（微电子学与固体电子学专业论文）电流模式pwm开关电源芯片的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息产业的蓬勃发展，传统工业的换代改造以及节约能源要求的不断提 高，开关电源产业褥到了迅速的发展。相对于线性电源，牙关电源具有体积小、 效率高等优点，使其在逯讯、计算机等领域得到广泛应用。目前的计算祝设备和 各种各样高效便携式电子产品发展趋于小型化，要求与之配套的电源供电体系体 积更小，重量更轻，效率更高。因此设计开发高效率、小体积、低功耗的开关电 源芯片，无论是从经济的磊度，还是从科学研究上来讲郝是很有俊值鹃。 本论文是对a c d c 开关电源进行研究和设计。作者对开关电源的工作原理， 设计思想和系统性能做了详细的分析，设计了一款高效率、低功耗的a c 。d c 开关 电源芯片。该芯片采用了电流型p w m 控制模式。在论文中，首先阐述了电漉控制 模式p w m 开关电源的基本原理，对比了电流控制模式和电压控制模式，分析了 各自的优缺点；随后根据设计要求进行了电路的总体设计，完成了各个子电路的 原理分析，电路设计和仿真验证，重点阐述了基准源电路、振荡电路和误差放大 器电路等。在振荡器电路中，运用频率擗动技术，使芯片防止电磁干扰( e m i ) 。 最后，利用c a d e a l c e 软件对整体电路进行了功能仿真验证。 该芯片采用了1 2 p mn 阱c m o s 工艺进行流片，并对芯片进行了测试。测试 结暴基本能达到需要的要求。该芯片具有离效低功耗，防电磁干扰( e m i ) ，井国 应用电路简单的特点，适用于电池供电的便携式电子产品中，如数码相机，手机， r a p 3 等。 关键词：电流型p w m电压模式频率抖动技术电磁干扰 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y , t h ef t l r t h e rr e c o n s t r u c t i o no f t r a d i t i o n a li n d u s t r y , a n dt h ec o n t i n u i n gd e m a n d so fe n e r g ys a v i n g , t h em a r k e to f s w i t c h i n gp o w e ri se x p a n d e dr a p i d l y t h es w i t c hp o w e ri sw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do f c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r , a n ds oo nb e c a u s eo fi t sr e m a r k a b l ea d v a n t a g e so fc o m p a c t s i z ea n dh i g he f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lp o w e r d u et ot h et r e n d so f m i n i a t u r i z a t i o no fc o m p u t e rs y s t e ma n do t h e rk i n d so fp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，t h e p o w e rs y s t e mi sr e q u i r e dt ob es m a l l e r , l i g h t e ra n dh i g h e re f f i c i e n c y i nt h i ss i t u a t i o n , t o d e s i g nh i g he f f i c i e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc h i pi sv a l u a b l ei nt h ev i e wo fb o t h e c o n o m ya n d r e s e a r c h t h i st h e s i sf o c u s e so nr e s e a r c ha n dd e s i g na c d cs w i t c h i n gp o w e r i nt h i st h e s i s ， t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e , d e s i g na p p r o a c ha n ds y s t e mc h a r a c t e r i z a t i o na r ep r e s e n t e di n d e t a i l ，a n dah i g h e re f f i c i e n c ya n dl o w e rp o w e ra c d cp o w e rm a n a g e m e n tc h i pi s d e s i g n e d t h i sc h i pa d o p t st h ec u r r e n tp w mc o n t r o lm o d e a tf i r s t , t