（微电子学与固体电子学专业论文）开关功率变换器中新型控制模式研究.pdf

摘要 摘要 离线式单片电源管理i c 是近年来发展的新型功率集成电路，推动了电源系 统向高功率密度、小外形尺寸、高效率、高性能、高可靠性、高功率因数( a c 输入端) 的方向发展。本文设计了一种可广泛用于手提式电脑、p c 机、a d s l 、 移动通讯设备、p d a 等便携设备的中小功率离线式单片电源管理i c 。其基本设 计指标为：最高耐压7 0 0 v ，最大输出电流2 5 0 m a ，工作频率1 3 2 k h z ，转换效 率大于9 0 ，输入交流电压范围8 5 2 6 5 v ，输出功率4 - - 6 瓦。本课题源于国 家8 6 3 项目“智能功率集成技术研究”( 2 0 0 2 a a i l z l 5 4 0 ) 。 在电路设计中，本文首次创新地提出极限电流模糊控制模式l c f c ( c u n e n t l i m i t f u z z y c o n t r 0 1 ) 。l c f c 可与p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 、p f m ( p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 或p s m ( p u l s es k i pm o d u l a t i o n ) 混合进行调制。l c f c 具 有响应速度快、对纹波的抑制能力强、负载调节能力强等特点。同时本文还分 析了p w m 、p f m 和p s m 调制方式的工作原理及其各自的优缺点；设计了种 频率抖动电路来降低e m i 干扰；设计了自动重启、线欠压检测保护电路和常规 的过流、过温、过压保护电路。 本文还介绍了开关功率变换器中的关键器件一一单晶衬底上l d m o s 的设 计方法。它以深结扩散的n 阱作漂移区，应用双r e s u r f 技术等多种终端结构 提高l d m o s 的耐压，降低导通电阻。经过优化设计，模拟得到了耐压7 5 0 v 导 通电阻4 7 5 q c m 的l d m o s 结构参数。 在工艺设计中，抛弃了传统外延工艺，采用新型b c d ( b i p o l a r c m o s d m o s ) 工艺在单晶衬底上实现了低压控制电路和高压功率器件的集成。同时掩模版数 量少，生产成本大大降低。 完成了电路设计、器件设计、工艺设计和版图设计及验证。整体电路的模 拟表明电路完成了设计功能，达到设计指标；关键器件耐压、比导通电阻均满 足要求；采用与传统外延工艺相区别的单晶衬底工艺来实现该电路。 关键词：离线式单片电源管理i c ；极限电流模糊控制模式；p w m ；p f m ；p s m e m i ：高压l d m o s ；b c d 工艺 a b s t r a c t a b s t r a c t o f f - l i n es i n g l es w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) i s o n eo fn e w p o w e r i cd e v e l o p i n gi nr e c e n ty e a r s ，i tp u s h e st h ed e v e l o p m e n to fp o w e r s y s t e mw h i c h h a st h ev i r t u e so fh i g hi n t e g r a t i o nl e v e l ，l i t t l es i z e ，m o s tc o s te f f e c t i v e ， h i g hp e r f o r m a n c e ，h i g hs t a b i l i t y , h i g hp o w e r f a c t o r ak i n d o fo f f - l i n e s i n g l e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n t e g r a t e dc i r c u i tw s sd e s i g n e dt o b ew i d e l y u s e di nl a p t o p ，c o m p u t e r ，a d s l ，p o r t a b l ec o m m u n i c a t i o nd e v i c e s ，p d ae t c t h e d e s i g ng o a lo f t h ec i r c u i t ：b r e a k d o w nv o l t a g ei s7 0 0 v , o u t p u tc u r r e n ti s2 5 0 m a ，t h e f i e q u e n c yo fo p e r a t i o ni s 13 2 k h z ，c o n v e r te f f i c i e n c yi sa b o v