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1、Y9 0 7 3 0 6中图分类号：T N 4 0 2密缀r单位代号：1 1 9 0 3学号：0 3 7 2 1 1 6 2上海大学硕士学位论文S H A N G H A IM A S T E R SU N I V E R S I T YD i s S e r t a t i O nl 题智能A C D C 目开关电源芯片的设计作者丛塞塞学科专业微电子学与固体电子学导师猩壅壅完成日期2 0 0 6 年1 月摘要本文设计了一款智能A c D c 单片开关电源集成电路，其内部集成了6 5 0 V的高压功率管、控制电路及保护电路，町广泛应用于小功率反激型开关电源系统中。一芯片罩包含基准电压源、电压调
2、节器、高压启动电路、上电复位、振荡器、P w M 比较器、驱动电路等基本模块。考虑到开关电源的安全性，芯片里还包括欠压锁定、过载、过热和过流等保护的实现电路。为了降低开关电源的待机功耗，提高轻载时的电源效率，为系统增加跨周期控制的功能并设计了相应的控制电路，从而在轻载情况下电源效率达到了与J F 常T 作时相同的水平。同时通过限制跨周期时的峰值电流，消除了可能产生的音频噪声。从减小开关电源的电磁干扰(E M I)出发，设计了具有频率抖动特性的振荡器电路。用芯片外接电容上的电压作为调制信号来调制开关频率，从而修改噪声辐射的频谱，降低开关电源自身的E M I，达到从源头减小E M I 噪声和降低开
3、关电源系统设计成本的目的。基于德国x F A B 公司的6 5 0 V 高压B c D(B i p o l a r-c M O s-D M O s)工艺(x D l o H lO u m)，采用c a d e n c es p e c t r e 和H 印i c e 工具完成了电路的设计和仿真工作。仿真结果表明所设计的电路功能达到了系统设计指标的要求。关键词：智能A c D c 单片开关电源集成电路，跨周期工作模式(s c M)，低待机功耗，频率抖动，电磁干扰(E M I)VA b s t r a c tT h i st h e s i sd e s i 印sas m a nA C D cm
4、o n 0 1 i m i cS M P S(S w i t c h-M o d eP o w e rS u p p l y)i n t e g r a t e dc i r c u i t，w h i c hi sm a i n l yu s e di nn y b a c kc o n v e r t e rS M P Ss y s t e m sw i t hal o w 函w e r0 u t p u t A I l da6 5 0 vh i 曲一V o l t a g ep o w e rd e V i c e，c 面t m lc i r c u i t sa 1 1 dp r o
5、t e c t i o nc i r c u i t sa r ei m e g r a t e di nt h ec h i p T h e r ea r es o m eb a s i cm o d u l e si nt h ec h i p，s u c ha sav 0 1 t a g er e f e r e n c e，aV 0 1 t a g er e g u l a t or，ah i 曲一v o l t a g es t a n u pc i r c u i t，ar e s e tc i r c u i t，a I lo s c i l l a t o r，aP W M(P
6、 u l s ew i d t hM o d u l a t i o n)c o m p a r a t o ra n dad r i v ec i r c u i t T h ep r o t e c t i o nc i r c u i to fu V L O(U n d e r v 0 1 t a g eL o c k o u t)o v e r l o a d，o v e r-t e m p e r a t u r em do V e r-c u r r e n ta r ea l s oi n c l u d e di nt h ec h i p，a f t e rm ec o n