h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l eo fm o n o l i t h i cc u r r e n t - m o d es w i t c h i n gc o n t r o l l e ri si n t r o d u c e d , w h i c h i s f o l l o w e db yac o m p a r i s o nb e t w e e nv o l t a g e - m o d ea n dc u r r e n t - m o d ec o n t r o l l e r sw h e r e t h ep r o sa n dc o n so fb o t hc o n t r o l l e r sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l n e x t , t h eg l o b a ls y s t e m a r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e du p o nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n ds u b - b l o c kc i r c u i t sa r ea l s o i n t r o d u c e dt h a tf o c u s e so ns e v e r a le s s e n t i a ls u b - b l o c k ss u c ha se r r o ra m p , v r e fa n d o s ca n ds oo n i nt h ep a r to fo s c ，t h ec m o sc h i pp r e v e n t se m ib yu s i n gf r e q u e n c y j i t t e rt e c h n i q u e f i n a l l y , a l ls u b - c i r c u i t sa n dt h ew h o l ec h i pc i r c u i ta r es i m u l a t e da n d v e r i f i e db yc a d e n c e t h ec h i ph a sb e e nf i n a l l yf a b r i c a t e dw i m1 2 l a mc m o sp r o c e s sa n dt e s t e d t h i s c h i ph a ss h o w nh i g h e f f i c i e n c y ，p r e v e n te m ia n dl o w - p o w e rl o s s ，w h i c hc a nb eu s e di n m o b i l ep h o n e ，d i g i t a lc a m e r aa n dr a p 3a n ds oo n k e yw o r d ：c u r r e n t - m o d ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o nv o l t a g em o d ef r e q u e n c y j i t t e rt e c h n i q u ee m i 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。与我一向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攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学a 本人签名：盗圣垒 导师签名：雩2 址 日期2 翌! ： ：21 日期生型生：兰f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和研究的意义 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关器俸管开通和关断的时阆眈率， 维持稳定输出电压的一种电源。从上世纪9 0 年代以来开关电源相继进入各种各样 的电子和电器设备领域，计算机，通讯，电子检测设备电源，控制设备电源等都 已经广泛地使用了开关电源。由于其高效节能可带来巨大的经济效益，因而引起 社会各方面的重视，从丽褥到迅速的推广。 1 1 1 全球电源产业的发展状况 微电子技术的迅猛发展使我们的生活发生了革命性的变化。从1 9 4 7 年的第一 只晶体管的出现和1 9 5 8 年静第一块集成电路的发明到现在的半个世纪里，集成电 路技术依据摩尔( m o o r e ) 定律迅猛发展，在一定程度上满足了高可靠性，微型化， 低功耗的电子系统的要求。微电子技术的不断更新进步使那些曾一度是奢侈品的 便携式通信产品走进了人们的生活。例如目前大家都很热衷的手机，笔记本电脑， 数码相机，m p 3 和m p 4 等等。由于这些技术对系统的性能的稳定性以及成本的降 低提出了更高的要求，所以系统单片集成( s o c ) 的概念被提出来，即要求系统 的功能可以由制作芯片上的功能块完成。 便携式电子设备大多采用单电池供电，由于电池的放电特性懿线不平坦，负 载上得到的电涯随电池使用时闻下降，从丽影响了整个系统的性熊，在便携式通 信及计算机产品电路设计中，为在功耗和速度，噪声等特性之间折衷，通常采用 多电压供电技术。