e9 0 ，i n p u tv o l t a g e a c 8 5 2 6 5 v , o u t p u tp o w e r4 - 6w a t t t h ep r o j e c ti so r i g i n a t e df r o mt h en a t i o n a l h i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m ( 8 6 3p r o g r a m ) ”t h er e s e a r c h o f s m a r tp o w e r i n t e g r a t e dt e c h n o l o g y ”( 2 0 0 2 a a l l z l 5 4 0 ) d u r i n g c i r c u i t d e s i g n i n g ，f i r s t l yp r e s e n t s t h ec r e a t i v ec u r r e n tl i m i tf u z z y c o n t r o lm o d e ( l c f c ) l c f c c a nw o r k t o g e t h e r w i t hp w m ，s u c ha sp f ma n dp s m t h ea d v a n t a g e so fi ta r ef a s tt r a n s i e n tr e s p o n s e ，s t r o n ga b i l i t i e so fr e s t r a i n i n gr i p p l e m a dl o a d r e g u l a t e d t h e t h e s i s c o m p a r e sp w m ，p f ma n dp s m ，r e s u l t i n g i n c o n c l u s i o n so ft h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h ec i r c u i to ff r e q u e n c yj i t t e ri s d e s i g n e d t od e c r e a s ee m i ，t h e nd e s i g na u t o r e s t a r t ，l i n ev o l t a g ed e t e c t i n ga n d p r o t e c t i n g c i r c u i t sa n dc o n v e n t i o n a l o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n ，o v e r 。t e m p e r a t u r e p r o t e c t i o n ，o v e r u n d e rv o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t s al d m o si sr e s e a r c h e da sk e yd e v i c ei nt h i st h e s i s ；i ti sf a b r i c a t e dt h r o u g ha s i n g l ec r y s t a lp r o c e s si n s t e a do fc o n v e n t i o n a le p i t a x i a lp r o c e s s t h e d r i f tr e g i o no f l d m o si sf o r m e db yn t y p ei m p u r i t yd e e pd i f f u s i o n m u l t it e r m i n a t i o nt e c h n o l o g i e s a r e a p p l i e d t o i m p r o v et h e b r e a k d o w nv o l t a g e ，m a dd e c r e a s er o n t h es t r u c t u r e p a r a m e t e r o fl d m o si so b t a i nt h r o u g hn u m e r i cs i m u l a t i o n ，w h o s eb r e a k d o w n v o l t a g ei s7 5 0 v a n dr u n e q u a l s4 7 5q 。