效率，因为在空载时功率开关管导通损耗几乎为零，所以损耗基本上是 MOS开通和关断的损耗。因此最直接的方法就是降低空载时的开关频率，同时关 断部分模块的功能，这种功能可以采用跳周期模式来实现，即降低开关周期数13】。 这种方式可以把电源的功耗降到几毫瓦；二是要做到正常工作时系统损耗尽可能 低。为了达到这点，釆用低功耗输出驱动电路14】，也就是通常所说的软驱动，可 使驱动电路的功耗降低约2.3.1跳周期模式第二章电流模式开关电源原理和研究在AC/DC开关电源脉宽调制芯片的典型应用中，当功率开关管每次导通时， 漏极节点寄生电容（它包含MOSFET的COSS和CRSS、变压器杂散电容）便放 电。每一次开关，每个电容器C都进行一次冲放电，由于电容充放电而在功率开 关管上产生的平均损耗为：P = CVfl2(2-11)C和V为固定值，很难调整。虽然这样，由于开关频率是可以调整的， 所以可以通过改变/。：的值来调整功率开关管的平均功耗。驱动电流在开关电源功 耗中占有相当大的部分。例如，一个lOnC功率MOS工作在lOOkHz时，从控制 器的VDC吸收的平均电流为1mA,功耗达到十几mW。从上可以看到幵关电源的工作频率在电能损耗过程中重要的作用。因此，随 着负载情况的不同，开关电源可以工作在不同的频率下的功能就能实现减小功耗 的目的。当开关电源在负载正常时，工作频率处于良好的状态：而当负载变轻或 者待机状态（空载）时，开关电源传送功率很小或者不传送任何功率，那么就可 以不必每个周期都要求有电流流过功率开关管，而可以跳过一些周期，在跳过的 周期里，就不存在任何开关损耗。这样，通过采用跳过一些不需要的开关周期的 方法，就可以大大减小AC/DC控制芯片在空载和轻载时的功耗。这就是跳周期模 式的工作原理15】。2.3.2低功耗驱动电路脉冲宽度调制（PWM)控制器是开关电源控制电路的核心。开关电源电路内 部的功耗由其内部各个电子模块的功耗组成，驱动电路的功耗又取决于驱动MOS 管的栅极电荷量和开关频率。驱动MOS管的平均电流（不包含驱动器的效率，并忽略各种电压降）为： = foscQg(2.12)其中，/。为最大开关频率（Hz); Qg为MOS管的栅极电荷（C)。当功率MOS管工作于低频条件下时，MOS管很高的输入阻抗就意味着驱动功率MOS管 仅需要很小的电流，只要施加电压就可以使功率MOS管开启。但是，由于功率密 度的提高，使得开关电源需要更高开关频率、更高电压和更的大电流。在这时， 功率MOS管的输入电容就成为主要的输入阻抗，为了使AC/DC开关电源的功率 开关管快速地开闭，则需要专门的驱动电路，以能对功率管有效的栅一源电容分 别进行充电和放电。驱动的要求是使功率MOS管对其栅压的变化能立即响应，即 能得到栅电压的一个阶跃变化，变化的大小取决于驱动的电流大小。而驱动电流 决定了功率MOS管的漏电流的上升和下降时间。速度直接与驱动电流有关。 CMOS功耗主要由3个部分组成，可表示如下：P = CV%+IV + I,。-V(2-13)上式第一项表示开关原因引起的功率损耗。其中:C表示负载的等效电容，/。表示开关频率，V表示电源电压。第二项表示驱动电路上下两管同时导通，短路 电流引起的功耗。第三项是由衬底注入和亚阈值效应引起的，取决于制造工艺。一般，第一项是降低功耗的关键，因为第二项、第三项是CMOS电路所 固有的。于是，降低C、V、的值成为低功耗设计的选择。但是，对于AC/DC 开关电源而言，为了保持输出电压的稳定，C、V、的值不可只为了降低功耗 而改变。所以AC/DC开关电源就得另想办法降低功耗。事实上，第二项的功耗占 整个CMOS功耗的20%以上，由前面知道，MOS管的输入电容是主要的阻抗，就 要求在AC/DC开关电源输出驱动电路的最后一级处理大电流，如果消除驱动电路 最后一级的短路导通现象将大大降低驱动电路的功耗。2.4本设计的结构和工作原理2.4.1本设计的内部结构本设计的内部电路结构如2-7图所示。本设计中包括内部电源（internal supply)、欠压锁存（UVLO)、VDD damper、电流基准（Current Reference)、过 载保护（OLP)、软启动、振荡器（OSC)、过流保护（OCP)、斜坡补偿（SLOPE COMPENSATION)、前沿消隐（LEB)、跳周期模式（BURST MODE)等功能模 块。电路主要模块的简单功能描述和参数设定如下所述：1) 内部电源为内部低压电路部分提供5V左右的电源。2) UVLO 当VDD电压低于欠压阈值8V时，发出欠压信号，关闭芯片。3) 过压保护当VDD电压超过过压阔值27V时，发出过压信号，关闭芯片。 在VDD超过过压阈值后，稳定VDD的值，保护芯片不被大电压烧坏。4) OLP 过载保护，当系统过载时，即是FB端信号大于3.8V时，发出 过载信号，如果在50ms内，过载情况没有改变，芯片将关闭。