（微电子学与固体电子学专业论文）离线式单片acdc开关电源集成电路的设计.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文 摘要 功率集成电路是集成电路的重要分支，至少包含一个半导体功率器件和一个 独立功能电路的单片集成电路，其在电力电子、自动控制、家电通信、汽车电子 等领域扮演着一个重要的角色。要实现功率集成，必须解决多项半导体工艺及设 计技术难题，如b c d ( 双极、互补、双扩散m o s f e t ) 兼容工艺、数模混合、高压、 驱动等。 开关电源由于其在性能、体积、价格等方面的优势，在电源市场中占有的份 额不断增长。尤其是那些对体积、重量以及效率非常敏感的电予系统更要求开关 电源体积更小，重量更轻。随着环保意识的增强，一些发达国家对节能的要求也 越来越高。这掰方面的要求促使开关电源集成电路向着更高性能发展。 本文所设计的离线式开关电源芯片是集低压控制电路以及高压功率管于一 体，并实现各种保护功能。论文开始首先介绍了功率集成电路的发展状况以及开 关电源的特性，第二部分逐一设计了各功能模块的电路形式以及相关参数，并给 出了仿真波形，最后设计了高压功率管的器件结构和纵向结构。由于工艺条件有 限，未能实现整个芯片的流片，只对部分模块进行流片和测试。 浙江大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb r a n c h e so f i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i n c l u d i n gp o w e rt r a n s i s t o ra n dc o n t r o lc i r c u i ta n d o u t p u td r i v e a st h eb r i d g eo ft h ec o n t r o la n de x e c u t i o np a r to ft h es y s t e m ， i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l d so fe l e c t r o n i cp o w e r ，a u t o m a t i c c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o na n da u t o m o t i r e b e c a u s ei t i n t e g r a t e dp o w e r t r a n s i s t o r ，p o w e ri ci sr e l a t i v e l ym o r ed i f f i c u l t ，b o t hi nc i r c u i td e s i g n a n dp r o c e s st e c h n o l o g y r e c e n tc h a n g e si ne l e c t r o n i es y s t e m sa r ef o r c i n gh i g h e rl e v e l so f i n t e g r a t j o ni ns w i t c hp o w e rs u p p l yc h i p s t h em o s tn o t a b ler e q u i r e m e n t s a r et h e s ei n v o l v i n gs i z e ，w e i g h ta n de n e r g ye f f i c i e n c y n e wg o v e r n m e n t e n e r g y e f f i c i e n c yp r o g r a m sa r ef u r t h e rr e s h a p i n gs w i t c h p o w e r s u p p l y d e s i g n s t h i sp a p e rd e s i g n sa no f f 一1 i n ep o w e rs u p p l yc h i pw h i c hi n t e g r a t e dt h e c o n t r o lc i r c u i t s i n c l u d i n gt h eo s c i l l a t o r ，p u s ew i d t hm o d u l a t o r ， t h e r m a ls h u t d o w n ，a n dt h eh i g hv o l r a g ep o w e rt r a n s i s t e r a tf i r s t ，i t i n t r o d u c e st h ed e v e to p m e n to ft h ep o w e ri ca n dt h es w i t c hp o w e rs u p p l y s e c o n d ，a 1 1t h ec o n t r o lc i r c u it sw i l lb ea n a l y z e da n dd e s i g n e do n eb yo n e ， a l s ot h es i m u l a t i n gw a v ew i l lb eg i v e n l a s t ，i td e s i g n st h es t r u c t u r e o ft h ep o w e rt r a n s js t o r 2 浙 王大学硕士研究生毕业论文 1 1 课题背景 第一章绪论 电力电子技术在国民经济中的地位和作用越来越突出，是信息产业和传统产 业的重要接口，是弱电和强电之间的桥梁，是传统产业现代化和发展机电一体化 及其它高科技技术的关键基础技术。