c n l i no r d e rt or e a l i z et h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n t e g r a t e dc i r c u i t ，a n o v e lb c dp r o c e s s i s i n t r o d u c e d ，a n d t h ec o n v e n t i o n a l e p i t a x i a l p r o c e s s i s 2 a b s t r a c t a b a n d o n e d i nt h i s p r o c e s s ，l o wv o l t a g e c i r c u i ta n dh i g hv o l t a g ep o w e rd e v i c ei s i n t e g r a t e do n a s i n g l ec r y s t a ls u b s t r a t e s ot h en u m b e r o fm a s k si ss of e wt h a tt h ec o s t c o u l db er e d u c e d c i r c u i td e s i g n i n g ，k e yd e v i c ed e s i g n i n g ，p r o c e s sd e s i g n i n ga n dl a y o u th a sb e e n f i n i s h e d s i m u l a t i o no ft h ew h o l ec i r c u i ti n d i c a t e st h a tt h ei ch a sa c h i e v e do u r e x p e c t a t i o n i n c l u d i n g f u n c t i o na n d p a r a m e t e rt a r g e t ；t h ek e y d e v i c es a t i s f i e s b r e a k d o w nv o l t a g e ，a n dt h el a y o u td e s i g no ft h el d m o si sg i v e n ；ap r o c e s sd i f f e r e n t f r 0 1 c o n v e n t i o n a le p i t a x i a lo n ei st a k e nt of a n i c a t et h ep o w e rm a n a g e m e n ti c ，i tm a n u f a c t u r e d e v i c e sa n dc i r c u i t so nas i n g l ec r y s t a ls u b s t r a t e k e y w o r d s ：o f f - l i n es i n g l e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n t e g r a t e d c i r c u i t ；c u r r e ml i m i tf u z z yc o n t r o lm o d e ；p w m ；p f m ；p s m ；e m i ；h i 曲v o l t a g e l d m o sd e v i c e ；b c dp r o c e s s 3 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：壶主丝孳 日期：砖年歹月妙日 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：娅 导师毖越 日期：枷哪弓年r 月彳日 第一章引言 第一章引言 近年来，为了满足不断发展的数字电子产品的需要以及人们对高效率、高 电源密度、低占位面积、高可靠性和低成本解决方案的无休止追求，对电源设 计提出了全新的要求。要满足这些新要求，离不开电源设计的创新和新一代电 源控制器的鼎力相助。新一代的电源控制电路要提供时序、占空比控制、故障 保护、回路调节和电源开关控制等功能i 。 在功率集成电子学和微电子加工技术等的快速发展下，集成了开关控制器 和高压功率器件的单片电源管理i c 应运而生。本文研制了而j 压7 0 0 v 的离线式 单片电源管理i c 并提出一种新型控制模式：极限电流模糊控制( l c f c ) 。它涵 盖高压功率器件、控制和集成理论，为当前开关电源发展的典型代表。 1 1 国内外动态 随着通信、便携式产品设备的高速发展，中小功率电源变换器得到迅速发 展，也对相应的电源系统提出高功率密度、外形尺寸小、高效率、高性能、高 可靠性、高功率因数( a c 输入端) ，以及智能化、低成本、e m i 小、可制造性 ( m a n u f a c t u r a b i l i t y ) 、分布电源结构( d i s t r i b u t e dp o w e ra r c h i t e c t u r e ) 的要求。中小 功率电源变换器是指输出功率位几十毫瓦至几十瓦、输出电流限定在1 0 1 0 0 0 m a 的交流直流或直流直流变换器。按照一般分类，中小功率电源变换器 中的控制i c 可以分为以下几种：1 a c d c 离线调节器：a c d c 离线调节器内 含低压控制电路及高压开关管。