7、s i d e r a t i o no f t h eS M P Ss y s t 锄s a f e t y T h i st h e s i sd e V e l o p saS C M(S k i p p i n gC y c l eM o d e)c o m m lc i r c u i tt or e d u c et h es t a n d-b y1 0 s sa I】di m p r o v et h ep o w e re 伍c i e n c ya tl O w1 0 a d 灿l da t1 a w1 0 a di tr e a c h e st h es a m ee
8、m c i e n c ya sa tt h en o m a lc o n d i t i o n M e a l l w h i l e，m ep o t e n t i a la u d i on o i s ei se l i m i n a t e d，b yl i m i t i n gt h ep e a kc u n 切ta tS C M A no s c i l la t o r，w i t ht h e 丘q u e n c yj i t t e rc h a r a c t e r i s t i c，i se m b e d d e di I lm ec h i pt
9、oo r i g i n a l l yr e d u c et h cE M I(E 1 e c t m m a g n e t i c 如t e r f c r e n c e)n o i s e 卸d 血ed e s i g nc o s to ft h es M P ss y s t e m T h ev o l t a g ea c m s sp h e r i p h e r a lc 印a c i t o r si su s e dt om o“1 a t et h es w i t c h i n gf k q u e n c ys ot h a tt h es p e c t
10、 r u mo fn o i s em d i a t i o ni sm m m e da I l dt h eE M Io f S M P Si t s e l f i sr e d u c e d T h ed e s i g ni ss i m u l a t e da 1 1 di m p l e m e n t e db yC a d c n c eS p e c t r ea n dH s p i c ei nt h e6 5 0 Vh i 曲一V 0 1 t a g eB C D(B i p o l a r _ C M O S D M O S)p r o c e s s(X D
11、 l 0 H 一1 0 岫)，d e v e l o p e db yX F A Bs e m i c o n d u c t o rf o u n d r i e so fG e m l a n y A n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a ta 1 1t h ed e s i g n e dc i r c u i t sm e e tt h es y s t e ms p e c i f i c a t i o n K e y w o r d s：S m a r tA C D Cm o n 0 1 i t h i c
12、S w i t c h M o d eP o w e rS u p p ly s k i p p i n gc”l em o d e(S C M)，1 0 ws t a n d _ b yl o s s，f r e q u e n c yj i t t e r E l e c t r o m a 印e t i cI n t e r f e r e n c e(E M I)V I 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
13、表示了谢意。签名：屋丛日期皇竺!：!：!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)地主日期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，任何电子设备都离不开电源供电，电子设备的小型化和低成本化正使电源朝轻、薄、小和高效率的方向快速发屉1】【2】【”。线性稳压电源由于调整管要消耗较大的功耗，电源效率很低，不能应用在输出电流大于5 A 的场合，而且需要体积大且笨重的工频变压器和滤波器