电力电子器件及其技术的出现为人类有效利 用电能提供了新的方向。 电力电子学诞生以后，人们把相应的半导体学科分为两个分支：一个是以集 成电路为核心的微电子学，另一个则是以大功率半导体器件为代表的电力电子 学。前者集成度越来越高，后者功率越来越大。近年来，随着应用领域的不断扩 大，要求集成电路内既有控制电路又有功率器件，这又把半导体学科的两个分支 有机地结合起来，于是出现了功率集成电路，它使微电子技术和电力电子技术相 辅相成，把“信息”和“功率”合为一体。 电力电子器件在节省电能方面有很大的潜力，同时由于m o s 器件的加入，使 它在中小功率中的应用有了迅速发展。过去认为节约能量只对功率很大的工业控 制才重要，现在认识到对量大面广的日用电器节能也十分重要。单个日用电器虽 然用电不多，但因为量大，其电能的消耗也是非常巨大的。节能甚至对功率很小 的便携式电器也有必要，因为它可延长电池的使用时间。在便携式电器中，由于 采用新一代m o s f e t ，其电池的使用寿命可增加1 4 倍，这对便携式电器是非常 有利的。 功率集成电路“3 是近几年来发展很快的一个方向，其基本功能是使功率和信 息合一，成为机、电的重要接口，由于装置采用p i c ，可使装置内电源部分的体 积缩小、重量减轻、寄生参数减小、性能改进、可靠性提高、从而使装置的成本 降低。它利用可在同一芯片上实现双极、c m o s 和d m o s 器件兼容的b c d 技术，实 现包含有功率、传感、逻辑控制和保护等功能的电路集成，已被广泛应用于开关 电源、电机驱动、工业控制、汽车电子、日常照明、家用电器等方面。 由于功率集成电路在各个领域有广泛的用途，国外在这方面做了深入的研究 “1 ，比如国际上一些半导体公司，包括t e x a si n s t r u m e n t 、a t & t 、h a r r i s 浙江大学硕士研究生毕业论文 s e m i c o n d u c t o r 、i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r 、p o w e ri n t e g r a t i o n s 、p h i l i p s 和 s g s t h o m s o n ，都在向这方面发展，但是国内对于这方面的研究还处于起步阶段， 无论是电气参数，还是可靠性等级水平方面均呈明显的劣势。目前国内的功率集 成电路基本上依赖于进口，随着信息处理的功率化等一系列原因，对功率集成电 路的需求越来越大。面对国内巨大的市场潜力，研究和设计功率集成电路有助于 弥补我国在这方面的空缺，促进我国电子行业的发展。而功率集成电路是集成电 路设计中难度较大的一种，而且对工艺的要求非常严格。其设计不仅是电路设计， 还包括功率器件结构设计和工艺设计，难度较大，成功率较低。 1 2 电源技术的发展及其对集成电路的要求 1 2 1 线性电源 电源系统有如电子设备的血液，源源不断地向电子系统提供能量。正如人体 系统不同部分对营养成分的需求不同，电子系统对电源的要求也不尽相同。一般 情况下，电源( 如市电) 要经过转换才能合乎电子系统使用的需要，如a c d c 转换器。多年来，在a c d c 转换器中线性电源被广泛使用，其中的一个原因是由 于它的电路简单，用到的元件少，价格便宜。电路通常由变压器、桥堆和电容所 组成。变压器把2 2 0 v 的交流电压降到合适的电压，经过四个二极管组成的桥堆 得到初步的直流电源，再经过电容滤波，就是一个简单的线性电源。 但是从桥堆所输出的电压还没有经过调整，如要获得较好的直流电压，在桥 堆后还要加调整电路。显然，要获得精度较高的输出值必然要增加电路的复杂度 及费用。图1 1 就是一个经过初步调整的线性电源电路。 图1 1 线性电源原理图 塑坚查堂堕主堡塞竺兰些堡苎 s e m i c o n d u c t o r 、i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r 、p o w e ri n t e g r a t i o n s 、p h i l i p s 和 s g s t h o m s o n t 都在向这方面发展，但是国内对于这方面的研究还处于起步阶段， 无论是电气参数，还是可靠性等级水平方面均呈明显的劣势。目前国内的功率集 成电路基本上依赖于进口，随着信息处理的功率化等一系列原因，对功率集成电 路的需求越来越大。面对国内巨大的市场潜力，研究和设计功率集成电路有助于 弥补我国在这方面的空缺，促进我国电子行业的发展。而功率集成电路是集成电 路设计中难度较大的一种，而且对工艺的要求非常严格。其设计不仅是电路设计， 还包括功率器件结构设计和工岂设计，难度较大，成功率较低。 1 2 电源技术的发展及其对集成电路的要求 1 2 1 线性电源 电源系统有如电子设备的血液，源源不断地向电子系统提供能量。t e 如人体 系统不同部分对营养成分的需求不同，电子系统对电源的要求也不尽相同。