2 功率因数校i ( p f c ) 预调器：这些i c 提供具 有功率因数校正功能的电源输入电路。3 脉宽调制脉频调n i ( p w m p f m ) 控制 器：内含脉冲宽度调制脉冲频率调制控制电路，用于驱动外部开关。p w m p f m 控制器与开关调节器之间的区别是：控制器驱动外部开关( f e t ) ，丽调节器将开 关管集成到内部。4 d c d c 调节器：包括升压降压调节器以及电荷泵。5 线 性调节器：线性调节器包括正向和负向调节器，以及低压降l d o 调节器。6 电 池充电管理i c ：包括电池充电、保护及电量显示i c ，以及可进行电池数据通讯 的“智能”电池i c ”j 。 开关功率变换器中控制模式主要包括p w m 和p f m ，p w m 和p f m 各具自 第一章引言 身优点。p w m 即恒频调宽的调节模式，具有负载调节能力强而输入电压调节能 力弱的特点；p f m 即恒宽调频的调节模式，具有效率高而调节能力弱的特点。 低负载下p f m 效率相对更高，而p w m 的负载调节能力更强f 16 】f ”】。目前出现新 的调制方式，如p w m 和p f m 混合调制，p s m ，电流极限状态机调制方式旧 【1 7 】。而本文提出一种新型控制模式l c f c 能很好解决上述缺点。 集成开关功率变换器中的功率开关管主要是功率m o s f e t 、i g b t 等高压器 件，由于功率m o s f e t 宜于工艺上与低压b i c m o s 兼容，还有利压高、低导通 电阻、低电容和低阈值电压的特点，有利于高频工作。因此集成开关电源i c 一 般以集成功率m o s f e t 为主。美国p o w e r i n t e g r a t i o n 、t i 、m o t o r o l a 、o n s e m i 、 m a x i m 、s t 、i n f i n e o n 等著名公司都开展了离线式单片集成电源管理i c 的研究， 并已经在市场上推出了大量的产品，典型代表有t o p s w i t c h 系列、t i n y s w i t c h 系列、m c 3 3 7 0 系列。这些i c 具有高效、小功率、低成本、体积小的特点，具 有广阔的市场前景，特别适合作为便携式设备的电源，是当前开关功率变换器 快速发展趋势中的又重要分支。雎6 j 1 2 实用价值与理论意义 半导体功率器件的不断发展使许多电子产品越来越小而轻，这些小、轻而 功能丰富的终端产品广泛应用于计算机和通信，如手提式电脑、p c s ( p e r s o n a l c o i n m u n i c a t i o bs e r v i c e s ) 和p d a “。由于便携式设备功能、性能和体积上不断 进步，功耗逐步增加。因此电源管理成为延长电池寿命、增加待机时间和减小 发热量的关键因素。目前低压的d c d c 变换器受到极大关注且目前效率已经达 到9 4 以上。移动设备对于体积和重量的要求推动充电器等a c 适配器中离线 式单片电源管理i c 的发展f 1 9 。在目前p o w e r i n t e g r a t i o n 公司推出的t o p 和t i n y 等系列i c 中得到充分体现，该公司也以其独特的电源管理i c 产品独树一帜， 最近几年在半导体业界取得优异业绩。 与传统分立元件构成的开关电源相比，单片集成的开关功率变换器具有许 多的优点：1 ) 高效率，最近国外小功率d c - d c 开关电源模块( 4 8 1 2 v ) 总效率可 达到9 6 ；4 8 1 5 vd c d c 开关电源模块的效率可达到9 2 - 9 3 。2 ) 开关电源动 态性能高。3 ) 电路简单、e m i 小、可靠、高效，可较精确地调节输出电压。4 ) 功率因数高，可达09 2 0 9 3 。5 ) 负载范围宽等特点【2 “。 尤其a c d c 离线功率变换器优势明显，该变换器包括一块控制器和高压功 第一章引言 率器件组成的i c 、变压器、光藕、整流回路和一些滤波元件。与传统采用工频 变换技术的相控电源相比，采用大功率开关管的高频整流电源，在技术上是一 次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体大笨重 的工频变压器及滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小 了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步 提高 “。 从理论角度，本课题亦具有重大理论意义。最近提出的p s o c ( p o w e rs y s t e m o nc h i p ) 概念即以该系统为雏形建立。p s o c 结合了功率电子学、微电子电路 领域相关理论，符合当前集成电路s o c 玎p 的发展思路。从功能的角度，将高压 功率器件和低压电路分为单独的i p 核；从系统架构的角度，将各个i p 核集成即 成为一个p s o c 系统。s o c 的发展也将推动p s o c 成为未来功率集成电路的发 展方向之一。