为了获得稳定的输出电压，在电池和负载之间接入一个或者多 个电压调整器。随着电子产品在电子领域所占分额的急捌增加，电源集成电路产 业正在以惊人的速度飞速发展，成为目前i c 产业中最热门的研究和生产方向之一。 国外相关机构的统计数据表明，全球模拟i c 市场在2 0 0 6 年达到近3 0 0 亿美 元，其中电源管理芯片占了近6 5 亿美元。电源管理始终是模拟i c 市场最亮的看 点。剧市场研究机构预测，2 0 0 8 年全球电源管理芯片的销售额将上升到2 9 5 亿美 元。由此可知，模拟与电源管理i c 相对于整个半导体产业而言，表现十分亮眼。 而面向便携式应用的电源器件市场在2 0 0 8 年估计可以达到7 0 亿美元【5 1 。 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。电子设冬的小型化和低成本能使电源向轻，薄，小和高效率方向 发展。电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提 供优质电能的供电设备。它可分为线性电源和开关电源两种，其中，开关电源分 2 一 电流模式p w m 开关电源芯片的研究 为a c a c 电源，d c d c 电源，a c d c 电源和d c a c 电源，应用最广泛的就是 d c d c 电源。 1 1 2 中国电源产业的发展现状 近十年来中国的信息产业以其他行业三倍的速度快速发展。“九五 期间中国 对电子工业的投资比重由过去五年的2 2 提高到5 4 ，总投资规模达到4 2 9 3 亿 元，比过去五年增长近1 2 倍，因此成为电源产业发展的强大推动力。 随着经济的发展和科学技术的进步，节约能源保护环境已被社会各界所重视。 电源是节约能源的重要环节，经过电力电子和电源技术处理之后的电力供应节能 效果明显。例如家用电器的待机损耗人们往往不重视，这个耗电相当惊人。据美 国统计在美国这种损耗每年3 5 - 5 4 亿美元，德国环保机构调查，在德国这种损耗 每年2 3 亿美元，超过柏林全年用电总和。采用新的节能芯片之后可把5 1 0 w 的待 机损耗降到1 - 2 w ，甚至o 1 0 5 w 。以计算机为例，如果我国的待机功耗指标采用 欧盟的规定，到2 0 1 2 年预计可以节约电能5 亿度以上，可以节省电力费用支出超 过3 亿人民币，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。所以电力电子和电 源技术的发展是一个国家技术进步的重要标志。 开关电源最大的应用领域是在通信行业。近十年来通信事业快速发展，通信 电源也同步增长。1 9 9 2 年国内通信电源投资为人民币0 8 亿元，到1 9 9 7 年增加到 1 0 亿元，到2 0 0 0 年增加到3 0 亿元，2 0 0 1 年全国通信电源市场容量为3 5 亿元以 上。1 9 9 2 年到2 0 0 1 年通信电源增长4 3 倍多。 然而，目前国内d c d c 和a c d c 模块电源市场主要被国外品牌所占据，它 们覆盖了大功率模块电源的大部分，以及中小功率模块电源近一半的市场。但是， 随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产 产品所代。预计在未来的2 年内，国内品牌将占领中小功率模块电源8 0 以上的市 场分额【3 】【4 j 【5 】。 对于高端技术，如同步整流技术，有源嵌位技术，软开关技术，平面变压器 技术等等，由于其成本高，工艺复杂，配套能力差，国内行业认可度低等诸多原 因，都没有在产品中大规模使用。因此，在未来几年内，2 0 0 w 以上功率模块电源 的市场份额仍将可能以国外产品为主导，这是我们必须关注和思考的问题。 我国模块电源产业存在的问题是，市场的大幅度发展和进入电源研制生产的 门槛较低( 资金投入不大，对生产设备和进行低档次产品研制所需技术的要求都 不高) ，从而产生了大量的民营企业，它们以价格为武器，参与市场竞争，这不利 于整个电源产业的正常发展。 据统计，我国通信开关电源经营和生产单位有3 0 0 多家。其中年产值上亿元 的不足2 0 家，其余的规模均较小。无论是参与国内市场的竞争，还是国际竞争， 第一章绪论 国内的开关电源企业都需要扩大生声规模。扩大生产规模，必须在保证产品质量， 稳定性和可靠性的基础上稳步进行。这必然会遇到许多问题，诸如员工的质量意 识，员工的素质，质量管理体系的建立和完善，先进的工装设备，工艺流程的科 学制定，完备的检测手段，严格的蹬厂测试以及资金投入强度等。只有解决了上 述阀题，扩大生产规模才能真正落到实处【3 】【4 】。 1 1 3 电源的发展趋势和要求 随着便携式产品功能越来越多，用户对其他电池能量的需求也越来越高，这 些需求也为系统厂商带来了挑战。通讯系统设计工程师虢指搬，为满足消费者对 手机不断升级的“苛刻要求，他们在选择电源芯片时会综合考虑芯片的体积， 待机时间，能量转换效率等众多因素，因此便希望电源设计者能够提供功能强大， 省电和电路简单以及使用便捷且高效率的电源管理芯片。 同时，便携式消费类电子产品小型他的趋势越演越烈，隧之丽来的便是电池 以及相应体积及重量不断下降。然而商业上可行的，更高能量密度电池化学技术 ( 如燃料电池) 的开发则不能满足厂家的需要，从而对电源工程师提出了许多设 计挑战，要求他们开发的解决方案既能实现更多的功能，又能保证更长的操作与 待机时间。