14、，因此该类电源很难满足现代电子设备发展的要求【4】。开关型稳压电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率来维持稳定输出电压的一种电源。其功耗小，效率可高达7 0 一9 5。而功耗小，不仅减小了散热器的尺寸，而且使机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。此外，开关工作频率为几十千赫，导致滤波电容器、电感器数值较小。可见，开关电源具有重量轻、体积小等优点。另外开关电源对电网的适应能力也有较大的提高。一般串联稳压电源允许电网波动范围为2 2 0 V 1 0，而开关型稳压电源在电网电压在1 1 0 一2 6 0 v 范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。开关稳压电源一般都内置自动保
15、护电路，当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，其中的保护电路功能灵敏、可靠，能自动切断电源，确保安全。可见开关电源满足现代电子设备发展的要求，代表着稳压电源的发展方向。2 0 世纪8 0 年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。2 0 世纪9 0 年代，开关电源在其他的电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用。开关电源进入了快速发展期，现已成为稳压电源的主流产品。1 1 单片开关电源的发展趋势随着各种新技术的不断涌现，新工艺被普遍采用，开关电源正朝着短、小、轻、薄、单片集成化、智能化的方向发膨”。第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。1 9 7 7 年
16、国外首先研制成功P w M(脉宽调制)控制器集成电路，如美国M o n o m I a 公司、s i l i c o n上海大学硕士学位论文G e n e r a l 公司等相继推出的一批P w M 芯片，其典型产品有M C 3 5 2 0、S G 3 5 2 4。之后，在其基础上，国外又研制出开关频率达1 M 的高速P w M 和P F M(脉冲频率调制)芯片，如U C l 8 2 5、u c l 8 6 4 等。第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。其特点是把脉宽调制器、功率输出级和保护电路集成在一块芯片中，使电源系统的体积进一步减小，不断满足终端消费者对移动电话和膝上型电脑等
17、紧凑型便携设备需求的日益增加。各大公司分别推出了自己的产品系列。如美国电源集成公司(P I)推出的T o P s w i t c hI I 系列其开关频率典型值为1 0 0 K H z，内部功率开关管的耐压值为7 0 0 v，适合制作1 5 0 w 以下的普通型和精密型开关电源。美国安森美半导体公司的N c P l 0 0 0 系列单片开关电源，开关频率的典型值为1 0 0 K H z，内部功率开关管的耐压值为7 0 0 v，适合制作1 0 0 w 以下的低成本、低功率损耗开关电源。为了实现电源产品的小型化，采用了许多技术使控制电路和功率开关管集成到单个芯片里。然而对于合理的芯片面积、成品率和
18、成本来说，这些技术的发展潜力和局限性取决于能集成多大的功率。目前的技术只允许输出几百瓦的功率，因此全集成的概念通常局限在小的转换器和子系统里。由于不能在芯片中集成变压器，因此全集成芯片目前还不能实现电气隔离。谈到未来的发展，复合电源能提供任何尺寸的开关电源，同时单片集成可以提供更加复杂的控制芯片和大的输出功率1 6】。1 2 本文的选题意义电子信息产业的迅速发展，对高频开关式电源不断提出新的要求。据报导，全球开关电源市场规模已超过1 0 0 亿美元。通信、计算机和消费电子是开关电源的三大主力市场。庞大的开关电源市场主要由A c D c 和D c D c 开关电源两部分组成。据D a r n e