以本课题设计的开关功率变换器中的i c 为例，包括7 0 0 v 的 l d m o s 、p s m 和电流极限状态机结合的低压控制电路及相关保护电路，还有降 低e m i 的频率抖动电路。由于功率器件导致工艺也区别于常规c m o s 、b i c m o s 工艺，本i c 采用p 型单晶衬底无须外延的b c d ( b i p o l a r c m o s l d m o s ) 工艺， 掩模版数量少，生产成本大大降低。 本课题源于国家8 6 3 项目“智能功率集成技术研究”( 2 0 0 2 a a 1 2 1 5 4 0 ) 。本 项目在7 0 0 v 的l d m o s 设计、控制模式、工艺设计上有独到的优点，器件和电 路设计特点鲜明，具有重大的理论和应用研究价值。本文所设计的离线式单片 电源管理i c ，集成低压p s m 控制器和高压功率器件，具有体积小、效率高、成 本低等优点具备广泛市场应用前景，成为各大公司竞相研究项目。 1 3 本文所完成的工作 本文完整设计了耐压7 0 0 v 离线式单片电源管理i c 。包括系统定义、功能划 分、电路设计、器件设计、工艺开发、版图设计和验证，通过了整个i c 设计流 程。并对开关功率变换器的控制模式进行了深入分析。 第一章分析目前电源管理i c 的国内外发展动态及其分类，离线式单片电源 管理i c 的实用价值和理论意义及所完成的工作。 第二章分析开关功率变换器的电路拓扑结构、控制模式和调制方式，比较 p w m 、p f m 和p s m 几种调制方式的优缺点。进一步设计离线式单片电源管理 第一章引言 i c 系统框图及各功能子电路。 第三章提出新型控制模式l c f c ，与电流极限状态机调制模式相比性能 进一步提高。根据状态空间平均法建立单端反激式功率变换器的数学模型，根 据模糊控制的基本理论、般步骤和方法，设计l c f c 。建立b u c k 模式d c d c 变换器的s h n u t i n k 模型，分析l c f c 的稳定性和响应特性，与传统的p w m 模 式进行比较。 第四章设计保护电路中过流保护、过温关断、过压欠压比较器、自动重启 计数器电路，分析每卜子电路直流和交流特性及比较器的失调分析。 第五章设计b c d 工艺中的器件结构，模拟l d m o s 的而j 压特性和导通电阻 对器件结构和参数进行优化，直至满足指标要求。利用工艺仿真软件确定工艺 流程，并通过器件模拟工具提取器件参数。 第六章设计l d m o s 和电路的版图，提出数模混合电路版图设计中的注意 事项和一般步骤，自己手工编写d r c 和l v s 文件，版图在c a d e n c e 上通过d r c 和l v s 物理验证。 第七章总结本文所完成的工作。所有电路、器件、工艺均在业界主流e d a 软件仿真通过并满足设计要求，前端和后端设计已经完成。 第二章离线开关功率变换器拓扑结构 第二章离线开关功率变换器拓扑结构 电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。标志电源特性的参数有功率、 电压、频率、噪声及带负载时参数的变换等。在同一参数要求下，又有体积、 重量、形态、效率、可靠性等指标，人可照此去“塑造”和完美电源，因此电 源的形式是极多的。一般电源要经过转换才能符合使用的需要。 按照电力电子的称谓，a c - - d c ( a c 转换成d c ，a c 表示交流，d c 表示直流) 称为整流及离线式变换，d c - - a c 称为逆变，a c - - a c 称为交一交变频，d c - - d c 称 为直流变换。凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一种形 态的主电路都叫做开关变换器，转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节 则称为开关电源。离线式开关变换器( o f f l i n es w i t c h i n gc o n v e r t e r ) ，是a c - - d c 变换，常称为开关整流器，它不单是整流的意义，而且整流后又做了d c - - d c 变换。所以离线并非变换器与市电无关，只是变换器中有高频变压器隔离， 故称为离线u ，。 2 1 开关功率变换器的电路拓扑结构 开关功率变换器按照主回路拓扑可以分为四种：b u c k 变换器、b o o s t 变换 器、b u c k - - b o o s t 变换器和c u k 变换器。 b u c k 变换器也称为降 压变换器，如图2 1 所示。 s 闭合后，除向负载供电 外，还有部分能量储存 于l ，c 中，v d 截至。s 断 开时，l 上产生极性为左 负，右正的反电动势，使 v d 导通，l 中的电能传送 给负载，维持输出电压不变。 图2 - 1b u c k 变换器电路 一堑三里童垡茎差垫垩銮垫墨堑盐堕塑 b o o s t 变换器也称升 压变换器，如图2 2 所示。 s 闭台后，l 上有电流流过 而储存电能，续流二极管 v d 截止。