短期内我们不能指望电池技术取得多大的突破，为今之计就是继续在 “效率 上挖潜。 由于采用模块化d c d c 和a c d c 电源( 简称模块电源) 组建的电源系统具 有设计周期短，可靠性嵩，系统升级容易等特点，模块电源豹应用越来越广泛， 尤其是近几年来，由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，模块 电源的增幅已经超过一次电源。随着半导体工艺，封装技术和高频软开关的大量 使用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。 1 2 开关电源技术 圭。2 。l 开关电源技术的研究现状 1 半导体功率器件的研究推动电源的发展 开关电源变换器最早出现在二十世纪五十年代，只有到了七十年代，随着现 代功率半导体器件的发展及其稳定性的提高，开关电源变换器才广泛应用。功率 半导体器件仍然是电力电子技术发展的龙头。电力电子技术的进步必须依靠不断 推出的新型电力电子器件。功率场效应管( m o s f e t ) 由于单极性多子导电，显 著地减小了开关时间因而很容易地便可达到1 m h z 的开关工作频率而受到世人瞩 冒。僵是m o s f e t 提高器件击穿电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅 速增大，器件的导通压降增高，导通损耗增大，所以只能应用于中小功率产器。 为了降低导通电阻美国i r 公司采用提高单位面积内的原胞个数的方法，如矾公 4 电流模式p w m 开关电源芯片的研究 司开发的一种h e x f e t 场效应管，其沟槽( t r e n c h ) 原胞密度已达每平方英寸1 1 2 亿个的世界最高水平，导通电阻r 可达3 毫欧姆。而5 0 0 vt 0 2 2 0 封装的h e ) 心e t 功率m o s f e t 自1 9 9 6 年以来，其导通电阻以每年5 0 的速度下降。取公司还开 发了一种低据极电荷( q 妨的h e x f e t ，使开关速度更快，同时兼顾导通电阻狂栅 极电荷两者同时降低，使得r * q g 的下降率为每年3 0 。对于肖特基二极管的开 发展近利用t r e n c h 结构有望出现压降更小的肖特基= 极管，称作t m b s 沟槽m o s 势垒肖特基，两有可能在极低电源电压应用中与同步整流的m o s f e t 竞争【h 。 2 功率集成电路( p i c ) 技术的飞速发展 电力电子产品或电路的发展方向是模块化、集成化、具有各种控制功能的专 用芯片，近几年发展很迅速，如功率因数校正( p f c ) 电路用的控制芯片；软开关 控制用静z v s 、z c s 芯片；移楣全挢震酶控制芯片：z v t 、z c t 、p w m 专用控制 芯片；并联均流控制芯片；电流反馈控制芯片等。功率集成电路( p o w e ri c ) 是当 前囡际上迅速发展起来的一种高新科技产品，它是电力电子技术与微电子技术相 结合的产物。稍用l c 隔离技术将功率控制、传感与保护以及接口电路集成在同一 芯片上。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块纯使电源产 品体积小可靠性高，给应用带来极大方便。 1 2 2 电源管理技术的发展 电源管理技术的发展主要包括以下几个方面【6 】； ( 1 ) 高效 电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源发展的种 集中体现。各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高教电源规范，也是推动高效节 畿奄源、低待税能耗产晶应用的主要动力。尤其是未来越来越多的中国产品将出 口到国钋，需要满足欧美等国的电源标准，这将促进中图企业对高效电源的需求。 对于便携式电源管理，效率尤为重要。 ( 2 ) 低功耗 随着各种整机设备书场规模的不断增长霹社会对环保问题的目益重视，功耗 问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制市场成为整个半导体产业中最为活 跃的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件市场的稳步发 震。 ( 3 ) 智能化 运用电源管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法，目前大多数笔 记本，己普遍采用这种智能节电管理技术，它是利用软件的方法对各主要耗电部 件的焉电状态进行控制，对暂不工作的部件减少甚至停止供电。 ( 4 ) 高集成 便携式应用的板级空间十分有限，这就迫使电源工厂商把更多功能集成到更 第一章绪论 小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在翻益竞争的时代，提 供高效整合且小体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低成本， 提升效能与可靠度。 1 3 论文期间的主要工作 本课题主要工作是a c d c 开关电源集成电路的设计，主要完成的工作如下： l 、对a c d c 开关电源的工作原理和系统性能进行了较为深入的研究。 2 、反向解剖了两款最新的比较典型的a c d c 产品，完成电路提取。 