19、 l lG r o u p 估计，A c D c 和D c D c 电源转换模块的市场值将在2 0 0 9 年达到1 7 4 亿美元。而从A c D c 电源转换模块市场来看，在2 0 0 4 年实现9 4 亿美元产值的基础上，直到2 0 0 9 年，全球嵌入式A c D c 电源产品市场估计将保持5 9 的年均增长率【7】aA c D c 电源产品市场需求的增长，推动了A c D c 电源管理I c 市场增上海大学硕士学位论文长迅猛。然而由于国内外集成电路水平的差距，国内至今还没有自己设计和生产的智能A c-D C 开关电源集成电路商用芯片，而我国却是电源芯片消费大国，目前只能靠进口解决。所
20、以对此进行设计研究，不仅在学术上很有意义，在市场上也很有前景。同时本文提出的智能A C D C 开关电源芯片具有低待机功耗控制电路，能够极大地减小整个电源系统乃至使用该电源的电器的待机功耗，提高了效率，在节省能源方面具有重要的社会意义。因为待机功能在为用户提供了大量方便的同时，也造成了大量的能源浪费。c E c P 在2 0 0 3 年的抽样测试表明，我国计算机在关闭方式下的能耗为4 8 1 w，仅有1 0 5 的产品能够达到欧盟标准的要求，与国际水平有较大差距。研究表明，降低电器产品的待机功耗在我国具有非常现实的环保和经济需要。以计算机为例，如果我国待机功耗指标采用欧盟的规定，到2 0 1
21、2 年预计可节约电能5 亿度以上，可以节省电力费用支出超过3 亿元人民币，减少碳的排放近2 0 万吨。降低待机功耗不仅意味着消费者能够节省用电开支，更能达到直接减少能源浪费和环保压力的目标嘲。据美国环保署(E P A)估计：目前，全球各地在使用的内部和外部电源达到1 0 0亿件，每年销售的数量为1 6 亿件1 9 亿件。显然，电源的低效率造成了巨大的电力浪费。对于解决全球能源危机所需的解决方案而言，电源既是一种制约因素，又是一个关键部分吼可见，智能A c _ D C 开关电源芯片有很好的市场前景。能够带来可观的经济利益，同时该产品的广泛应用在节省能源方面有着很大的社会意义，对于缓解全球能源危机
22、具有重要的意义，同时也迎合了我国的能源政策和可持续发展战略要求。1 3 本文的研究内容及创新点1 3 1 本文的研究内容本毕业设计是以作者攻读硕士学位期间承担一年多的课题工作为基础，对开上海大学硕士学位论文关电源系统进行深入了解和对芯片里的具体模块进行仔细研究，最终提出一款可广泛应用于小功率反激型开关电源系统中的工作频率为1 0 0 K H z 的A c D c 单片式开关电源控制集成电路，该集成电路内部集成了6 5 0 V 的高压L D M O s，具有低待机功耗控制、内建频率抖动、欠压锁定、动态自供电、上电复位、过流保护、过热保护和过载保护等功能。该电源系统可应用在仪器仪表、笔记本电脑、移
23、动电话，随身听，无线电话机、M P E G 播放机，数码相机和各种充电器等产品中。本论文采用C a d e n c es p e c t r e、H s p i c e 工具和德国x-F A Bs e m i c o n d u c t o rF 0 u n d r i e s 的x D l O H _ 一1 o u mM o d u hD 蹦0 S6 5 0 V 工艺进行仿真验证。x D l 0 H工艺模块提供了五个工艺角(n I I、w z、w o、w p、w s)，可充分反映各种工艺偏差对器件参数的影响。1 3 2 本文的创新点与以往相关毕业论文【l o】不同，本文主要侧重于单片开关电源
24、智能化控制，考虑了A c D c 开关电源的安全性问题、待机低功耗问题和如何在源头减小E M I的问题。本文的主要创新点如下：1)在参考国外同类产品基础上博采众长重新设计了整个开关电源系统的智能数字控制电路，实现了对整个系统的智能控制，并通过仿真验证了其达到了智能控制的设计要求。该电路与欠压锁定检测电路、故障重启检测电路、过载检测电路和过热检测电路一起构成了整个开关电源的智能安全保护电路系统。2)为了降低待机功耗，提高轻载时的电源效率，为系统增加跨周期控制的功能并设计了相应的控制电路。在正常工作的时候，采用脉宽调制技术来稳压；在轻载时，采用脉宽调制和跨周期相结合的技术来稳压，从而使轻载时的效率
25、与正常T 作时相同，即效率不随负载变化，从而实现了低待机功耗。同时通过限制跨周期时的峰值电流，消除了可能产生的音频噪声【”l。3)从减小开关电源的电磁干扰(E M I)出发【4】【1 钔，设计了具有频率抖动特性的振荡器电路。用芯片外接电容上的电压作为调制信号来调制开关频率，从而上海大学硕：1：学位论文修改噪声辐射的频谱，降低开关电源自身的E M【，达到了从源头减小E M I 噪声和降低开关电源系统设计成本的目的。1 4 本文的组织结构第一章介绍了单片开关电源的发展趋势，阐述了本文的选题意义，给出了本文的研究内容和创新点。第二章阐述了智能电源控制芯片所应用的系统原理拓扑结构以及控制方法的原理与特