s 断开后，l 上产 生的反向电动势极性为右 负，左正，使v d 导通，l 上储存的能量经v d 向负载 供电。 b u c k b o o s t 变换器 如图2 3 所示。当s 导通 时，电流流过l ，l 储存能 量，当s 闭合后，电流有 减小趋势，上负下正，v d 导通，负载上有了输出电 压v 。，电容c 充电储能。 图2 4 是c u k 变换器 的电路图。当开关闭合时， 输入电流使l l 储能，c 1 的放电电流使l 2 储能，并 供电给负载，开关流过输 入、输出电流之和。当开 关s 断开后，电源输入和 l l 的释能电流i 1 向c 充 电，同时l 2 的释能电流i 2 s 图2 - 2b o o s t 变换器电路 图2 - ib u c k - - b o o s t 变换嚣电路 图2 、4 c u k 变换器电路 以维持负载。流过v d 电流也为输入、输出电流之和。 2 2 调制方式 丌关模式功率变换器的调制方式主要有脉冲宽度调制( p w m ) 方式，其开关 频率恒定，通过调节导通脉冲宽度来改变占空比，从而实现对电能的控制，称 第二章离线开关功率变换器拓扑结构 之为“定频调宽”；脉冲频率调制( p f m ) 方式，其脉冲宽度恒定，通过调节开 关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为“定宽调频”；混合调制方 式，以上两种制式的复合，脉冲宽度和频率均不固定“；脉冲跨周调制( p s m ) 方式，脉冲宽度恒定，选择性的跳过某些工作周期的方式调节电能输出。 2 t 2 1p w m p w m 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r a 部产生的锯齿波进行比较，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2 5 所示。 目前p w m 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 电压控制模式。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”1 。 图2 - 5p w m 工作原理图 第二章离线开关功率变换器拓扑结构 2 2 2 p f m p f m 也是开关功率变换器中经常使用的调制方式，多与p w m 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 - 6 所示。 图2 - 6p f m 工作原理图 目前p f m 控制方式是开关电源中使用已经比较普遍，具有以下优点：在负 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m 瑚1 。 2 2 3p s m p s m 调制方式是开关功率变换器中一种新的控制方式，称为脉冲跨周调制。 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 - 7 所示。 蔓三量j ! 燮量差垫奎銮垫墨堑盐壁塑 k 黼，一_ _ 、卜r 广_ t _ c l o c k 舣厂 厂 r 门厂 广 n 广 广 广 1 1 3 r a i n 图2 ，7p s m 工作原理图 目前p s m 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 情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，功率管开关次数少，适用于小功 率电源管理i c 。存在如下缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱。， 2 3 新型离线式单片电源管理i c 本i c 是种增强型隔离式微型单片开关电源集成电路，具有高效，小功率， 低成本特性的四端单片开关电源。工作电流很低，空载时有偏置线圈时功耗小 于5 0 r o w ，无偏置线圈2 6 5 v 输入时功耗小于2 5 0 m w 。集自动重启，线欠压检 测和频率抖动于一体。采用p s m 来代替传统的p w m 调节脉宽的方式，调节速 度比一般的p w m 要快，对波纹的抑制能力大大加强。无须加反馈线圈及相关电 路，不用回路补偿，外围电路简单。 其典型应用框图如图2 8 所示，外围电路极其简单。输入交流整流后的真流 电压，经过一个相位相反的变压器，在功率管导通期间，由于二极管反偏，初 级电感储存电能，关断时，次级有电流输出。齐纳二极管击穿电压与输出电压 比较，当输出高于基准时，光藕导通将e n u v 端电压拉低，相反则e n a j v 端 电压较高。b p 外接o 1 u f 旁路电容通过d 端的高压电流源充电维持内部芯片的 供电。d 为功率m o s f e t 的漏极引脚输出。s 为功率m o s f e t 的源极连接点和 第二章离线开关功率变换器拓扑结构 公共接地端。 以下主要介绍离线式单片电源管理i c 的系统功能和工作原理。 