一般 情况下，电源( 如市电) 要经过转换才能合乎电子系统使用的需要，如a c d c 转换器，多年来，在a c d c 转换器中线性电源被广泛使用，其中的一个原因是由 于它的电路简单，用到的元件少，价格便宜，电路通常由变压器、桥堆和电容所 组成。变压器把2 2 0 v 的交流电压降到合适的电胜，经过四个二极管组成的桥堆 得到初步的直流电源，再经过电容滤波，就是一个简单的线一洼电源。 但是从桥堆所输出的电压还没有经过调整，如要获得较好的直流电压，在桥 堆后还要加调整电路。显然，要获得精度较高的输出值必然要增加电路的复杂度 及费用。图l1 就是一个经过初步调整的线性电源电路。 及费用。圈1 1 就是一个经过初步调整的线性电源电路。 卜 - 硼甜 ! l 二皇l 皂 士菩芎 闺 图1 1 线性电源原理图 浙江大学硕士研究生毕业论文 线性电源的主要问题在于：输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在一 个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷还是在体积和重量上。前面提到 通过外加调整电路可以使输出精度增加，但这更增加了功率消耗，并使效率更低。 一般地，线性电源要达到5 0 的效率就不容易了，雨这些消耗的功还带来散热 问题。如果要使线性电源在一个通用输入电压范围为( 8 5 v 2 6 5 v h v ) 工作，会 导致线性电源的效率更低。而单一输入电压值的线性电源会给生产产家带来不少 麻烦，为了针对不同的输入电压值生产厂家不得不准备很多规格的电源。 1 2 2 开关电源 由于体积和重量上的问题，在便携式电器日益增多的今天，线性电源的应用 越来越受到限制。一般来说，凡用半导体功率器件作为开关将一种电源形式转变 为另一种电源形式的主电路都称为开关转换电路；转换时采用自动控制的闭环电 路来稳定输出并有各种保护环节的称为开关电源( s w i t c h e dm o d ep o w e rs u p p l y 简称s m p s ) 。 开关电源自从6 0 年代问世以来，就在各个领域得到了广泛的应用。苹果公 司是最早在它的电脑中应用开关电源的公司之一，开关电源的应用也是苹果电脑 价格低廉的一个重要原因。而现在几乎所有的计算机都采用各种开关电源技术来 满足不同的需要。 开关电源”1 中主要的组成部分有：p w m 控制器、功率开关管、变压器和反馈 电路。图1 2 显示的就是个简单的开关电源电路。其输入部分由四个二极管的 桥堆和输入电容组成，产生未经调整的直流高电压。该高压直流电再进入到变压 器的原边，然后通过变压器耦合到副边。通过在副边的反馈电路，把输出电压( 或 输出电流) 的变化反馈到p w , t 控制器上，而p w m 控制电路根据反馈过来的电压( 或 电流) 值的大小来决定功率m o s f e t 开、关时间的长短，从而将输出电压( 或电 流) 维持在一个稳定的值上。也就是说，通过快速地开、关开关管( 一般p ! 珊j l 的开关频率是从5 0 k h z 到1 m h z 之间) ，并由m o s f e t 开、关时间的长短即占空比 来调整存在变压器原边上的能量，提供一个持续稳定的输出电压。根据反馈电路 的不同，输出精度也不同，一般可达正负1 5 左右。 7 浙江大学硕士研究生毕业论文 图1 2 开关电源原理图 虽说开关电源开始对线性电源构成了威胁，但是早期的开关电源除了p 嘲 控制器和功率开关管外，还包括大概4 0 到8 0 个分立元件构成其他的一些辅助电 路，这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到了影响。所以从提高开关电 源的竞争力来说，提高控制电路、保护电路的可集成性使得电源系统的设计更加 简单化是个关键的问题。 多年来，由于技术上的障碍( 高压、大功率) ，开关电源集成电路在集成化 上一直得不到很大的进步。但是最近这几年，把在开关电源中用到的功率开关管 和低压控制功能都集成到一片芯片中的技术已经漫慢成熟。因此可以通过集成复 杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热关断电路、限流 电路、过欠压保护电路等等。 通过上面的分析和比较我们可以看到，与线性电源相比开关电源输出精度 高、转换效率高、性能可靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅缩 小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于5 0 k h z 到1 m h z 的高 频条件下，相对于线性电源中工作于5 0 h z 的市频状态，因此缩小了变压器的体 积和重量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重要。一般说来，开关电源的 重量是线性电源的1 4 ，相应的体积大概是线性电源的1 3 。 最近电子系统微型化、便携化的市场需求非常的强烈。一般的电子系统中， 电源电路占有较大比例的体积和重量。所以电源电路的小型化和集成化意义重 大。 另外，环保意识的增强，各国特别是欧美等发达国家对节能的要求越来越高。 如果用5 0 多个分立元件来搭成传统的开关电源，那么一般而言是达不到这种要 浙江大学硕士研究生毕业论文 求的。 令人高兴的是，因为有市场需求的驱动，尽管难度大，成本较高，功率集成 的技术还是得到了非常明显的发展。