3 、以提取出的电路结构为基础，设计了一块a c d c 开关电源的芯片，并对各个 模块和系统功能在c a d e n c e 软件孛模拟仿真。 4 、利用c a d e n c e 王具进行芯片版图的绘制。 5 、采用1 2 “mn 阱c m o s 工艺进行流片。 第二章开关电源电路原理介绍 第二章开关电源电路原理介绍 7 一 开关电源的主要特点是功率开关管工作在开关状态。开关电源利用电感元件 和电容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断，具有较大电压波动 的直流电流能量断续的经过开关管，暂时以磁场能酶形式存储在电感器中，然后 经电容滤波鼐到连续的能量并传送到负载，得到电压脉动较小的壹流电能，实现 电压的变换。 开关电源系统由主电路和控制电路组成。构成开关电源主电路的元件，包括 输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载，他们共同完成电能 的转换和传递，合称功率级；控制电路则通过控制功率管的通断，实现调节输出 电压恒定在设定值的要求，从而控制住电路的工作状态，使主电路从输入电源处 获得的能量和传送到负载的能量维持平衡。通常，当输入电池电压及输出端的负 载在一定范围内变化时，负载电压哥以维持恒定。 2 1 开关电源的电路拓扑结构 开关电源的电路结构有多种，分类方法也很多，按不同的分类方法可以分成 如下几种【2 】： 王、按转换类型分：d c d c 和a c d c 。 2 、按驱动方式分：鸯激式与他激式。 3 、按d c d c 变换器的工作方式分： 隔离型有通通方式、通断方式、中心抽头方式、半桥方式和全桥方式、谐 振方式； 非隔离型有降压型( b u c k ) 、畀压型( b o o s t ) 、极性反转型( b u c k - - b o o s t ) 、开关电 容型以及谐振型。 4 、按控制方式分；脉冲宽度控制方式( p w m ) 与脉冲频率控制方式( p f m ) 。 5 、按过流保护方式分：输出电流检测方式与开关电流检测方式。 下面介绍一下升压型( b o o s t ) 和降压型( b u c k ) 开关电源的拓扑结构。 2 1 1 升压型( b o o s t ) b o o s t 型开关电源将输入电压v m 变换成v m = v 0 的稳定输出电压v 0 ，所以又 称升压开关电源。 图2 1 是b o o s t 变换器的拓扑图：v i n 为输入电源。m n 是主开关管，因其源 端接地，适宜选用高电平导通的n m o s 管。二极管是辅助开关管，使用具有较低 正向电压的肖特基二极管。v n 是m n 的控制信号，由控制电路提供，r l 表示负载 电流模式p w m 开关电源芯片的研究 电照。 v 0 囤2 。1b o o s t 交换藜的拓扑蓬 在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下，m n 导通，x 点低电位，二极 管网为受反向偏压而截止，电流由电池经电感l ，开关管m n 到地，电感电流持 续上升，毫惑储能在增拥，能鬟麦电港转送劐宅感并存储在电感孛；第二阶段， 控制电路使m n 截止，切断地和电感元件的连接，于是电感产生电感电动势使得电 流维持原来的流向，迫使x 点电位升高到比v 0 还高一个二极管的正向导通压降， 二极管导遥，隽电感电流提供遴路，电流杰电感流向电容_ j 羁受载，电感电流随瑟寸 闻下降，麓量由电感流向受载。 经电感l ，电容c 滤波，在负载r l 上可得到脉动很小的直流电压。 2 1 。2 降压型( b u c k ) b u c k 开关电源将输入电嚣箍变换成0 = v 0 - - v i n 酌稳定输出电压v 0 ，所以叉 称降压开关电源。 + v o o 图2 2b u c k 变换器的拓扑图 在一个开关周期中，蓄先，在控裁电路侮耀下，m p 导邋，x 点高逛链，二极 管因为受反向偏压丽截止，电流由电池经m p ，电感l 到电容c 和负载。电感电流 持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段， 控翩电路使m p 截止，切断电池和电感元 牛的连接，于是电感产生电感电动势使得 电流维持原寒瀚漉窿，追使x 点电位降至比地电位还低一个二极警的正向导逶压 降，二极管d 导邋，为电感电流提供通路，电流由电感l 流向电容c 和负载，电 感电流随时间下降，能量由电感流向负载。 第二章开关电源电路原理介绍 经电感l ，电容c 滤波，在负载r l 上可得到脉动很小的直流电压。 2 2 脉宽调制( p w m ) 方式 9 一 开关电源的调制方式主要有两种：脉冲宽度调制方式( p w m ) 和脉冲频率调 制方式( p f 加。它们具有某些共同之处【7 】c 8 】： ( 1 ) 均采用时间比率控制( t 跹) 的稳压原理。无论是改变开关导通时间还 是歼关周期( 弧) ，最终调节的都是脉冲占空比。因此，尽管它们采用的方式不同， 但控制目标一致。 ( 2 ) 当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、提高 频率的方法，使输出电压保持稳定。 p w m 调制方式以其电路简单、控制方便从而在开关电源中获德了极为广泛的 应用，本文将主要介绍p w m 调制方式。 脉冲宽度调制方式的特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。 