26、点，给出了智能电源控制芯片的基本结构、工作原理和部分模块的设计指标。第三章详细阐述了智能电源控制芯片的基本模块设计，包括基准电压源，芯片里供电电压和偏置电压产生电路一电压调节器模块、上电复位电路、驱动电路和高压启动电路，并给出了仿真验证结果。第四章详细阐述了低待机功耗控制电路的设计。分析了开关电源中存在的损耗类型，阐述了低待机功耗控制工作方式跨周期模式，在此基础上提出了跨周期工作模式的集成控制电路，并给出了仿真验证结果。同时通过限制跨周期时的峰值电流，消除了可能产生的音频噪声。第五章从开关电源的安全保护出发，给出了欠压锁定、过载、过热和过流等保护的检测电路和保护电路的智能数字控制模块，并给出了
27、仿真验证结果。第六章分析了开关电源的电磁兼容性，阐述了本开关电源中减小E M I 采用的新技术频率抖动技术，最后提出了具有内建频率抖动特性的振荡器模块并给出了仿真验证结果。第七章为本课题的总结与展望。上海大学硕士学位论文第二章智能电源控制芯片的系统原理开关功率电路的电路拓扑分为电流模式控制和电压模式控制。电压模式控制是对输出电压进行采样并通过电压负反馈环进行控制，达到稳定输出电压的一种控制方法。电流模式控制是采用电压、电流双环控制达到稳定输出电压的一种控制方法，内环为对开关管电流或电感电流进行采样控制的电流负反馈环，外环为对输出电压进行采样控制的电压负反馈环，只要系统中电流稍有变化，占空比可以
28、较快地被调节来稳定输出电压，从而极大地改善了开关稳压电源的动态响应。开关电源实现电流型控制主要有峰值电流型控制和平均电流型控制两种类型 1 5 16 1。由于峰值电流型控制方法的控制环易于设计，具有简单、自动的磁通平衡功能且具有瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能，被许多开关电源系统所采用。从安全性角度，开关电源常采用高频变压器将交流电网与用电设施相隔离，其中隔离型电路分为反激型电路和正激型电路。由于反激型电路的结构最为简单，元器件数少，不含有正激结构的输出滤波电感，更加节省成本和尺寸，广泛应用于数瓦数十瓦的小功率开关电源中1 7”】。本文设计的集成高压L D M O s 于一体
29、的智能A c-D c 开关电源芯片旨在应用在输出功率为几瓦几十瓦电源系统中，因此为了减小整个系统的成本且使其控制环易于设计，芯片系统采用峰值电流控制法的反激型电路。为了更好的理解芯片的工作原理，下面介绍其系统拓扑结构一反激型电路和系统控制方法一峰值电流型控制的工作原理及特点。2 1 智能开关电源芯片的系统拓扑结构一反激型电路对于A c D c 开关电源来说，安全性居于首位，因此采用高频变压器来隔离高压和低压电气环境，从而使输出端免受来自交流市电的危险，同时采用线性光耦合器在高压和低压电气环境之间提供一个信息采样的安全接口，构成光耦反馈上海大学硕士学位论文图2 1 智能开关电源的系统框图电路。图
30、2 1 给出了智能开关电源芯片的反激型系统框图。当高压L D M O s 开通时，输入电压源(整流后的电网电压)上的电压加到了反激型变压器的初级绕组上，由于输出整流二极管反偏使得变压器的次级绕组不导通。电流检测电阻如上的电压降随初级电流的升高而升高。当初级电流(R s 上的电压降)上升到预先定义的值时，通过P w M 比较器的控制，输出低电平，关断高压管。根据楞次定律，变压器电感电流不能突变，导致变压器绕组上的电压方向反转，此时输出整流管正偏，变压器次级开始传输能量到负载并对电容进行充电。一个周期导通阶段变压器存储的能量为E=L p i 2 p p k(2-1)因此输出功率为P 0 u t=L
31、 p i 2 p p k-f o p(2-2)其中，k 为工作频率。在开关管关断期间，次级绕组的电流从峰值电流i。D k 线性下降，其值为i s p k：p p k 墅(2 3)n s其中，n D、n。为初级绕组和次级绕组匝数。上海大学硕士学位论文在开关管关断期间，磁芯释放能量的时间为。=警Q 4，其中，L。为次级电感，i 咄为次级电流，V。为次级电压。当电源过载时，输出电压V。下降，但L。-i。k 为常数。对于这种情况，磁芯放电的时间要大于正常工作时的时间，而芯片中振荡器的周期与磁芯的磁化无关。因此当开始下个周期时，可能磁芯没有完全退磁，这将导致下个周期里初级电流从一个不为零的电流值开始，而
