（电路与系统专业论文）acdc脉宽调制开关电源控制芯片设计.pdf

人连理t 大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，通信、消费电子类产品等对开关电源需求迅猛增长，开关电 源核心控制电路的集成化是开关电源的发展方向。集成脉宽调制模式控制芯片的开关电 源具有频率特性好、线性度高、输出电压纹波较小等优点，已成为功率电子学研究领域 的一大热点，并在通讯、计算机等领域获得了广泛应用。 本文基于双极工艺，利用c a d e n c ee d a 设计工具，在分析开关电源工作原理的基础 上，设计了一种a c d c 脉宽调制开关电源控制芯片。论文详细分析了不同种类开关电 源控制芯片的实现方法，根据功能需要设计了开关电源控制芯片整体电路，并细化其内 部各个功能模块，主要包括电压基准源、振荡器、保护电路、斜坡补偿等功能模块。本 文设计的开关电源控制芯片在系统结构上的特点是：采用一种简洁的电路结构检测输出 电压，有效地去除了因误差放大器精度不高对p w m 控制芯片性能的影响，并减小了芯 片面积，降低了成本。整体电路采用华润晶芯1 8 岬b i p o l a r 工艺库进行设计，经c a d e n c e s p e c t r e 仿真验证达到了所设定的指标。最后，根据电路设计绘制芯片版图，并通过d r c 、 l v s 验证，完成了整体设计。 本文设计的a c d c 脉宽调制开关电源控制芯片，工作温度范围0 。c 一1 3 0 ；工作频 率6 0 k h z ；输出信号的最大占空比7 8 。 关键词：开关电源；脉宽调制；电流型模式；双极工艺 人连理工大学硕+ 学位论文 d e s i g no f a c d cp w ms w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o li c a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ni n d u s t r y , t h ed e m a n do ft h e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi n c r e a s e sr a p i d l y t h ec o r eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o lc i r c u i t t oa c h i e v ei n t e g r a t e di st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h e p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o nm o d es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a sa d v a n t a g e s ，s u c h a sg o o d f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，h i g hl i n e a r i t y ，s m a l l eo u t p u tv o l t a g er i p p l e ，a n do t h e r s s w i t c hm o d e p o w e rs u p p l i e si n t e g r a t e dp w mc o n t r o lc h i pa r ew i d e l yu s c di nt h ec o m m u n i c a t i o n s c o m p u t e r ，a n do t h e rf i e l d s b a s e do nt h eb i p o l a rt e c h n o l o g y , u s i n gc a d e n c ee d a d e s i g nt o o l s ，i nt h es t u d yo f p r i n c i p l eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , t h i sp a p e rd e s i g n sak i n do fa c - d cp w ms w i t c h i n g p o w e rs u p p l yc o n t r o l l e rc h i p t h ep a p e ra n a l y z e dd e t a i l e d l yt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h e c l a s s i f i c a t i o no ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l l e rc h i p a c c o r d i n gt of u n c t i o n a ln e e d s ， t h ep a p e rd e s i g n st h ew h o l ec i r c u i to fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l l e rc h i pa n