因开关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。其缺点是受功率开关 管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；另外输出端一般要接预 负载，以防止空载时输出电压升高。 按反馈回路和稳匿特性，p w m 调制方式又有两种方法：电压控制模式和电流 控制模式。在电压控制模式中，变换器的占空比正比于实际输出电压与理想输出 电压之间的误差差值；在电流控制模式中，占空比正比于额定输出电压与变换器 控制电流函数之间的误差差值。 2 。2 。圭电压模式的p w m 调制方式 电压控制模式p w m 是6 0 年代后期开关稳压电压刚剐开始发展而采用的第一 种控制方式。该方法与些必要的过流保护电路相结合，至今仍然在工业界很好 的被广泛利用。电压模式的p w m 调制方式电路如图2 3 所示，由调制级、功率级、 反馈、误差放大器和补偿网络组成。调制级包括一含p w m 比较器。电源输出电压 v o u t 与参考电压比较放大，得到误差信号，该误差电压又与锯齿波发生器产生的 锯齿波信号进行比较，于是p w m 比较器就输出占空比变化的矩形波驱动信号，这 就是电压控制模式工作原理。调制器增益是斜坡幅度的豳数，功率级由n m o s 输 出开关、整流二极管和l c 网络组成。功率级的增益是v m 的函数。 电压控制模式的优点有： ( 1 ) p w m 三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量； ( 2 ) 占空比调节不受限制： ( 3 ) 对于多路输出电源，他们之间的交互调节效应较好； ( 4 ) 单一反馈电压闭环设计，调试比较容易； 1 0 电流模式p w m 开关电源芯片的研究 ( 5 ) 对输出负载的变化有较好的响应调节。 电压控制模式的缺点有： ( 1 ) 对输入电压的变化动态响应比较慢； ( 2 ) 补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂； ( 3 ) 输出l c 滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主 极点 图2 3电压模式p w m 的示意图 改善加快电压模式控制瞬态响应速度的方法有两种：一是增加电压误差放大 器的带宽，保证具有一定的高频增益。但是这样容易受到高频开关噪声干扰影响， 需要在主电路及反馈控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理；另一 方法是采用电压前馈模式控制p w m 技术。用输入电压对电阻电容充电产生的具有 可变化上升斜率的三角波取代传统电压模式控制p w m 中振荡器产生的固定三角 波。此时输入电压变化能立刻在脉冲的变化上反映出来，因此该方法对输入电压 的变化引起的瞬态响应速度明显提高。对输入电压的前馈是开环控制，而对输出 电压的控制是闭环控制，目的是增加对输入电压变化的动态响应速度。这是一个 有开环和闭环的构成的双环控制系统2 2 】【2 3 】。 2 2 2 电流模式的p w m 调制方式 电流模式控制又称峰值电流模式控制。它的概念在6 0 年代后期来源于具有原 边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在7 0 年代后期才从学术上作深入地 建模研究。直至8 0 年代初期，第一批电流模式控制p w m 集成电路的出现使得电 流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。近年来，由于大占空比时 所需要的同步不失真斜波补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式控制 面临改善性能后的电压模式控制的挑战。图2 4 示出了一个典型的电流模式p w m 控制电路。所谓电流控制模式，就是在p w m 比较器的输入端直接用感应到的电感 电流与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出 的电感峰值电流跟随误差电压变化。误差电压信号送至p w m 比较器后，并不是像 第二章开关电源电路原理介绍 电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜波比较，两是与一个变化的 其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号比较，然 后得到p w m 脉冲关断时刻。因此电流模式控制不是用电魇误差信号直接控制 p w m 脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接控制p w m 脉冲宽度【7 】【1 7 1 。 电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。因为峰值电 感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相致。但是，峰值电 感魄流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，因力在占空毖不同豹情况下， 相同的峰值电流可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流大小才是唯 一决定输出电压大小的因素。