宽 d c 洲线警电刮 i 1 f h 上1 t n 一 苞围d 2r 鼾r 1 e n f u vk 1 曲 一 。 c h i p i i b p l 、丫牛浒 2 3 1 系统及功能设计 图2 - 8 典型应用框图 出 该电源管理i c 性能上有很大的加强，系统成本低，元器件少，而且消除了 音频噪声。7 0 0 v 的l d m o s ，振荡器，高压开关电流源，电流限制以及热关断电 路都集成在一块芯片上。启动电路和工作电源都来自l d m o s 漏端，消除了次级 ：一d c m 一一 ， o c 一厂 厂 一 j1 - j l - 一 c i o c “80 图2 - 9 电流极限开关控制 偏置线圈和辅助电路。此 外，还集成自动重启，线欠 压检测和频率抖动。一种极 具创新的调制方式p s m 被使 用，极大减小了音频噪声。 自动重启电路使芯片始终 工作在安全工作区。额外的 线欠压检测电阻对母线阈 值电压可编程，消除了掉电 时输入存储电容电荷泻放 时引起的干扰。同时1 3 2 k h z 的工作频率也减小了准峰值和平均e m i ，减小了滤波元件。 采用的电流极限开关控制( p s m 与电流极限控制混合) 与普通的电流模式控 t n 呲 第二章离线开关功率变换器拓扑结构 制不同，该控制方式消除了许多电流模式控制的一般缺点，同时增加了反馈带 宽，改善了调节能力，如图2 - 9 所示。电流极限开关控制通过在每个开关周期定 义固定的输出能量来进行开关控制，通过内部的振荡器输出的时钟，在每个开 关周期的初始时刻，通过开关决定是否将固定的能量输出给次级线圈来维持输 出稳定，如果是，将等待下一个周期的到来，如此循环，否则，就在该周期输 出能量。当到达最大占空比或者线圈上电流达到极限值是开关将会关断。 2 3 2 工作原理 控制i c 的内部框图如图2 一l o 所示。总共包括基准电压源、5 8 v 调整器、 线欠压检测电路、过压欠压比较器、过流比较器、过热保护电路、振荡器、使 能检测与逻辑电路、电流极限状态机、自动重启计数器、主控门、功率m o s f e t ， 下面讲述每个功能子电路的基本功能。 图2 - 1 0 功能框图 基准电压源的作用是为整个电路提供一个标准的电压，所有的内部电压都 来源于该温度补偿的带隙基准电压源。其工作原理就是利用v t 的正温漂去补偿 第二章离线开关功率变换器拓扑结构 三极管b e 结正向压降的负温漂，从而实现零温漂。因为它不使用工作在击穿 状态下的齐纳二极管，因此其噪声电压很低。其数值约为1 ，2 0 5 v ，即硅材料的 带隙电压值。 热关断也是通过一个精确的模拟电路来实现，当温度上升到1 3 5 时，形成 个正反馈保证输出低电平关断功率管。当温度下降到7 0o c 时，输出端由低电 平变为高电平。电路又可以正常工作，滞回功能得以实现。 5 8 v 调整器通过外接电容维持芯片供电电源，过压欠压比较器使电源电压 稳定在5 8 v 启动时，通过d 端由5 8 v 调整器充电b p 端到5 ，8 v ，电路开始正常 工作。在每个工作周期之初通过使能检测电路检测e n u v 端，如果为高电平， 功率m o s f e t 导通，否则该工作周期不工作。电流逐渐升至流限时m o s f e t 关 断，m o s f e t 的最大导通时间被设定为d m a x 。振荡器为系统提供时钟信号，振 荡器的输出频率为1 3 2 k h z ，整个电路都以该固定频率工作。 使能检测与逻辑电路功能：检测e n u v 引脚来判断是否继续下一个开关周 期，一旦开始一个周期，它总会完成整个周期不管e n u v 中途的变化，这种方 式使得电源的输出波纹由输出电容、每个开关周期的能量和反馈的延时决定。 过流比较器和电流极限状态机功能：随负载的变化，通过跳周期和调节电 流极限值的方式来调整输出。满载时，大部分时钟周期内导通，同时通过电流 极限状态机调整流限到最大，以保证最大的m o s f e t 导通时间；中等负载时， 它会跳过较多的周期来保持次级输出电压的稳定，同时通过电流极限状态机调 整流限到较大，以保证m o s f e t 较多的导通时间；在轻载或空载时几乎跳过所 有的周期，此时流限达到最小，每个周期内m o s f e t 的导通时间也最短，只有 小部分周期导通以提供较少能量。 线欠压检测电路功能：如果外接线欠压电阻，在上电时，直流电压超过1 0 0 v 的阈值前，功率m o s f e t 的开关延迟，断电时，功率m o s f e t 将开关5 0 m s 才 关断。防止在输出不稳定时自动重启动，消除在待机电源等应用中由输入存储 电容缓慢放电引起的电源掉电故障。 自动重启计数器功能：在出现输出超载、输出短路和开环条件时，将进入 自动重启工作模式。每次e n u v 端被控低时，重启计数器复位。如果5 0 m s 内 e n u v 没有被拉低，将进入自动重启模式，禁止m o s f e t 开关8 5 0 m s 。自动重 启轮流使能和禁止功率m o s f e t 的开关，直到排除故障为止。 第二章离线开关功率变换器拓扑结构 结合p s m 和电流极限控制方式，是本电路的创新之处。图2 一是控制电路 的原理图。 