dr e f i n e si t s i n t e r n a lv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e s t h em a i nm o d u l e so fp w mc o n t r o l l e rc h i pi n c l u d e v o l t a g er e f e r e n c e s ，o s c i l l a t o r ，t h ep r o t e c t i o nc i r c u i t s ，s l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t s ，a n do t h e r f u n c t i o n a lm o d u l e s i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fs w i t c h i n gp o w e r s u p p l yc o n t r o l l e rc h i pu s e sa s i m p l ec i r c u i ts t m c t u r ed e t e c tt h eo u t p u tv o l t a g e ，e f f e c t i v e l yg e t t i n gr i do fi m p a c to f p e r f o r m a n c eo nt h ep w m c o n t r o l l e rc h i pb e c a u s eo ft h ee r r o ra m p l i f i e r sl o wa c c u r a c y ， r e d u c i n gt h ea r e aa n dc o s to ft h ec h i p t h ew h o l ec i r c u i t so fc h i pa r ed e s i g n e du s i n gt h e c s w c1 8 b i nb i p o l a rp r o c e s sl i b r a r y 1 1 1 ec i r c u i t sw h i c ha r es i m u l a t e da n dv e r i f i e db y c a d e n c es p e c t r er e a c ht h es e tt a r g e t s f i n a l l y , a c c o r d i n gt oc i r c u i td e s i g nd r a wt h el a y o u ta n d c o m p l e t et h ed e s i g nt h r o u g hd r c a n dl v sv e r i f i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g na c d cp w ms w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l l e rc h i p ，t h e w o r k i n gt e m p e r a t u r er a n g ef r o mo c 一1 3 0 ( 2 ，t h ew o r k i n gf r e q u e n c yi s6 0 k h z ，t h em a x i m u m t i m ep r o p o r t i o no f i t sh i 曲l e v e li s7 8p e r c e n t k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p t y ；p w m ；p e a kc i r c u i t ；b i p o l a rp r o c e s s i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另0 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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 n 作者签名：型聱日期：塑2 ：之：兰 大连理t 大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：避 导师签名纽至 塑旦年生月兰生日 人连理i ：大学硕十学位论文 1绪论 1 1 课题提出 随着电子技术的快速发展，电子设备与人们工作、生活的关系同益密切。电子设备 都离不开可靠的电源，特别是进入8 0 年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先 完成了计算机的电源换代；进入9 0 年代，开关电源相继进入各种电子电器设备，更促 进了开关电源技术的迅速发展。 开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电 源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控 电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。从线 性电源到开关电源是电源发展史上的一个质的飞跃【l 】。