5) OCP 过流保护，通过Rsense对流过功率管电流进行检测，限制流过 电路大小，当流过电流过大时，发出过流信号，关闭芯片。6) OSC 振荡器，为芯片提供时钟信号和银齿波信号。在正常工作时， 频率为50Khz,进入跳周期模式时，频率为22Khz。157)电压基准为内部电路提供电压偏置和电压阈值。 VOD &回m H? 0- CS/S-CDUVLOM W-K?.Btzst XBDde1 =(关闭电压）时，将使各个使能信号状态翻转，芯片将退出正常工作状态。该电路模块的另一个功能就是为内部低压模块提供电源。在VDD使电路开启 后，X5点电压值为一高电压，其最大电压值被D5和HV5限定在这一电压将开启HV6对VD供电。又由于HV6所用的为隔离高压管，它衬底和源端 短接，无衬偏效应，在HV6栅源电压小于起阈值电压时，HV6将关闭，不再向 VD供电，所以VD的最大值为BV,_ + r*-r*=BV_,。因此芯片内部电源电压值就由D5的反向击穿电压决定。图3-2 UVLO和内部电源模块实际电路图1.2仿真结果由图3-3中我们可以看到，各个使能信号的变化点在VDD上升和下降过程中 完全不同，明显存在一个迟滞。这样设定可以保证芯片在更宽的电源电压下稳定 的工作。同时我们也看到VD信号在芯片正常工作时，其值为设定的二极管反向 击穿电压6V。/reset在芯片进入正常工作后，有一小的脉冲是由MN2这一电容产 生的延时引起的，这时为了防ih内部电路信号突变，产生误判断。YD-X；图3-3模块各个节点随VDD变化的仿真结果图 在图3-4中这里将UV单独画出是为了更好的理解UV信号的变化,图34 UV随VDD变化的仿真结果图3. 2过压保护模块 3.2.1电路设计该电路模块的具体电路图如图3-5所示。此电路的工作原理同UVLO模块大 致相同，也是靠反向串联的二级管来检测VDD电压的值。当VDD增大到使D1-D4电子科技大学硕士学位论文击穿及m电压值达到HV5阈值时，=(过压开启电压）时，将产生过压保护信号0V去控制内部电路，让芯片在过压的情况下得到保护。 虽然在VDD过压时，产生了 0V信号去保护内部电路，但是这并不保证VDD 电压不能超过27V。如果VDD产生了纹波在27V以上的时候，特别是VDD电压 达到高压电路器件最高耐压的时候，芯片将被损坏。所以，对VDD端电压的饼制 是非常必要的，而此电路的另一个功能就是如此。在图3-1中，我们看到VDD外面接了一个电阻Rin，Vdc电压加在Rin的另一端。我们由仿真图看到，当Vdc升高使VDD电压达到 + f； + 0.7+/X3IF (银制电压）时，即N2点电压达到HV4的阐值电压时，VDD被银制在31V。这时由于此时HV2也被开启，对VDD湾流，使VDD工作在稳定状态。N3过压保护模块时间电路图仿真结果如图3-6中所示，随着VDC的增加，在二极管串没有反向击穿时，VDD跟随 VDC。在二级管导通后，VDD离开VDC的轨迹，但还是呈现上升趋势。当VDD 达到过压保护阈值时，过压信号0V变高，控制芯片内部关闭。在VDC继续升高 的情况下，VDD不再升高，被甜制在31V。-2ft 28ValtAC*3.3 栅驱动模块（gate_driver) 3.3.1电路设计如图3-7所示，该模块主要有以下几部分组成：A部分为一个电平位移电路： B部分为一 RS触发器；C部分为偏置电流镜和DELAY信号发生电路；D部分为 功率管栅驱动部分电路。电平位移电路的主要功能是将低压的LOGIC信号平移为高压的逻辑信号。之 所以将LOGIC信号变为高压的数字逻辑，是低压逻辑信号不足以驱动大功率管。 此外，为使HV1和HV2两个高压管充分导通，所设计的阈值电压与低压管相同， 其栅氧化层为薄氧化层。RS触发器的主要作用就是要让LOGIC在每个上升沿时，X8要变为高电平后， X5才变为低电平。即X6先变为低电平后，X4才开始变为高电平。同时在LOGIC 的每个下降沿，X8要变为低电平后，X5才变为高电平。即X6先变为高电平后， X4才开始变为低电平。这样就达到了使G1和G2两个管子不能同时导通的目的， 防止了电源到地的直接通路，这样即减少了功耗，又保护了这两个驱动管不被烧 坏14。另外RS触发器增加对后级的驱动能力。因为RS触发器的最终输出级的管 位宽长比是前级的2倍，可以很明显的增大其驱动能力。过压保护模块仿真结果波形图在C部分电路中，MP1和MP2这条支路产生一固定电流被镜像出去，控制 X7点放电电流大小。这一控制电流也就决定了 X7下降的快慢，即X4点上升的快慢，从而能够控制DELAY信号的下降沿同LOGIC上升沿延时的大小。也就是说， 此部分电路能产生一个同LOGIC反向并有一定延时的DELAY信号，此信号在前 沿消隐（LEB)模块中有重要的作用。在此模块中最核心的为D部分电路。由前面所述，X7点电压的下降速度被限 定，同时，由于HV13为二极管连接，所以X7点的电压值也被限定。其值由：(3-1)(其中yff