一系列的新型开关电源集成电路面市。随着 生产工艺技术的成熟，已经能将低压控制单元和高压大功率管集成到同块芯片 之中。t i 、o ns e m i c o n d u c t o r 、p o w e ri n t e g r a t i o n s 等公司都已经有类似的产品， 而国内则几乎是一片空白。由于开关电源在体积、重量、效率以及可靠性上的优 势，它的研究和发展速度是惊人的。其主要应用领域有：邮电通信：作程控交 换机、移动通信基站电源；计算机：作为各种p c 机、服务器、工业控制机的 开关电源：家用电子产品：目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、影碟 机等；其他行业：如电力、航天、军事等领域。 这些新型的开关电源“”“3 集成电路一般都集成一个高压m o s f e t 或者双 极型晶体管以及低压p w m 控制器。另有一些附加功能，如启动电路或者各种保 护电路也可以集成进去。 s w p s 的布局是多种多样的，但最常见的是回扫变换器。输入电压首先被整 流、平滑，然后经过变压器和初级开关，初级控制器根据来自次级的反馈信号改 变占空因数。一个未隔离的变压器，有时也可以用电感。若输入输出回路在电路 上相互独立，通过变压器来提供隔离并有一个合适的占空因数，称为离线式，本 论文所设计的开关电源即为这种离线式的“。这种回扫式s m p s 有两种工作方 式：连续性和非连续性传导。在非连续传导模式中，当开关接通时电压被加到变 压器的初级，此时，次级的二极管是断开的，变压器相当于一个电感器，电流只 流经初级线圈，并将能量以磁通量的形式存储于初级线圈内。当开关断开后，次 级二极管接通，电流通过次级线圈，储存于初级线圈中的能量被转换到次级大容 量电容器内，磁感应电流逐渐减小到零，因此为菲连续传导模式。如果磁感应电 流没有减小到零，那么称该种模式为连续传导模式。这两种模式各有特点，可以 使一个设计以大负载工作在连续模式或以小负载工作在非连续模式。在开关电源 中另有两种控制模式：电压和电流型的控制模式。所谓电压模式是指输出电压被 反馈回来直接控制开关管的占空比；而在电流模式中，次级电压被反馈回来控制 最大开关电流。本课题所设计的开关电源芯片是电流模式控制的，即控制i c 的 脉宽调制( p w m ) 部分接通电路，在电流达到有反馈信号设定的限定值后，断 浙江大学硕士研究生毕业论文 开电路。 根据不同功率档次和应用需要，器件通常分为两类：双片和单片。双片型包 括一个控制电路芯片和一个金属氧化物场效应管芯片，而单片型只包括一块电 路，用b c d 工艺制造。这种新型的单片开关电源集成电路给电源系统带来了很 多优势。首先，该设计显著地减少了外围元件数目，由此使用开关电源使其体积 变得更小、重量变得更轻成为可能。其次，减少元件数目在提高可靠性的同时也 减少了费用。另外，集成化还带来了其他的好处，比如：由于提供了更好的过热 保护和过流过压保护，在一定程度上也减少了外围元件。 本论文所设计的开关电源为离线式电流反馈控制模式的三端口器件，将高压 ( 高达7 0 0 v ) 功率l d m o s 管，低压模拟数字控制电路都集成在单片器件中， 实现a c d c 转换的功能。值得一提的是，a 创d c 转换器工作原理是交流电经过 硅桥整流变为高压直流电，然后再经过一个d c d c 变换器来调整稳定电压。所 以a c d c 转换的关键在于d c d c 转换，这在后面的章节会作详细的说明。 1 3 功率集成电路的特点及发展 功率集成电路( p i c ) 是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、 保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片上的集成电路i ”“。以前一般将其分 为智能功率集成电路( s p i c ) 和高压集成电路( h v i c ) 两类，但随着p i c 的不断 发展，两者在工作电压和器件结构上( 垂直或横向) 都难咀严格区分，已习惯于将 它们统称为功率集成电路。广义而言，p i c 是控制电路与功率负载之间的接口电 路，其最简单的电路包括电平转移和驱动电路，它的作用是将微处理器输出的逻 辑信号电平转换成足以驱动负载的驱动信号电平。功率集成电路是机电一体化的 关键接口电路，是s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的核心技术之一。 p i c 出现于七十年代后期，由于单芯片集成，p i c 减少了系统中的元件数、 互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减少了系统的功耗、 体积、重量和成本，但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、g t 0 等，功率 器件所需的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，p i c 的研究并未取得实质性进展a 直至八十年代，由于m o s 栅控制、高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点 的新型m o s 类功率器件，如功率m o s f e t 、i g b t 等的出现使得驱动电路简单，才 1 0 新江丈学硕士研究生毕业论文 迅速带动了p i c 的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了p i c 的应用。 