开关电源内部关键元器件工作在 高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达8 0 。9 0 ，比普通线性稳压电源效 率提高近一倍，被誉为高效节能电源。开关电源是利用体积很小的高频变压器来实现电 压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和 散热器，这就为研究与开发高效率、高精度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠 定了基础。开关电源以小型、轻量和高效率的特点已经被广泛应用于以电子计算机为主 导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不 可缺少的一种电源方式【2 j 。 开关电源由主电路与控制电路两大部分组成，主电路将能量传递给负载电路，控制 电路则按照输入输出状态控制主电路工作状态，将控制电路集成化即成为开关电源集成 控制i c 。采用高性能控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等优 点，是开关电源的发展趋势【3 1 。 目前，我国开关电源需求量很大，但国内较成熟的开关电源控制芯片产品较少，特 别是交流到直流变换开关电源控制芯片市场，大部分被国外产品占据。随着我国消费类 电子产品和多媒体产业的快速发展，开关电源需求量将会更大，这迫切要求国内开发出 具有自主知识产权的开关电源控制芯片产品，以占据广阔的应用市场。因此，研究开关 电源控制芯片具有及其重要的理论意义和实际意义，正是在此d 口提下开展了本课题的研 究工作。 1 2 开关电源的研究现状及发展态势。 1 9 5 5 年，美国罗耶( g h r o g e r ) 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器， 是实现高频转换控制电路的开端；1 9 5 7 年，美国查赛( j e ns e n ) 发明了自激式推挽双变 a c - d c 脉宽调制开笑电源控制芯片设计 压器：1 9 6 4 年，美国科学家提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这为电源体积 和重量的下降开辟了一条有效的途径；1 9 6 9 年，由于大功率硅晶体管耐压性能的提高， 二极管反向恢复时| 、日j 缩短等性能的改善，终于做成了2 5 千赫的丌关电源【4 l 【5 】。 全球范围内大规模开关电源的研究开发和生产是从七十年代兴起的，八十年代初中 国也开始了开关电源的研究工作。现在，开关电源已经在各种整机产品上得到了广泛的 应用。其应用领域主要有：邮电通信领域的作程控交换机，移动通信基站电源；计算机 领域的各种p c 机服务器，工业控制机的开关电源；家用电子产品( 如电视机、影碟机等) 中的开关电源；还有电力、航天、军事等领域。 据资料显示，全球开关电源市场从2 0 0 0 到2 0 0 6 年，年平均增长率保持在1 0 以上。 这是由于作为电源和开关电源最主要用户的计算机及其外部设备市场的不断发展，以及 通信业的异军突起，促进了开关电源市场的日益增长，使全球开关电源市场呈现十分美 好的前景。 目前，在计算机、电子仪器仪表和通信设备中，应用得最多的开关电源有a c d c 和d c d c 两种。开关电源除了主要应用在计算机、仪器仪表和通信领域之外，还普遍 用在通用工业和消费电子产品领域【6 】。 开关电源产品的特点是体积小、重量轻、效率高，正在向着模块化、抗电磁干扰性 强的方向发展。在开关电源领域，正在开展一场技术革新，例如功率系数的校正、相位 调制、高频电源、零和零电流转换以及单片式转换调节器等，所有这些改进，都使开关 电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大大拓宽，在新兴的通信领域大有用武之地。 虽然开发电源的厂商不少，但是由于业内的竞争异常激烈，目前还没有哪一家能独家垄 断市场。日本和美国的电子工业和通信业很发达，对开关电源的需求量非常大。日本约 占全球市场的5 0 ；美国约占2 9 ；欧洲约占1 1 ；亚洲( 除日本外) 约占5 。虽然亚 洲目前在全球开关电源市场上所占比例尚小，由于亚洲通信业的高速发展，对开关电源 的需求也将与日俱增，其需求量在全球市场上的比例将翻一番，上升至1 2 ，并且这个 比例还将继续增长，从而成为世界上最有发展潜力的开关电源市场之一。 新的发展形势对于我国电源行业面临着严峻的挑战。我国的电源技术研究，从理论 到实验、仿真，与世界水平比较是不低的，在一些方面还常有突破；但是在产品方面， 结构和工艺差距就明显了。现在看来，全集成自动化、生产量大且价格便宜的产品，自 然将会大面积占领市场，结构工艺落后、价格又贵的产品将遭到自然淘汰。 现在，国内一些大公司生产的通信用开关电源，性能完全可以和进口产品竞争，在 国内的研究领域已出现了一些可喜的动向，如对0 8 w 5 0 a 电源模块的开发研究，合理 选择优化的电路拓扑是重要的，工艺结构可能更重要。因为如此低的电压和大电流输出， 一2 夫连理j ：人学硕士学位论文 如果用器件间的导线联接将很难达到技术要求，因此迫使原来作电路拓扑研究的人不得 不考虑器件的更合理布局，同时采用集成的工艺结构，以尽量减小内部导线的压降损耗。 