32、这个值是由变压器磁芯里剩余的能量决定的。此时电源系统进入连续电流模式。由于这种情况下输出整流管要消耗很大的能量，所以要尽量避免这种情况的发生，保证电源系统工作在断续电流模式【”J。B0Bt0N：1 L”I：I 么l 么。N：1)L；N：2心La)电流连续模式b)电流断续模式图2 2 反激型电路电流连续和断续时变压器磁通密度与绕组电流的关系从另一个方面来说，因为反激型电路变压器的绕组w 1 和w 2 在工作中不会同时有电流流过，不存在磁动势相互抵消的可能，因此变压器磁芯的磁通密度取决于绕组中电流的大小。图2 2 给出了反激型电路的变压器磁通密度与绕组电流的关系。从图可以看出，在最大磁通密度相同的
33、条件下，连续工作时的磁通密度变化范围B 小于断续方式。在反激型电路中，B 正比于一次绕组每匝承受的电压乘以开关处于通态的时问t o n，在电路的输入电压和t o n 相同的条件下，较大的B 意味着变压器需要较小的匝数，或较小尺寸的磁：占。从这个角度来说，反激型电路工作于电流断续模式时，变压器磁芯的利用率较高、较合理，故通常在上海大学硕士学位论文设计反激型电路时应保证其工作于电流断续方式【1 7】。基于以上分析，本文设计的智能开关电源芯片工作在电流断续模式。根据文献口0】，为了保证电路工作在电流断续方式，要留O 2 T 的时间裕量，即T o n+I p O 8 T，(T r 为变压器次级侧释放能
34、量的时问)。为此本文振荡器的占空比定为7 2。2 2 智能开关电源芯片的系统控制方法一峰值电流型图2-1 同时给出了所设计的开关电源电路的峰值电流型控制的结构框图。在峰值电流型控制中，用于脉宽调制的锯齿波电压不是通过振荡器产生的，而是直接从取样电路R 5 上获得的电压。当开关管导通时，从输出采样的误差信号通过线性光耦合器反馈到P W M 比较器的正相输入端，设此电压为V e，该电压作为整个开关电源系统的电流控制电平。当加在P w M 比较器负相端的正比于I d s 的电流取样信号V s(三角波，其频率为开关频率)升至V c 时，P w M 比较器输出一个负脉冲加至锁存器的复位端，锁存器输出低电
35、平使开关管关断。从开关管导通到V s _ V 的这段时间决定了开关管导通的脉冲宽度，从而决定了系统在该时刻的占空比。如图2 3 所示。兀刁刁丽二R广 厂 厂 厂 厂 IQ图2 3峰值电流型的控制波形由于某种原因I o 变大，导致输出电压降低，通过光耦反馈v c 增大，占空比变大，通过变压器传送更多的能量到负载端，从而使输出电压升高：或由于某种原因V i n 变大，一方面导致变压器存储能量增大，使输出电压变大，通过光耦反上海大学硕士学位论文馈V c 减小。另一方面V i n 变大，导致I d s 电流的变化率增大，v s 上升的斜率增大，导致V s 达到V c 值的时间变小。在这两个方面的共同作
36、用下，占空比被快速调节减小，输出电压被降低，从而达到了稳压的目的。同理，可得I o 或V i n变小时的稳压过程。可见，当I o、V j n 发生变化时，系统都可以快速调节开关管的占空比，从而达到快速稳压的目的。由文献口1】2 1 知，对于工作在电流连续模式的采用峰值电流型控制的开关电源，占空比大于5 0 时，会出现次谐波振荡现象，导致电源不能稳定工作，因此必须加斜坡补偿电路加以改善：而对于工作在电流断续模式的采用峰值电流型控制的开关电源，即使占空比大于5 0，也不会出现次谐波振荡现象，因此不需要加斜坡补偿电路。综上，本芯片由于应用在反激型电路结构的A C D C 开关电源系统中，因此采用电流
37、断续模式的峰值电流型控制方法，不需要加斜坡补偿电路，从而简化了芯片的设计。2 3 智能A C D C 开关电源芯片的整体结构及工作原理通过以上几节对开关电源系统拓扑结构和控制方法的阐述，奠定了理解芯片内部电路的基础。整个芯片内部框图如图2 4 所示。其中，H v 管脚接交流整流以后的高压电压，D 管脚接变压器绕组的一边，v c c 管脚接外电容从而提供芯片的供电电压，F B 管脚接光耦反馈电压，A J 管脚用来调节开始跨周期的电平，G n d管脚接地。芯片里包含基准电压源、电压调节器、高压启动电路(动态自供电)、上电复位、欠压锁定、振荡器、跨周期比较器、P w M 比较器、驱动电路、过热保护、