进入九十年代后，p i c 的设计与工艺水平不断提高，性能价格比也随之上升，p i c 逐步进入了实用阶段。美国c s f b 公司2 0 0 1 年5 月2 3 日公布的数据表明：全世 界p i c 的销售额已超过1 0 0 亿美元，并将以超过1 0 的速度增长，预计2 0 0 6 年 p i c 的市场份额将接近2 0 0 亿美元。 p i c 按集成形式可分为两类：一类是单片集成式p i c ，其典型代表为i r 公司 的i r 2 1 1 0 、i r 2 1 3 0 系列功率m o s 驱动i c 。i r 2 1 1 0 、i r 2 1 3 0 在5 0 0 v 或6 0 0 v 电压 下工作，最大峰值电流2 a ，工作频率5 0 0 k h z 。i r 2 2 3 3 、i r 2 2 3 5 工作电压可高达 1 2 0 0 v ，输出驱动电流0 4 a ，t 。t 。为7 5 0 7 0 0 n s 。另一类为混合集成式p i c ， 以东芝公司的i p m 系列模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 为典型代表。它把控制 电路、保护电路、输出功率管i g b t 集成于一体，具有过流、欠压、过温保护能 力，可直接驱动负载。该系列中最高工作电压可达1 7 0 0 v ，最大输出电流为1 2 0 0 a 。 p i c 总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、功耗更低和功能更全。 目前p i c 的主要研究内容为：开发高成品率、低成本的工艺和兼容于c m o s 的研 究，针对包括多个大功率器件的单片p i c 的研究，能在高温下工作并具有较好稳 定性的p i c 的研究，大电流高速m o s 控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。 p i c 的下一个目标是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上。 使之具备系统功能，进而实现单片式功率系统的集成。 功率集成电路除了与数字集成电路、模拟集成电路和功率晶体管各自相同的 共性外，还呈现出其本身固有的特点”。 1 3 1 电路设计上的特点 功率集成电路最主要的特征是：其电路内部有较大的耗散功率。因此，p i c 的设计主要围绕电路的发热问题，即在达到所要求的输出功率前提下，如何尽可 能地降低电路内部的功耗，使电路稳定地工作，特别是使电路少受或不受外界某 些应用条件或环境因素的影响。要做到这一点必须考虑如下一些问题； 1 、尽量使电路的主要参数少受或不受温度的影响 要做到这一点，就必须使电路的静态电流对温度的变化具有负的温度系数， 即温度升高，其静态电流减少。否则，电路将会失效甚至烧毁。在本课题设计中， 浙江大学硕士研究生毕业论文 针对功率集成电路的这个特点，在偏置电压这部分，采用了带隙基准源，减小电 路受温度的影响。 2 、高压器件与低压控制电路之间实现良好的隔离 目前所采用的隔离方法主要有三种：p n 结隔离、自隔离和介质隔离，主要 由功率器件的类型、功率和功率器件构成的电路所决定。 3 、芯片不出现热点 所谓热点是指在芯片小范围内，温度远远超过电流的极限工作温度( 1 7 5 2 0 0 摄氏度) 的热斑。实践表明，“热斑”是半导体功率器件可靠性的宿敌，因 此必须防止“热斑”的产生。在p i c 中“热斑”最可能发生在功率器件所在的部 位，因为功率器件每个基本单元( 元胞) 所承受电流的不均匀是“热斑”产生的 主要原因。因此，必须采用措施使各基本单元所承受的电流一样，以防止“热斑” 的产生。本论文所设计的l d m o s 高压器件为条形状结构，尽可能使沟道中的电 流密度一致。 4 、热稳定性问题 p i c 的热稳定问题不仅牵涉到电路中功率器件自身的结构设计，还涉及到功 率器件和大功率电阻在芯片中的布局和热耦合等问题。 5 、电源抑制比高 在实际应用中，电源电压总会出现不同程度的变化，p i c 应仍能稳定地工作。 为此应附设某些必要的稳定电路提高电源抑制比，以提高电路的稳定度。本次开 关电源设计中，对基准源、振荡器等关键电路模块的电源抑制比都作了一定的优 化。 6 、消除寄生振荡 为充分发挥p i c 的功能，一般将电路的增益设计得较高，因而寄生振荡往往 也会伴随着出现。所以，必须采取措施以消除杂散的交流耦合，从而消除寄生振 荡。 1 3 2 功率器件制作上的特点 功率器件不仅决定了p i c 的输出功率容量，而且还关系到整个p i c 的工作 稳定性及其效率。器件为了达到高耐压的要求，载流子浓度一般要求比较低，对 浙江大学硕士研究生毕业论文 精度的控制要求也很严格。实践表明，在p i c 中，功率器件是最难制作的部分。 由于要考虑与集成电路其他部分的兼容性，因此其电压、电流容量都很难达到作 为分立器件时的状况。为了改善器件的电性能，除考虑各种隔离技术外，还开发 了各种器件技术，如电场缓和技术、互补化技术和b i m o s 技术等。将这些技术 引入到p 1 c 中，以提高p i c 的功率处理能力。 