某些境外公司在国内设置的电源技术研究开发机构，近年来也投入技术力量与资金，成 立了电源控制芯片设计与电源系统集成等相关部门，并随市场的增长逐年加大投入力 度，这将对我国电源系统集成的研究起到非常好地导向作用。 开关电源产品的技术发展趋势是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。 可以预计，下面几个问题是开头电源发展的永恒方向： ( 1 ) 小型、薄型、轻运化 由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目| ；i 都在致力于同步开发新型高智 能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用s m t 技 术在电路板两面布置元件，以确保开关电源的轻、小、薄。 ( 2 ) 高效率、低噪声 为了使开关电源轻、小、薄，高频化是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的 p w m 开关功耗加大，效率降低，噪声提高，达不到高频、高效的预期效益。因此，开 关电源的设计者并不盲目追求高频化，而是在噪声和开关工作频率之问做适当的折中， 或寻求其它途径追求高效率并解决开关电源的噪声问题。美国w i c o r 开关电源公司设 计制造了多种a c d c 变换器，其最大输出功率有8 0 0 w 、6 0 0 w 、3 0 0 w 等，相应的功 率密度为6 2 、1 0 、1 7 w c m 3 ，效率为8 0 9 0 ：r 本n e m i c l a m b d a 公司推出一种采用软 开关技术的高频开关电源模块r m 系列，开关频率为2 0 0 3 0 0 k h z ，功率密度为2 7 w e r a 3 ， 用同步整流器使整个电路效率提高到9 0 。 ( 3 ) 高可靠性 开关电源比连续工作电源使用的元器件数目多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命 角度出发，电解电容、光耦合器等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从 设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低温度、减少器件的电应力、 降低运行电流等措施，使其开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的m t b f 高达 1 0 0 万小时以上。 ( 4 ) 抗电磁干扰( e m l l 当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，抗 e m i 的开关电源研制日益重要。 ( 5 ) 电源系统的管理和控制 应用微处理器或微机集中控制与管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化，微 处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保正常运行。 a c - d c 脉宽调制开关电源控制芯片设计 ( 6 ) 计算机辅助( c a d ) 利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、设计印刷电路板、热传导分 析、e m l 分析以及可靠性等进行c a d 设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的 设计方法。 ( 7 ) 产品种类多、更新快、功能全 目前的开关电源产品要求输入电压通用，适用中国及全世界电网电压规格；输出电 压范围扩大，如计算机和工作站需要增加3 3 v 电压、程控需要增加直流1 5 0 v 电压，并 具有过压保护等功能。 1 3 开关电源控制芯片的发展 近几十年来，集成开关电源沿着两个方向不断发展，第一个方向是对开关电源的核 心单元一控制电路实现集成化。1 9 7 7 年，国外首先研制成p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制器集成电路，美国m o t o r o l a 公司、s i l i c o ng e n e r a l 公司、u n i t r o d e 公司相继推出一 批p w m 芯片，典型产品有m c 3 5 2 0 、s g 3 5 2 4 、u c 3 8 4 2 。9 0 年代以来，国外又研制出 开关频率达1 m h z 的高速p w m 、p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 芯片，典型产品有 u c l 8 2 5 、u c l 8 6 4 。第二个方向则是对中小功率开关电源实现单片集成化。2 0 世纪8 0 年代初，意一法半导体有限公司率先推出i a 9 6 0 系列，其特点是将脉宽调制器、功率输 出极、保护电路等集成在一块芯片上，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低 电压输出、大中功率、大电流、高功率的开关电源。1 9 9 4 年，美国动力公司( p o w e r ) 首 先研制成功三端隔离式脉冲调制型单片开关电源，第一代产品是t o p 系列，第二代是 1 9 9 7 年问世的t o p i i 系列。在1 9 9 8 年，该公司又推出了四端单片开关电源 t i n y s w i t c h 系列。