38、过载保护等模块。其中根据整个芯片电源系统及仿真模型的考虑，高压管仿真时选择n d 6 5 d 模型，其导通电阻在V g s=1 0 V、I d-3 5 m A 时为8 5o；阈值电压的典型值为1 4 V，最小值为O 9 V；漏源击穿电压典型值为7 0 0 v，最小值为6 5 0 v。该功率开关管允许的最大开关电流为0 5 A。基准电压源模块提供一个恒定的电压，作为整个芯片甚至整个智能电源的参上海大学硕士学位论文图2 4 芯片的整体结构框图考电平，其精度和稳定性直接决定了整个系统的精度。因此该基准电压源需要能在很宽的输入电压和温度变化范围内保持稳定，以达到整个系统设计的精度，为此本文采用能隙基准
39、电压源。基准电压源的输出电压为1 2 7 V 左右，而为了正常工作，芯片内部模块需要不同值的供电电压、参考电压和偏置电压。因此，芯片里除需要设计基准电压源模块外，还必须增加设计电压调节器模块，来进行电平转换，并给予一定的驱动能力。由于整个芯片在上电的过程中，芯片外接供电电压V c c 是逐渐上升的，希望基准电压建立以后，其它的工作模块才开始工作，驱动L D M O s 管。因为这样不仅能减小功耗，还可以将L D M o s 管的栅电压下拉以保护该高压管，从而保证电路的正常工作。为此需要加上电复位电路。由于高压L D M O s 的极间电容较大，在高速开关通转换过程中都存在电压与电流重叠的时间区
40、间，导致L D M 0 s 的功耗很大口”。为此需要设计满足下列条件的驱动电路：1 触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度；上海大学硕士学位论文2 开通时为栅极提供低电阻充电回路，关断时为栅极提供低电阻放电回路，且提供足够大的充放电电流，以提高高压L D M 0 s 的开关速度；3 为了使高压L D s 可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在其截止时应提供足够低的栅源电压。芯片直接由电网市电供电，通常采用高压启动电路对外接电容充电来提供整个芯片的供电电源，即动态自供电。当电路开始工作时，高压启动电路将输入电源与内部电路隔离，使输入电压中的纹波不会影响到内部电路，对内部
41、电路起到保护作用。开关电源的工作频率为1 0 0 K H z，因此需要设置振荡器模块。振荡器输出的方波决定高压L D M O S 的最大导通占空比和工作频率。为了保证整个开关电源工作在电流断续模式，高压管导通占空比的最大值选择为7 2(如2-l 节所述)，因此产生的方波的占空比为7 2，周期为1 0 u。方波通过时钟产生电路产生整个系统的时钟脉冲，来控制高压管导通的起始时刻。开关频率的选择要综合考虑多种因素，从减小开关电源体积考虑，开关频率越高越好，但开关频率提高时，电源的损耗也会增大。因此综合考虑小型化和电源的效率，开关电源的频率定为1 0 0 l(H z【矧。另一个方面，开关管工作在高频，
42、增强了由电源结构的交互作用和有源器件产生的电磁干扰(E M I)频谱，因此极大地造成了电源质量的下降和E M I噪声的增加川【。为了从源头减小E M I，该振荡器设计为具有频率抖动特性。为了降低开关电源的待机功耗，提高轻载时的电源效率，芯片中设计了由跨周期比较器、时钟产生电路和R s 触发器组成的跨周期控制电路。为了保证芯片进入正常的工作状态，并能够稳定的工作需要使芯片的供电电压v c c 有个电压窗口，使芯片在最大阈值电压(V c c=1 1 4 V)时开始工作，当下降到最低阈值电压(v c c=9 8 v)以下才关断，因此需要欠压锁定电路。此外，芯片内部又集成了过热保护电路、过载保护电路，
43、以及由P w M 比较器和前沿消隐电路组成的过流保护电路。高压L D M O s 管在工作时存在很大的功耗，引起整个：出片温度升高，为了保证芯片里电路的正常工作，需要加过热保护电路。当芯片的温度超过所设定的最高结温时，输出控制信号关断高压L D M O s 管，使芯片的温度下降，当芯片的温上海大学硕士学位论文度降到容许值时，输出控制信号开启高压L D M 0 s 管。为了在电源过载或输出短路时保护电源，需要加过载保护电路。在这种情况下，高压L D M o s 管导通时，可能会有足够大的电流流过高压管使其烧毁。为了防止高压L D M O s 管被烧毁，可以通过R s 进行电流检测，通过P w M
44、 比较器输出低电平关断开关管：当故障消除后，整个电路又继续正常工作。同时还要考虑由于高频变压器绕组的分布电容及高频整流管的反向恢复时间等参数的影响1 8】，高压L D M O s 管每次导通时都会在R s 上形成一个尖峰电压。如果不加措施，就会使控制电路误判断，导致高压管一导通就关断，使开关电源无法正常的工作。为了消除这个现象，在P w M 比较器(过流比较器)的负相端之前加前沿消隐电路，给R s 上的检测电压一段时间延迟，从而避免了刚导通时的尖峰电流引起的误判断。同时注意到如果该延时时问过小，有可能高压管的输出还没有稳定就关断，则达不到防止误动作的目的；但如果该延迟时间过长，过电流情况确实发