1 3 3 芯片面积与成本考虑上的特点 扩大电路的输出电流或提高电路的工作电压都可增大电路的功率容量，但却 会导致电路芯片面积的增大。实践表明，电路的合格率与芯片面积不是一种简单 的反比关系，而是具有高阶效应的反比关系。也就是说，随着芯片面积的加大， 其合格率将急剧下降，相应的成本也就急剧上升。还要指出，扩大芯片面积以求 增大电路的输出电流时，只有以电流的均匀分布为前提，否则将毫无意义。 究竟采用何神结构有利要视具体情况而定。因此，对p i c 来说，必须在其耐 压、输出电流、芯片面积和制造成本之间实现t r a d e o f f 。 1 3 4 保护措施方面的特点 对于p i c ，除了保证稳定工作之外，还必须考虑到工作时可能出现的瞬时过 载情况。输出过载时电流将超过正常值的数倍。这时如果没有保护装置，那么电 路可能被烧毁或者性能恶化。又如，p i c 在运行时，内部产生的热量将对器件的 性能产生严重的影响。众所周知，器件的失效率是结温的指数函数。因此，为防 止器件高温失效，必须有过温保护措施。总而言之，为防止种种瞬时时可能出现 的意外情况，必须设置过热、过流、过压欠压等相应的傈护电路。 1 3 5 管壳封装上的特点 p i c 封装和管壳的重要性并不亚于芯片的设计制造。因为p i c 的热量散发和 电路工作的热稳定性是与其管壳封装休戚相关的。 从分析可以看出，p i c 是一种很有发展前途的集成电路分支，并具有相当巨 大的应用市场。当然，p i c 的设计、制造也要比般的集成电路复杂和困难得多。 浙江大学硕士研究生毕业论文 1 4 本论文的工作 基于当前电源管理i c 已成为i c 设计的热门以及市场的具体需求情况，本论 文主要设计单片离线式p w m 开关控制电路，实现a c d c 的电源转换，主要包 括低压控制电路( p w m 电路、过流过压保护电路等) 以及高压功率管。 分析设计了所有低压控制电路、功率管的结构，但由于工艺条件有限，只能 对部分电压控制电路实现流片，并排出了可能的工艺步骤。本论文可以分为四个 部分。第一部分由第一章和第二章所组成，第一章论述了功率集成电路的特点及 发展状况，第二章简单介绍了a c ，d c 开关电源的原理以及相应的应用线路。第 二部分包括第三章和第四章，这也是本论文的关键所在之一。第三章对低压控制 电路的各个模块进行分析，在c a d e n c e 环境下进行仿真，并给出一定仿真结果。 第四章为所流片几个模块的测试结果。第三部分为本论文设计的另一重点即为第 五章，介绍了开关电源中高压功率l d m o s 管的设计以及相关数据。最后对器件 仿真工具m e d i c i 软件的介绍并给出器件的仿真程序。 1 4 浙江大学硕士研究生毕业论文 第二章离线式a c d c 开关电源芯片的特点及应用 2 1d c d c 电源电路原理介绍 虽然说本论文所设计的芯片为a c ，d c 转换开关稳压器，但从变换的角度来 看，外界的交流电压经过硅桥转换后已形成了初步的直流电压，然后再经过一个 d c d c 转换，得到一个所需电压值稳定的直流电压。因此该单片开关电源的作 用应该说仍是一个d c d c 变换的控制器，下面介绍d c ，d c 交换的基本原理。 d c ，d c 变换可分为p w m 式、谐振式以及它们的结合方式。每一种方式从输 入到输出之间是否有变压器隔离，可以分为有隔离和无隔离两类。每一类中又有 六种拓扑结构：b u c k 、b o o s t 、b u c k - - b o o s t 、c u k 、s e p i c 和z e t a 。从此可以看出 d c d c 变换的形式非常多，而d c d c 变换本身不是本论文讨论的重点。考虑到 本芯片主要用于采用b u c k 等拓扑结构的离线式( 有隔离) p w m 开关电源，因 此下面只针对这种类型加以原理性分析。 基本b u c k 变换器，又叫降压变换器，电路示意图为图2 1 所示。 产7 & v 。 图2 1 b u c k 变换器 b u c k 变换器由以占空比d 工作的晶体管开关t r 、二极管d 1 、电感l 和电 容c 所组成，完成把直流电压v s 转换成所需的直流电压v o ( v o 、p m 和振荡器( 实现对栅控信号占空比 调整，振荡器的频率为l o o k h z ) 、高压启动电路( 当电路出现过流过压等故障时。 实现整个芯片的重启功能) 、过流过热保护电路( 在芯片出现温度过高、电流过 大时关断功率管从而保护整个芯片，使之能正常工作) 以及驱动电路( 由于开关 管为大功率l d m o s 管，需要有定的驱动电路来开启管子) 和数字控制电路。具 体各个模块是如何实现各自功能的，将会在第三、第四章中作详细的介绍和分析。 2 2 2 管脚功能和性能参数 c d s 引脚功能： d r a i n 脚：输出管m o s f e t 的漏极。在启动时，通过一个内部开关控制的高 压电流源提供内部偏置电流。为内部电流感应点。 c o n t r o l 脚；作为占空比控制时，是误差放大器和反馈电流的输入端。正常 工作时，是分流调整器，提供内部偏置电流。也用作内部电路和自动重启动* b 偿电容的连接。 1 9 浙江大学硕士研究生毕业论文 s o u r c e 脚：为高压管m o s f e t 的源极，作为高压电源的回路。 