在这之后，m o t o r o l a 公司于1 9 9 9 年推出了m c 3 3 3 7 0 系列五端单 片开关电源。 近几年，外国芯片设计企业加大了电源管理芯片产品的研发投入。电源管理芯片已 形成四大系列，近7 0 种型号的产品。虽然电源管理芯片工作频率一直被不断提高，但 考虑到体统稳定性、电磁兼容等问题，芯片设计企业已不再盲目地追求芯片的高工作频 率，而是投入更多的资金开发低成本、低功耗、低电磁干扰、高效率的电源管理芯片。 目前，市场上开关电源控制芯片主要国外厂商有a c t i v e s e m i ，o n - b r i g h t 和意法半导 体( s t ) ，他们在a c d c 类电源管理芯片的代表产品分别为a c t s 0 ，o b 2 2 1 l ，v i p e r 5 3 e 。 国内的电源芯片设计公司也推出很多优秀的产品，但主要是d c d c 类产品，a c d c 类 产品较少，且性能逊色于国外同类产品，还有待进一步发展【”。 一4 大连理_ i ：大学硕十学位论文 通讯、计算机、汽车等诸多领域的巨大需求，使得开关电源市场的发展非常迅速。 今后几年，特别是对a c d c 开关电源专用集成控制芯片的需求也越来越大。因此，本 文对于a c d c 开关电源控制芯片的研究与设计具有重要意义。 1 4 本文主要工作 本文将在简单介绍开关电源控制芯片的调制模式及控制模式基础上，着重介绍 p w m 调制模式，给出了电压型p w m 和电流型p w m 控制器的结构，研究分析各种系 统构架的特点，总结出两种控制方式的优缺点。在此基础上，选定p w m 控制器的峰值 电流型控制方式，并最终确定电路设计方案。分析了p w m 控制器芯片内部系统框架及 工作原理，确定了芯片各项性能指标。 本文根据确定的系统结构，设计了一种电流型p w m 控制器芯片，并完成了内部各 个功能模块的电路设计。论文详细叙述了基准电压源、振荡器、p w m 比较器、斜坡补 偿电路、过压保护、过流保护、温度保护电路和输出驱动电路的设计过程，并给出电路 结构图和相应仿真结果。最后，根据采用的工艺，完成了版图设计。 本文设计的a c d c 开关电源控制器的主要目标如下： ( 1 ) 芯片正常工作电源电压4 8 v 9 v 。 ( 2 ) 芯片正常工作温度范围0 1 3 0 。c 。 ( 3 ) 芯片开关频率6 0 k h z 。 ( 4 ) 静态电流3 m a 。 本文设计在如下的工作环境下完成： ( 1 ) 硬件系统：s u n u 6 0 服务器，u n i x 系统平台。 ( 2 ) 工具软件：开发工具为c a d e n c e ，电路设计工具是c o m p o s e r ，仿真工具是 s p e c t r e ，版图设计工具是v i r s i t o 。 ( 3 ) 工艺文件：采用华润晶芯1 8 哪b i p o l a r 工艺库设计。 a c - d c 脉宽调制开关电源控制芯片设计 2 开关电源控制芯片工作原理 开关电源因其体积小、重量轻、效率高等优点，在中小功率乃至大功率领域都得到 了广泛的应用。从输入输出之间是否有变压器隔离，可以分成有隔离、无隔离两类。每 一类中又有多种拓扑结构：b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 等。若按激励形式不同，可分为 自激式和他激式两种。其中：自激式包括单管式变换器和推挽式变换器两种；他激式变 换器按不同调制模式分类有：脉宽调制、脉频调制、脉冲跨周期调制等。脉冲宽度调制 ( p w m ) 的开关频率恒定，通过调节导通脉宽来改变占空比；脉冲频率调s t ( p f m ) 的脉冲 宽度恒定，通过调节开关频率实现对电能的控制；脉冲跨周期调锘t j ( p s m ) 检测反馈信号 电平，决定是否在该时钟周期内工作【8 j 。目前，应用较广的是脉冲宽度调制模式，包括 正激式、反激式、半桥式和全桥式等【9 】。本章将详细介绍开关电源的工作原理及分类。 2 1 开关电源电路工作原理及拓扑结构 最基本的开关电源结构如图2 1 所示，开关s 以一定的时间间隔重复地接通和断开， 在开关s 接通时，输入电源e 通过开关s 和滤波电路提供给负载r l ，在整个开关接通 期间，电源e 向负载提供能量；当开关s 断丌时，输入电源e 便中断了能量的提供。由 此可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳 压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时， 向负载释放。 一 d 晓+ 上 b 图2 i 开关电源工作原理 f i g 2 1p r i n c i p l e o f s w i t c h p o w e rs u p p l y 一6 大连理1 ：人学硕士学位论文 开关电源由电感l 、电容c 、开关晶体管s 、以及二极管d 等元件构成，按照主回路 拓扑的不同，可以分为三种基本组合：降压b u c k 变换器、升压b o o s t 变换器、升降压 b u c k b o o s t 变换器l lu j 。 b u c k 变换器也称为降压变换器，如图2 2 所示。s 闭合后，除向负载供电外，还有 一部分能量储存于l 、c 中，二极管截止。s 断开时，l 上产生极性为左负、右正的反 向电动势，使二极管导通，l 中的电能传送给负载，维持输出电压不变。 