在数学上可以证明，将电感电流下斜坡斜率的至少 一半以上斜率加在实际检测电流的下斜坡上，可以去除不同占空比对平均电感电 流的扰动作用，使 ! 导所控制的峰值电感电流最后收敛与平均电感电流。因面合成 波信号要由斜波补偿信号与实际电感电流信号两部分合成。当外加补偿斜波信号 的斜率增加到定程度，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将 斜波补偿信号完全霜振荡电路的三角波代替，就成为电箍模式控制，不过此时的 电流信号可以认为是一种电流前馈信号，当输出电流减小时，峰值电流控制模式 就从原理上趋向于变为电压模式控制。当处于空载状态时，输出电流为零并且斜 波补偿信号幅值比较大的话，峰值电流模式控制实际上变为电压模式控制了。 峰值电流模式控制p w m 是双阙环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内 环是快速按照逐个脉冲工作的。功率极是由电流内环控制的电流源，而电压外环 控制此功率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化， 因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制l c 储麓电路。由于这些，峰值电流控 制模式p w m 比起电压模式控制大得多的带宽【8 】【1 4 】【1 9 】。 电流控制模式的优点有： ( 1 ) 暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快； ( 2 ) 控制环易于设计： ( 3 ) 输出电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美； ( 4 ) 简单自动的磁通平衡功能； ( 5 ) 瞬时峰值电流限流功能； ( 6 ) 自动均流并联功麓。 电流控制模式的缺点： ( 1 ) 占空比大于5 0 的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误 x 厶 左； ( 2 ) 闭环响应不如平均电流模式控制理想； ( 3 ) 容易发生次谐波振荡； 1 2 _ 一 电流模式p w m 开关电源芯片的研究 ( 4 ) 对噪声敏感，抗噪声性能蓑； ( 5 ) 电路拓扑受限制； ( 6 ) 对多路输出电源的交互调节性能不好。 图2 4 电流模式p w m 的示意图 和电压控制模式相比，电流控制模式具有的特点t 9 1 t 1 3 】： ( 1 ) 动态响应快，调节性能好； ( 2 ) 易于实现限流和过流保护； ( 3 ) 输出电压与输入电压无关，系统源效应好； ( 4 ) 圈路稳定性好，负载响应快； ( 5 ) 多套系统并联运行时，均流效果好。 由上述分析可见，电流控制模式优于电压控制模式，但电流模式并非唯一选 择。隧着电力电子技术和集成电路技术的发展，电压控制模式的主要缺点可以通 过采用高性能的集成控制器得以克服。 总的说来，脉宽调制( p w m ) 保持开关频率恒定，而充放电时间之间的比率 随着负载的不同而变化。此技术可在高频情况下提供较宽的负载范围。此外，由 于署荚频率是固定的，噪声相对较小，使用较简单的低邋滤波器就可| 以大幅度减 小电压纹波，因此广泛用于噪声冲突关系密切的电信设备。 该芯片采用的是电流控制模式的p w m 调制模式电路。在下面一章中，着重介 绍芯片的整体结构和芯片的整个工作过程。 第三章芯片的整体结构介绍 第三章芯片的整体结构介绍 1 3 该芯片是个低功耗的离线式电源供给控制器( 1 0 wp o w e ro f f - l i n ec o n t r o l l e r ) ， 它通过内部打嗝模式( b u r s t 或者锁存模式) 的短路保护，可以降低输出电压的切 换频率，输出个具有一定范围的输出电压，其结梁在后面给击。首先，给出芯 片需要达到的部分设计指标，见表3 。l 所示。 表3 1芯片部分设计指标 e 铂屯啦涯王强琶rs y m 匿。乙t e s tc o n d r r l 0 n sm 御m b 镁u n r r f b v d ds t a r tv o l t a g e v s t a r t r i s i n ge d g e 露。7 555 。2 5v s ws t a r tv o l t a g e v s w s t a r ts wm u s tb eh i 曲e rt h a n 8 61 0 。5 v t h i sv o l t a g ed u r i n gs t a r tu p i no r d e rt o c h a r g e f b 厂v d dt ov s t a r t f b v d d u n d e r - v o l t a g e f a r t i n ge d g e 3 1 73 ，3 53 5 3v t h r e s h o l d s t a r t u ps u p p l yc u r r e n t l d 隧蕊t 旺k ，糊= 4 vb e f o r e 0 2 30 。4 5m a c u r r e n tl i m i t l l i m 4 0 0m a s w i t c h i n gf r e q u e n c y 谢 5 06 58 5姐z 3 1 芯片的内部模块 图3 1 芯片的功能方框图 图3 1 是该芯片的功能方框图，其主要的部分包括：误差放大器，电流式脉 1 4 电流模式p w m 开关电源芯片的研究 冲宽度调制( p w m ) 控制电路，带隙基准，振荡器和电压检测电路。