45、生，高压管可能在这段时间内过热烧毁。因此充分考虑这些情况，本文设定前沿消隐电路的延迟时间为2 3 0 n s。下面简要介绍芯片里电路的工作过程：刚开始上电时，高压启动电路开启，对外接电容c 进行充电，在这个过程中芯片里的供电电压逐渐建立，上电复位电路输出低电平来复位电路中的模块，当v 圯达到9 8 V 时，上电复位电路输出高电平，此时并不对电路产生影响。当电容c 上的电压V c c 达到欠压锁定模块的上限阈值电压、r o H 时(v o H=1 1 4 v)，欠压锁定模块才输出一个控制信号关断高压启动电路，使其停止对外接电容的充电。这时电压基准模块和电压调节器模块产生的内部供电电压已经建立，芯
46、片开始工作。振荡器输出脉冲信号，经驱动电路驱动开关管导通。下面分两个阶段讲述：一、输出电压v o u t 建立过程，即没达到稳压值阶段；二、输出电压V o u t 已经建立，即稳定电压阶段。1)输出电压v o u t 建立过程在输出电压v o u t 没有达到稳压值期间，F B 端的反馈电压高于跨周期比较器负相端的比较电压，跨周期比较器输出高电平，对系统不产生影响。对于P w M比较器来说，这段时间、，o u t 小于稳压值，则一个周期内，v j v s 的时间长，P w M上海大学硕士学位论文比较器输出占空比很大的脉冲来驱动开关管使其导通。从而通过变压器向负载输送能量，使输出电压V o u
47、t 升高。2)稳压阶段在v o u t 建立过程中，外接电容c 释放了很多的能量以供给芯片内部电路工作所需。当V c c 下降到欠压锁定模块设定的下限阔值电压v o L(v o L=9 8 v)且无故障出现时，通过欠压锁定模块输出控制信号开启高压启动电路，对电容c 充电，保证了整个芯片的正常工作。当充到V()H 时，再关断高压启动电路。在这个阶段中，通过线性光耦合器将输出端的负载情况反馈到P w M 比较器的正相端，同时通过检测电阻把输出电流或输入电压的变化反应到P w M 比较器的负相端，从而进行脉宽调制，输出占空比变化的驱动脉冲，从而稳定输出电压。当发生过热、过载和过流故障的时候，通过保护
48、电路的控制即时地关断高压L D M O s 管，保证系统的正常工作。当系统工作在轻载时，输出电压V 0 u t 大于稳压值，F B 端的反馈电压小于跨周期比较器负相端的比较电压，跨周期比较器输出低电平，从而屏蔽一些驱动脉冲，在这个工作状态下，系统不仅通过P w M 比较器调节输出占空比，而且通过跨周期比较器屏蔽掉一些驱动脉冲，实现双重调节稳压的目的。由于本文侧重开关电源芯片智能控制使节能效果更好，因此从第三章开始将分四个方面讲述芯片里的电路模块，即A c D c 开关电源的基本电路模块、安全保护电路模块、低待机功耗控制电路模块和具有频率抖动特性的振荡器模块。其中基本电路模块中介绍了基准电压源、
49、电压调节器、上电复位电路、驱动电路和高压启动电路等电路的实现。安全保护电路模块介绍了欠压锁定检测电路、故障重启检测电路、过载检测电路、过热检测电路、智能数字控制模块和过流保护(P W M 比较器)等电路的实现。低待机功耗控制电路模块介绍了跨周期比较器和由时钟产生电路和R s 触发器组成的数字控制电路。2 4 设计指标本论文各模块的参数指标具体如下：(工作温度范围选为工业应用温度范围：一2 5 8 5)上海大学硕士学位论文1)基准电压源a)温度系数温度从一2 5 8 5 变化时，变化率5 0p p m 0 c。b)电源抑制芯片的供电电压从9 8 V 1 1 4 V 变化时，线性调整率【注l】O
50、2。2)电压调节器中的6 v 供电电压源a)温度系数温度从一2 5 8 5 变化时，变化率5 0p p n 抛。b)电压调整率芯片的供电电压从9 8 V“4 V 变化时，线性调整率1。c)负载调整率输出电流从1 l A 5 l A 变化时，负载调整率【往2】0 0 1。3)电压调节器中的5 2 V 供电电压源a)温度系数温度从一2 5 8 5 变化时，变化率5 0p p m，0 c。b)电压调整率芯片的供电电压从9 8 v 1 1 4 V 变化时，线性调整率1。c)负载调整率输出电流从1 0 0 u 1 I I l A 变化时，负载调整率O 0 1。4)驱动电路a)输出电压上升时间(c L=l