图2 ，2b u c k 变换器拓扑结构 f i g 2 2t o p o l o g yc o n f i g u r a t i o no f b u c kc o n v e r t o r b o o s t 变换器也称升压变换器，如图2 3 所示。s 闭合后，l 上有电流流过而储存电 能，续流二极管截止。s 断开后，l 上产生极性为右负、左j 下反向电动势，使二极管导 通，l 上储存的能量经二极管向负载供电。 l 图2 3b o o s t 变换器拓扑结构 f i g 2 3t o p o l o g yc o n f i g u r a t i o no f b o o s tc o l l v e r t o r b u c k b o o s t 变换器如图2 4 所示。当s 导通时，电流流过电感l ，l 储存能量。当s 断开后，电流有减小趋势，l 上产生极性为上负下正反向电动势，二极管导通，负载上 有了输出电压，电容c 充电储能。 a c - d c 脉宽调制开关电源控制芯片设计 v _ s 酬， 壤 m 1 l y r e 图2 4b u c k - b o o s t 变换器拓扑结构 f i g 2 4t o p o l o g yc o n f i g u r a t i o nb u c k - b o o s tc o n v e r t o r 本文设计的开关电源芯片所应用的电路采用反激式变换器结构，其基本结构如图 2 5 所示i l “】。这种拓扑结构因其相对简单和多输出特性而得到广泛应用。它与 b u c k - b o o s t 变换器的不同就是将电感改为了变压器t ，其最大的优点是不需要接输出滤 波电感，使反激式变换器成本降低，体积减小。该拓扑结构在输出端可以不接滤波电感， 而正激变换器由于输出滤波电感必须承受高压而带来许多问题。此外，反激变换器不需 要高压续流二极管，使它更适合在高电压的场合应用【1 3 】。 v o u t 图2 5 反激式变换器电路图 f i g 2 5 c i r c u i to f f l y b a c kc o n v e r t e r 反激式变换器的工作原理如下：电路的主输出v o u t 接负反馈闭环，v o u t 的采样电 压信号经过f b 反馈给开关电源控制芯片，控制q 1 的导通时问，使输出采样电压在输 入电压和负载变化时跟随参考电压变化。 8 大连理上人学硕十学位论文 从变压器次级同名端标识判别出其为反激式变换器。当q l 导通时，输出整流管d 1 反偏，c l 向负载供电。此时，t a p 的电压恒定，电感电流线性上升，达到 ，= ( 一) 乙，其中为开关管q 1 的集电极与发射极之间的电压。变压器储 存的能量为： e ：丛生 ( 2 1 ) 当q l 关断时，励磁电感的电流使各绕阻电压反向，设此时次级绕阻为n m 。由于 电感电流不能突变，在q l 关断瞬间，变压器次级电流幅值为： t = 惫 ( 2 2 ) 几个开关周期后，次级电流对电容充电，电压上升到v 。u t 。q 1 关断时，n 。同名端 为正，电流从该端流出并线性下降，斜率为d 出= v o u t 厶，其中l m 为次级电感。若 次级电流在下一个周期开始前下降到零，则变压器存储的能量在q 1 再次导通i ； 己全部 传送到负载端，变压器工作于不连续模式，否则变压器工作于连续模式。由于一个周期 内传递的能量e 即为输入功率，一个周期t 内直流电压v 。提供的功率为： p ：丝竺 ( 2 。， 一l i ， = 21 ：! ： ( 2 3 ) 又因：= ( 一) 乙0 ，则有： p ：丛丘二垡! ：互! 。丘量 ( 2 4 ) 2 丁k2 死， 从式( 2 4 ) 可见，只要保持反馈环乙恒定，即可保持输出恒定。t 。为开关的导 通时间，可根据不同的输入电压，来确定开关的导通时间，能够得到稳定的能量传输， 进而得到稳定的电压输出。开关电源控制芯片对开关导通时间的控制方式，称为开关电 源调制模式。 2 2 开关电源调制模式分类 开关电源电路的调制模式主要有三种：脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 、脉 冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 、脉冲跨周期调制( p u l s e - c y c l es k i p m o d u l a t i o n ) u 0 。在脉冲宽度调制( p w m ) 方式中，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲 一9 a c - d c 脉宽调制开关电源控制芯片设计 宽度来改变占空比，从而实现对电能的控制，称之为“恒频调宽”i l l - 1 3 。脉冲频率调制 ( p f m ) 方式的脉冲宽度恒定，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，1 1 4 1 。脉冲跨周期调制( p s m ) 模式的脉冲宽度恒定，以选择性跳过某 些工作周期的方式调节电能输出。 2 2 1p w m 脉冲宽度调制 p w m 调制模式的开关频率恒定，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。p w m 调制芯片内部主要结构及工作波形如图2 6 所示，其控制原理是： 通过负载端反馈信号与内部产生锯齿波进行比较，然后输出频率恒定宽度变化的方波信 号，对半导体功率开关器件进行控制，根据负载状况实时调节功率开关器件的导通时间， 从而稳定输出电压i ：1 2 】。 