芯片参数 1 、极限参数： 漏极电压：一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一0 3 v 到7 0 0 v 控制脚电压：一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- o 3 v 到9 v 控制脚电流：一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 0 0 m a 储存温度：一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一6 5 到1 2 5 c 工作结温度：一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一4 0 到1 5 0 。c 2 、其他重要参数： 最大功率：一一一一一一一一一一一一一一一一一- - 4 0 w ( 单一值电压输入) ：一一一一一一一一一一一一一一一一一一一2 0 w ( 全电压输入) 最小功率：一一一一一一一一一一一一一一一一一一6 w ( 单一值电压输入) ： 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一3 w ( 全电压输入) 导通电阻：一一一一一一一一一一一一一一一一一1 0 q ( i d = 1 0 0 r a a 。t j = 2 5 。c ) 最火占空比：一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一7 0 2 2 3 应用电路 + 2 ，5 a 图2 6 芯片应用电路 上图即为本论文所设计芯片的应用电路。输入电压为8 5 2 6 5 v 交流电，输出 渐江大学硕士研究生毕业论文 为1 2 v 2 5 a 的直流信号。左侧为交流电源输入端，右侧为直流电压输出端。整个 应用电路从左到右由五个部分组成：( 1 ) 电容器e l 和电感器l l 组成的电源噪声 滤波器，以抑制高频噪声，作用有二：一是滤除从电源线进入的高频干扰，二是 防止污染电源，抑制本机产生的高次谐波逆行进入电网。l l 是绕在同一磁芯上的 一对线圈，且上下线圈匝数相等，同名端即为图2 6 中所示。当市电输入时( 以 正半周为例) ，从l 1 上线圈流入，从下线圈流出，上下线圈产生的磁通大小相等、 方向相反、互相抵消，因此l l 对交流市电的感抗为0 。当外界或本机的高频干扰 欲通过l 1 时，因干扰电流在上下线圈的流向一致，产生的磁通方向相同，互相叠 加，l 1 对高频干扰呈高感抗，c 1 用于旁路高频脉冲干扰； ( 2 ) 全波整流桥堆u r 和滤波电容器c 2 组成的工频整流滤波电路，将交流市电转换为高压直流电：( 3 ) 本论文所设计的开关电源集成电路芯片i c i 、高频变压器t 等组成的高频振荡和脉 宽调制电路，产生脉宽受控的高频脉冲电压，实现变压和稳压：( 4 ) 整流二极 管v d 2 、电容器c 5 、c 6 、电感器l 2 组成高频整流滤波电路，将高频脉冲电压变换 为直流电压输出。c 4 、r 2 为r c 吸收网络，消除高频自激振荡，减小射频干扰。c 5 、 l 2 和c 6 组成型l c 滤波器，以滤除高频脉冲成分；( 5 ) 光电耦合器i c 2 、稳压二 极管v d 4 等组成取样反馈电路，以控制高频振荡电路进行脉宽调制。图2 。7 即为各 部分的框图。 该电 摊乎一 叫剐取t c g m mh 浙江大学硬士研究生毕业论文 1 的电流为高频脉冲电流，耦台至高频变压器次级t 一2 ，再经过高频整流二极管 v d 2 整流，c 5 、l 2 、c 6 滤波后，输出1 2 v 直流电压。 t 一3 为高频变压器的反馈绕组，用以产生控制电流去改变高频脉冲的占空 比。占空比大、输出直流电压低，如下图2 8 所示。通过调整占空比来达到稳压 的目的。 v 膏 卜下叫 图2 8 占空比随直流电压的变化 + 3 1 0 v 直流高压经高频变压器初级绕组t l 、本电源芯片的d s 端构成回路 如图2 9 所示。d s 间的功率管按l o o k h z 的频率开关，经t l 的电流也为l o o k h z 脉冲电流，并在次级t 一2 上产生感应高频脉冲电压，经整流滤波后输出。t 一3 为 反馈线圈，其感应电源由v d 3 整流后作为i c i 的控制电压，经光耦i c 2 的c e 极加 至本芯片的控制极c 端以提供控制电流i c 。 + 舢4 vt 图2 9反馈控制电路 稳压过程如下：如果因为输入电压升高或负载减轻导致输出电压u o 上升，一 浙江大学硕士研究生毕业论文 方面t 一3 上的反馈电压上升，使光耦接收管的射极电流i e 增大，本芯片控制极i c 上升；同时，u ol - 升也使光耦发射管的工作电流i f 上升，发光强度增加，致使接 收管导通深度增加，i e 增大，i c 上升，于是本芯片的脉冲占空比下降，u o 回落， 最终使之稳定。控制电流i c 与高频脉冲占空比的关系为图2 1 0 所示。输出电压u o 下降时的稳压过程与此相同，只是调节方向相反。 占空| 匕i ) ( o a ) 7 启昀 j 0 2 6 捌嘲电流 i c ( m a ) 图2 1 0 控制电流i c 与高频脉冲占空比的关系 v d l 为箝位二极管，r l 、c 3 组成吸收电路，用于箝位并吸收高频变压器关断时 漏感所产生的尖峰电压，对本芯片起到保护作用。c 8 、c 9 是控制电压滤波电容， c 9 同时与r 3 组成控制环路补偿电路，决定电路自动重启动时间，r 4 是光耦发射管 的限流电阻，r 5 为稳压二极管，保证v d 4 提供足够的工作电流。 