以p s m 为主要调制 手段，同时为进一步减小 纹波系数辅助以可变电 流极限比较改变占空比。 一方面通过输入电压设 置电流极限值；另一方面 依据负载反馈信号判断 负载轻重状况判断跳过 工作周期的次数，同时通 过电流极限状态机设定 图2 1 1 控制原理图 一个状态值调节电流极限值从而达到最优的调制效率。 p s m 调制：可保证在轻载下较好的效率 逐周期流限模式：提供正反馈：保护功率管 负载状态电流极限控制模式： 改善负载调整率 主工作模式是 辅助以： 2 3 3 应用范围 p s m 调制模式 逐周期流限模式结合负载状态电流极限控制模式 该控制i c 是理想的低功耗和高效率的电源管理i c ，由于其优秀的性能特点， 有极宽广的应用范围。如手机充电器，p c 待机电源，t v 待机电源，a c 适配器， 马达控制，i s d n 或a d s l 网络终端的电源。 第三章开关功率变换器中c l f c 设计 第三章开关功率变换器中l c f c 设计 本文提出一种功率变换器中新型极限电流模糊控制模式l c f c ( l i m i tc u r e n t f u z z yc o n t r 0 1 ) 和在m a t l a b s i m u l i n k 中建立变换器模型的一般方法，该模型 不需要推导传递函数和近似，物理概念明确。并给出输入输出变量的隶属函数、 模糊控制规则和解析结果，将l c f c 与习用p w m 中的p i d 进行了比较，发现前者 动态响应速度快、负载调整率高、电压调整率高、纹波系数小。 3 1 状态空间平均法 开关功率变换器是一个非线性时变系统。因此其变换器的动态特性的解析 解的分析方法很复杂，阻碍了含这类变换器系统的动态分析和设计的顺利进行。 但在开关频率高于系统网络频率时，采用开关管导通和关断两种状态量的平均 值来代替两种状态的量值的状态空间平均法，较好地解决了p w m 型d c d c 变换 器的稳态和动态低频小信号的分析问题。 状态空间平均法是从变换器的不同拓扑下的状态空间方程出发，经过平均 一小信号扰动一线性化处理，得到表征变换器稳态和动态小信号特性的数学模 型，最后获得一个统一的电路模型。该方法的特点是，在推导过程中开始可以 不涉及变换器的具体电路，而从周期性工作的断续系统的状态方程出发，得到 表征系统稳态和动态小信号特性的一般数学描述，然后由这个数学描述得到统 一的等效电路模型，利用这一等效电路模型就可以对变换器组成的电源系统进 行闭环稳定性分析。3 状态空间平均法( 以下简称平均法) 作如下几点假设： 假设一：视开关管和二极管为理想元件 由此可得一般d c d c 变换器在一个开关周期内的状态方程为： 在0 t d t s 期间，( d 为占空比) ， 等= 爿1 x ( f ) + b 1 “，( f )( 3 一l a ) “f y ( r ) = c k ( f )( 3 1 b ) 第三章开关功率变换器中c l f c 设计 在dy s t t s 期间， 譬= 4 x ( f ) + b 2 “，( f ) c l t y ( r ) = c ；x ( t ) f 3 2 a ) ( 3 - - 2 b ) 式中：x ( t ) 状态参量，一般为电感电流i 。( t ) 和电容电压u c ( t ) ；y ( t ) 输出参量，一般为输出电压u o ( t ) 和输入电流i 。( t ) 。a ，a 。，b ，b 2 ，c c ：为相应的系数矩阵，由各电路的结构和参数决定。 为了获得描述其稳态和动态小信号特性的状态空间方程，可概括为如下几 个步骤： ( 1 ) 平均 由式( 3 - 1 ) 并作第二点假设：即假设产生动态过程的扰动信号频率f p 开 关频率f s ，即低频信号假定，则可得如下的基本状态空间平均方程( i e b 拥n ) 。 砉= ( d a ，+ d a ：) “。“码“旦雕) ( 3 - - 3 a ) y 0 ) = ( d c ? + d c 2 ) x ( t ) ( 3 3 b ) 式中d 7 = 1 一d 。 ( 2 ) 扰动 由于扰动是在稳态的基础上进行的，为此先从( 3 3 ) 中求共稳态解a 令 d = d ，u i = u 。则稳态方程为： a x + b u = 0( 3 - - 4 a ) y ：c 7 ( 3 - - 4 b ) 式中： a ：d a ，+ d a ，( 3 5 a ) b = d b l + d b 2 ( 3 5 b ) c ：d c ? + d c j( 3 - - 5 c ) x 、y 分别表示x ( t ) ，y ( t ) 的稳态值。d 、d 分别为d 、d 7 之稳态值。式 ( 3 4 ) 即为一般d c d c 变换器的稳态状态空间平均方程。由此可得： = 一4 b u y ：一c a 一1 b u ( 3 6 a ) ( 3 6 b ) 第三章开关功率变换器中c l f c 设计 当输入电压发生变化或有扰动时，则相应的占空比、状态变量、输出受量 要发生变化。令 “= u + 二，= d + a ，+ = d d ddd d ，x = + 妥，y = y + y “( 3 - - 7 ) “，= u ，+ “，