用于ACDC开关电源芯片的片内电源电路

1、用于ACD（开关电源芯片的片内电源电路片内电源电路是集成在半导体芯片内部的电源模块。 其作用 主要是从外部电源（例如220V市电）中获取电能，并把能量转化 芯片内部其它模块可接受的稳定直流电平，给内部其它模块供 电。目前，片内电源在纹波幅度、调整范围、功耗等技术指标上 还不能达到外部电源的水平， 但是，片内电源具有设计指标灵活、 成本低廉、可集成等外部电源不可比拟的优势。因此，片内电源 将会成为未来电源的另一个发展方向。1 电路结构及功能分析如上图1所示，是本文设计的应用于 AC/DC开关电源芯片的 片内电源电路整体结构。 Vin 为片内电源电路的输入端口， 220V 的交流电源经过半桥整流滤

2、波后通过此端口输入。BP为片内电源电路的输出端口，输出一恒定电压 Vout为AC/DC开关电源芯 片的其它子模块供电。Gate为AC/DC开关电源芯片中功率 MOSFET 栅驱动信号，为高时功率 MOSFE导通，为低关断。输入检测信 号为本片内电源电路的欠压保护信号，当Vin低于110V时片内电源停止工作对开关电源芯片进行保护。在AC/DC开关电源芯片工作过程中，每个时钟周期对片内电 源模块输出电压 Vout 进行检测，如果输出电压低于设计要求， 并且开关电源芯片其它保护模块输出正常的情况下，在 Gate 为 低的半周期对输出端电容 C0充电，直到输出电压满足设计要求，停止充电， 从而使输出电

3、压保持恒定。 本功能由上图 1 所示的充 电控制部分和模拟充电部分来实现。 充电控制部分包括： 输出电 压检测模块，数字逻辑控制模块。模拟充电模块包括高压JFET，MN1 MN2电阻RO,储能电容CO。充电控制模块是本电路设计的重点难点， 其具体设计过程如 下：1.1 输出电压检测模块的设计输出电压检测模块电路如下图 2所示，BP端输出电压Vout 经过电阻网络分压后产生 3路输出D1, D2, D3,这三路输出分 别输入到COM2 COM1 COM三路比较器中，与基准电压进行比 较。COM输出欠压信号 A5,欠压为高，不欠压为低。 COM输出 过压信号A6,过压为高，不过压为低。COM的输出

4、控制泄流支路，当Vout （BP电压）高于7V时，给电容CO提供一条泄流通路， 使BP电压低于7V,对电路进行保护。1.2 数字逻辑控制模块的设计数字逻辑控制模块电路如下图 3所示，A5, A6为输出电压 检测模块对BP端口电压检测后输出的欠压信号，过压信号；A7为A5, A6经过寄存器后产生的中间信号，X1为输入电压的检测信号，正常为低，当输入电压过低 （X1 为高）时，片内电源停止 工作对开关电源芯片进行保护。Gate为AC/DC开关电源芯片中功率管的栅控制信号，本片 内供电模块仅在功率管关断的时间进行充电。 Regulator 为过压 欠压逻辑单元模块的输出信号， 它来控制模拟充电部分对

5、储能电 容充电。片内电源在从上电到系统稳定需要经过以下三种工作状 态： 状态 1：储能电容电压 Vout 低于 4.8V 。过压欠压电路的输出 A5=1， A6=0。经过RS触发器，得出A7=1,上支路的输出为1。于是 Regulator 信号输出由上支路决定，始终为 0。储能电 容从 0充电会一直充至 4.8V 而不受各内部信号的影响。 状态 2：储能电容电压 Vout 充至略大于 4.8V 。过压欠压电路的输出 A5, A6由状态1的10转换成00。此 时RS触发器为保持状态，于是 A7保持为1，上支路的输出由1 变为0。此时Regulator由下支路决定，若 X仁1（输入电压Vin 过低

6、），Regulator=1（不充电）；若X仁0（输入电压Vin正常）， 则 Regulator 由 Gate 信号决定。 所以储能电容达到 4.8V 后，若 X1 信号为 1，储能电容将不再充电。若 X1 信号为 0，储能电容 在功率管关断周期充电，可充至 5.8V。 状态 3：储能电容电压由 Vout 由继续升高，大于 5.8V 时。当状态 2 最后一种情况 Regulator 由 Gate 决定， Vout 充电 至大于5.8V时。过压欠压电路的输出 A5, A6由状态2的00转 换成01。经过RS触发器A7信号要改变为0，下支路A7与X1的 与非使得X1对Regulator无影响。A6经过反向器后的0信号使 得 Gate 对 Regulator 也没有了影响。此时 Regulator 输出完全由A5, A6, A7来决定，输出为1（不充电），直到储能电容的电 压回落至 5.8V 以下。2 仿真结果仿真条件：本文采用 CSMC 700V BC工艺库和HSPICE进行仿真，Vin电压从0V上升到300V,然后维持稳定。仿真结果如右图4所示：当Vin从0V上升到300V的过程中， A5, A6状态从10转换到00再转换到01，当芯片稳定工作时其 在 00， 01 之间转换从而维持输