p w m 调制模式是开关电源变换器中最常用的控制模式，具有以下优点：在负载较 重情况下效率很高，频率特性好，电压调整率高，线性度高，输出电压纹波较小，适用 于电流或者电压控制模式。p w m 调制模式的主要缺点是在轻负载下效率较低【”】。 输出反馈 参考电压 p 帅控制 信号 图2 6p w m 芯片内部结构及工作波形 f i g 2 6 i n t e r i o rc o n f i g u r a t i o na n dc u r v e $ o f p w m1 ( 2 1 i = e 人连理1 ：大学硕士学位论文 2 2 2 p f m 脉冲频率调制 脉冲频率调制模式p f m 的脉冲导通宽度恒定，通过调节开关的频率，实现对电能 的控制。p f m 调制模式芯片内部主要结构及工作波形如图2 7 所示。其控制原理是：将 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工作频率， 从而达到稳定输出电压的目的。 图2 7p f m 芯片内部结构及i ：作波形 f i g 2 7 i n t e r i o rc o n f i g u r a t i o na n dc u r v e so f p f mi c p f m 调制模式也是开关功率变换器中经常使用的调制模式，具有以下优点：输出电 压调节范围很宽，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。但存在以下缺点：负载调整范围窄，峰值频谱分布 没有规律，给开关电源的滤波器设计带来了困难【”】。 2 2 3p s m 脉冲跨周期调制 p s m 调制方式是开关功率变换器中一种新的控制方式，脉冲宽度恒定，通过选择性 的跳过某些工作周期调节电能输出。其开关损耗与输出功率成正比，采用此调制模式的 开关电源的效率几乎与负载无关【1 5 1 。其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【l6 】。p s m 的调制信号基于“恒宽恒频”的脉冲控制信号，满负载下，脉冲 控制信号为满周期输出，当轻负载时，一些控制周期被跨过，在被跨过的周期里，功率 a c - d c 脉宽调制开关电源控制芯片设计 管一直处于关断状，这种调制模式是通过控制功率管导通周期数来稳定输出电压的高 低。其工作波形如图2 8 所示。 c l o c k d m a x i d r a i n 图2 8p s m 芯片 ：作波形 f i g 2 8 c u r v e so f p s mi c p s m 调制模式具有以下优点：轻负载时，p s m 比p w m 效率高，工作频率高，频 率特性好，负载响应速度快，功率管开关次数少，适用于小功率电源管理i c 。但存在如 下缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱【1 7 1 。 综合比较3 种调制模式的优缺点，本设计采用p w m 控制方式，后续文中提到的开 关电源控制芯片均为p w m 调制模式。 2 3 开关电源控制模式分类 开关电源电路根据不同的反馈取样控制信号，可以分为电压控制模式和电流控制模 式两种。电路中的输入电压、输出电压、开关器件电流、电感电流均可作为取样控制信 号，从而有电压模式、峰值电流模式、平均电流模式、滞环电流模式和相加模式五种反 馈控制模式，其中电压模式和电流模式为最常用的两种反馈控制模式。电压模式是将输 出电压采样分压后反馈到p w m 比较器，从而输出p w m 信号控制功率开关管，控制输 出电压。电压控制模式是一个单闭环电压控制系统，即只有一个反馈环路，系统响应慢， 很难达到较高的线性调整率精度。电流模式除了具有电压模式的输出电压反馈控制以 外，还具有一个电流反馈控制，进行比较输出p w m 信号控制功率开关管。电流模式是 电压、电流双闭环控制系统，一个是检测输出电压的外部电压环路，另一个是检测功率 开关管电流且具有逐周期限流功能的内部电流环路。本节将详细介绍两种控制模式的工 作原理及优缺点，最终决定本文设计的芯片所采用的控制模式。 2 3 1 电压控制模式 图2 9 所示为电压控制模式内部结构及工作波形。 大连理上大学硕士学位论文 = = 锣彤 一l a t c 。h 厂 厂 厂 图2 9 电压控制模式内部结构及t 作波形 f i g 2 9 i n t e r i o rc o n f i g u r a t i o na n dc r r v o f v o l t a g ec o n t r o lm o d ei c 输出反馈电压v o l r r 和参考电压r e f r e n c e ，通过电压误差放大器比较并输出误差 电压v e ，v e 再通过p w m 比较器与锯齿波进行比较。反馈电压输入到误差放大器的同 相端，当输出电压上升时，误差放大器的输出v c 上升。在p w m 比较器中，锯齿波v r 输入到同相端而v c 输入到反相端，在v c 电压小于锯齿波电压的时段，p w m 比较器输 出高电平，所以p w m 比较器输出一个脉宽可变的正脉冲，再经过逻辑电路和驱动电路 输出一个控制功率管的脉宽调制信号。如果直流输出电压上升，v b u t 也上升，则v c 将 会上升，导致负脉冲宽度增加，则j 下脉冲宽度减小。j 下脉冲宽度即晶体管导通时间，通 过负反馈环减小晶体管导通时间也可以减小输出电压。 