此芯片有三 个引脚，分别是s w 、f b n d d 和g n d 。在应用中，v d d 同s w 之间有一个3 9 v 的开启电压并且随着s w 的变化而变化，但是最高不能超过5 7 v 。在软件c a d e n c e 下仿真结果是3 8 8 v 到5 3 3 v 之间。输出电压的模拟结果如图3 2 所示。芯片的 输出结果符合表3 1 给出的设计指标。 图3 2 输出电压的模拟结果示意图 下面就芯片的各组成部分分别加以简要的说明，而芯片整体的详细工作过程 和仿真结果在以后的章节中进行介绍： ( 1 )误差放大器 用于对采样电阻检测的反馈电压与基准电压1 2 7 v 进行比较放大，输出信号 反映了输出电压与额定电压的误差。误差越大，输出的电平越高。同时在电流工 作模式下，提供开关管关断的基准电流。 ( 2 ) 基准电压源 采用p t a t ( p r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ) 电流和三极管的b e - - 端的电 压来构成基准电压源。通过微调芯片内部的电阻，使其最后输出的电平稳定在 1 2 7 v 。 ( 3 ) p w m 控制电路 p w m 控制电路的输出结果决定p o w e rm o s f e t 每一工作周期的关断时间。 ( 4 )振荡器 在所有的单片开关电源中都有内部振荡器，用于产生p w m 控制器的时钟信 号。该芯片的内部振荡器的频率在6 5 k h z 。符合表3 1 中所给的设计指标。 ( 5 )电压检测电路 电压检测电路输出一个高低相间的电平，来控制一个n m o s 管，从而控制管 第三章芯片的整体结构介绍 子的导通和关闭，进嚣控制输出电压的升高和降低。 3 2 启动电路的介绍 该芯片有一个启动电路。首先，较高的交流电压( 最高能达到2 6 0 v ) 经过一 系列的整流器件和“1 3 0 0 2 或者“1 3 0 0 3 的降压管进行降压，形成不稳定的脉 冲电压，使s w 端达到启动电压，从而使芯片启动，进而整个芯片进入工作状态。 当芯片进入工作状态后，s w 端就不再为整个电路进行供电，整个芯片的供电由外 围电路的光耦合器提供。这样可以很大程度上的降低功耗。 釜 逸i o 圈3 3 启动电路示意图 如图3 3 所示，在正常扇动情况下，辅助线圈为s w 端供电，s w 端的电压升 高。当s w 加到一定电压，使得p 6 、p 7 、n 5 管导通，v d d 开始启动，此时v d d 随着s w 端电压的升高而线性上升。s w 同v d d 的压差取决于p 6 ，p 7 ，n 5 三个 管子的开启电压，p 7 、p 6 管的v t h 电压大约为o 8 v ( 1 2 l t m 的c m o s 工艺) ，僵 1 6 电流模式p w m 开关电源芯片的研究 是n 5 是h v m o s 管( 高压m o s 管) ，它的v t h 电压大约为1 5 v 。由于工艺的偏 差，此值并不十分准确，最后c a d e n c e 的模拟值为3 9 v 。因此，只要s w 和v d d 的电压差值大于等于3 9 v 时，电路开始工作。 e f 图3 av d d 舞降原理示惹图 当v d d 启动电平大于2 5 v 后，芯片内部的b a n d g a pr e f e r e n c e s ( 带隙基准) 开始稳定，此b a n d g a pr e f e r e n c e s 是由一对1 2 ：l 的p n p 三极管和电阻组成，经过 电阻分压，v r e f 的输出电压是1 2 7 v 。从内部的b l o c k 来看，v d d 电压圊v r e f 之闻有一个比较器( 觅图3 4 ) ，当v d d 的分压端a 点电压( 冤图3 1 ) 低于v r e f 时，s d a 端输出低电平，v d d 继续随s w 电压升高而升高。而v d d 升高到大约 5 5 v 时，a 点电压高于v r e f ，此时s d a 变高，芯片内部的振荡器开始启动。从 启动电路看( 鳏图3 3 ) ，此时n 8 毒遥，把v d d 静电位拉低，由于v d d 到地电容 的作用，v d d 电压不可能突变，当v d d 电压下降到大约4 8 v 时，即大约经过2 0 9 s 的内部振荡器电容的充电时间，振荡器开始振荡。由于内部线路的振荡，使得v d d 第三章芯片的整体结构介绍 1 7 电压下降变缓慢，降低7v d d 输擞电压的切换频率。当v d d 降到大约为3 。8 v 时，此时的v r e f 大于图1 中a 点处的电压，s d a 变低。v d d 又开始升高，下 一次循环开始。具体的电路示意图见图3 4 所示。 v d d 的分压部分是由r 1 3 ，r 8 ，r 6 ，r 5 ，r 9 ，r 1 5 这6 个电阻串联组成的。 电源v d d 的变化将影响到s d a ，o u t ，v f b ，o u t 2 这几个的输出。r 5 的输出 接一个由p 1 2 ，p 7 ，n 1 5 ，n 4 ，n 1 6 组成的比较器，将和基准电压v r e f 进行比较， 如梁v d d 升高，那么r 5 的输出也会升高，那么与基准电压v r e f 比较后，比较 器的输出将会改变，输出o u t 由嵩电乎变成低电平，由此便可以隰止v d d 的继 续升高。同理，若v d d 下降，等到v