浙江大学硕士研究生毕业论文 第三章内部功能模块的电路设计 本论文所设计的芯片是一个集自我偏置、自我保护等功能于一体的用线性电 流控制占空比的开关电源。通过集成尽可能多的功能电路和采用c m o s 的电路 形式来得到高的转换效率。”。由于本电路集成有高压功率管，而功率管具有 高的功耗，于是在主回路部分采用c m o s 工艺，可以显著地减少偏置电路以及 降低芯片的功耗。本章节主要对所设计的主回路各个功能模块进行分析，并给出 一定的参数和结果。这些功能模块即为：偏置电路、误差放大电路、1 0 0 k h z 的 振荡器、p w m 比较器、复位延时电路、高压恒流源、组合逻辑电路以及相应的 保护电路包括过温保护电路、过流保护电路以及过压保护电路。最后会对整个电 路整合后进行分析。 3 1 主回路电路原理和分析 3 1 1 偏置电路 在芯片中，偏置电路起着相当重要的作用。尤其是在本开关电源集成电路为 功率集成电路中，功耗的产生导致芯片温度的变化是难免的，而且本开关电源是 采用自我供电的方式，因此要使基准电压既不受温度变化的影响，也要不受电源 变化的影响。基于这两点采用“带隙基准源”，其原理为：晶体管的基射结电压 v b e 有负的温度系数为一2 m v ，而电压v ( v ，= k t q ) 在室温下的温度系数是 正的为0 0 8 5 m v ”1 。若将电压v ，乘以常数g ，再与电压v b e 求和，使之在温度 系数上能相互抵消，则输出电压为： t + g 巧 ( 3 1 ) 由于v b e 的温度系数一2 t v ，v 。的温度系数为0 0 8 5 m v 。c ，那么令g = 2 3 5 2 9 。这样得到的电压在常温下基本上是零温度系数。在一定温度范围内的温 度系数也是非常低的，能满足实际应用场合的需要。 参考上述要求，我们选择了具有较好温度系数的维德勒带隙基准源。图3 1 中所示右边电路m o 、m 3 、q 2 q 5 以及q 8 q 9 、r 2 r 5 就是一个典型的带隙基准 源，即为维德勒带隙基准。 2 4 浙江大学硕士研究生毕业论文 在设计过程中，我们令r 2 = r 3 , ( 警) 。2 ( 詈) 。，s q 9 i s o 。e 那么 k ，2 l 如2 乞，2 k 。忽略不计0 9 以及0 4 的基极电流，则0 3 的集电极 电流即为q 9 的集电极电流。为了便于计算，我们又令流过r 2 、r 3 的电流相等即 为q 9 发射极电流的一半，为了达到这个要求，就必须使r 2 、r 3 上的压降相等， 即q 2 与q 8 的集电极电压相等，也即q 3 的基极电压与q 8 的基极电压相等。由于 q 3 的发射极电流为q 8 发射极电流的2 倍，如果我们设计q 3 的发射极面积为q 8 发射极面积的2 倍，那么就能保证q 8 的基极电压与q 3 的基极电压相等，从而使 1 得k2 j 焉2 音k ，。显然q 2 的面积大于0 8 的面积。随着v c c 从零开始增大， 开始时q 2 、q 3 、q 8 截至，当电源电压接近0 7 v 时，q 8 导通。由于q 2 的面积大 于q 8 ，所以q 2 饱和。随着电源电压继续增大，由于r 4 的作用，q 2 退出饱和， q 3 导通，电路完成启动工作稳定下来。 r 4 上的电流为： 图3 1 偏置电路原理图 浙江大学硕士研究生毕业论文 而 则 。= 。一：) r( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 由于q 4 的发射极电流即为q 9 ，且，足= 气= 丢k ，可得 ，e = ，r 。= 2 i s 4 = 2 v r l n i i t s 2 r 。 c ，s ， 于是： = k s 恐+ s = 珥惫l n i i s 2 + s ( 3 _ 7 ) 与式( 3 1 ) 相比较可得： 而q 9 的发射极电压为： g ：2 里1 i l 生 (38，ri 4蚰 w ，= k ，r + ，= k 惫l n 每+ 。 ( 3 9 ) 再比较式( 3 9 ) 和式( 3 1 ) ，则 g 于是r 3 = 2 r 5 由于6 = 2 3 5 2 9 取s 口2 = 8 s q 8n l n 8 = 2 0 8 那么 r 3 r 4 = 1 1 3 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 这样，基本上就可以在q 4 、q 9 的发射极得到常温下的零温度系数，而且在 一定的宽温度范围内电压值的变化也相当微小。 下图即为本维德勒带隙基准源输出电压随温度变化的仿真曲线图。 鱼k 生k 啪。 一， 扛，。生 咋 m i 斟 晖 始 强 墨 k k k h 堕r 等 浙江大学硕士研究生毕业论文 一2 7 5 0 0 图3 2 偏置电路温度特性仿真睦线图 从图中可以直观的看到，本带隙基准源的输出温度特性是非常良好的，随着 温度的变化，其输出只在千万分位发生变化基本不影响正常的工作。 当电源电压发生变化为升高时，q 3 的集电极电压也会上升，电流增大，那 么q 3 的基极电压也随着增大。由于q 2 集电极电压的升高导致r 3 上的压降减少， 从而使电流回落。当电源电压减小时，也有类似的负反馈作用使得工作电流基本 温度，从而使输出基准电压不随电源电压的变化。于是该维德勒带隙基准源也有 良好的电源抑制比，使镊芯片中其他功能模块的偏置电压不受电源电压变化的影 响。下图为该偏置电路的稳压特性图。