电压模式控制具有如下优点： ( 1 ) p w m 三角波幅值较大，脉冲宽度调节具有较好的抗噪声能力。 ( 2 ) 对于多路输出电源之间的交互调节效应较好。 ( 3 ) 占空比调节不受限制。 ( 4 ) 单一反馈电压闭环设计、调试容易。 ( 5 ) 对输出负载变化有较好的响应调节。 电压模式控制的缺点是： ( 1 ) 对输入电压变化动态响应较慢。 ( 2 ) 输出l c 滤波器给控制环增加了双极点，需进行零点补偿或将主极点低频衰减。 一 a c - d c 脉宽调制开关电源控制芯片设计 ( 3 ) 补偿网络设计较为复杂，闭环增益随输入电压而变化，使其更为复杂。 ( 4 ) 在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为复杂【l 引。 2 3 2 电流控制模式 为了克服电压模式的缺点，电流模式应运而生。峰值电流控制模式( p e a k c u r r e n t - m o d ec o n t r 0 1 ) 简称电流控制模式。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，到7 0 年代后期，彳4 从学术上作深入的建模研究。 直至8 0 年代初期，第一批电流控制模式p w m 集成电路( u c 3 8 4 2 、u c 3 8 4 6 ) 的出现，使 得电流控制模式迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。 图2 1 0 所示为电流控制p w m 芯片的原理图。电流在采样电阻r s 上产生的电压信 号v s 与误差放大器的输出电平v e 进行比较，输出脉冲与c l o c k 信号到l a t c h ，驱 动功率管导通，电源回路中的电流脉冲逐渐增大。当v s 的幅度达到v e 电平时，脉宽比 较器状态翻转，功率管截止。这样逐个地检测和调节电流脉冲，达到控制电源的输出【2 0 】。 了厢 描r r r 图2 1 0 电流控制模式内部结构及t 作波形 f i g 2 1 0 i n t e r i o rc o n f i g u r a t i o na n dg x l l v e $ o f c u r r e n tm o d ec o n t r o li c 电流模式控制，通过监测输出电压与功率管电流的变化，控制电感或功率管的电流， 使其跟踪输出电压的变化。电流模式不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波 电压斜坡比较，而是与一个变化的、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，峰值电流模式控制不 一1 4 大连理i ：人学硕士学位论文 是用电压误差信号直接控制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， 然后间接地控制p w m 脉冲宽度。 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一致。但是，峰值电感电流的大小 不能与平均电感电流大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流 的大小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 检测电流的上，斜坡上可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用，使得所控 制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。因而合成波形信号，要有斜坡补偿信号与 实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度，峰值 电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角 波代替，就成为电压模式控制，只不过此时的电流信号可以认为是一种电流i 馈信号。 当输出电流减小，峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制。当处于空载 状态，输出电流为零、且斜坡补偿信号幅值比较大，峰值电流模式控制实际上变为电压 模式控制1 2 。 电流模式控制p w m 是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时 快速按照逐个脉冲工作的。功率级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念变化，因而电压外环仅需 控制输出电容，不必控$ i j l c 储能电路。基于上述原因，峰值电流模式控制p w m 具有比 电压模式控制大得多的带宽。 电流模式控制p w m 的优点是： ( 1 ) 暂态闭环响应快，对输入电压的变化响应快。电源输入电压的变化会引起变压 器初级电流上升斜率的变化，如电压升高，则电流增长变快，反之则慢。 ( 2 ) 回路稳定性好，对输出负载的变化响应快。 ( 3 ) 输出电压纹波比电压控模式小。 ( 4 ) 瞬时峰值电流限流功能，逐个周期电流限制，不会因过流而使开关管损坏。 ( 5 ) 简单自动的磁通平衡功能。 ( 6 ) 自动均流并联功能，当多台开关电源并联运行时，每台电源都有独立电流负反 馈，并联输出电压有一个总电压负反馈控制电路，使各个电流反馈系统有相