【畢業(yè)學(xué)位論文】一種降壓式PWM DC-DC電源管理芯片設(shè)計-微電子學(xué)與固體電子學(xué)

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文一種降壓式煜申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：微電子學(xué)與固體電子學(xué)指導(dǎo)教師：柴常春20090101摘要摘要近年來隨著便攜式電子產(chǎn)品市場的急劇擴大，對電源管理芯片需求也日益增加。便攜技術(shù)要求電源管理芯片具有低功耗、小尺寸等特點，而脈寬調(diào)制作為一種電壓變換方式，由于具有轉(zhuǎn)換效率高，易于實現(xiàn)等特點而被廣泛采用。本文主要研究電流型脈寬調(diào)制直流變直流控制器芯片的設(shè)計問題。本文分析了電流型降壓式脈寬調(diào)制控制芯片的工作原理和電路結(jié)構(gòu)，分塊設(shè)計了芯片內(nèi)部主要功能塊，其中包括基準(zhǔn)、運放、振蕩器、比較器、邏輯驅(qū)動和保護電路等。分別給出了晶體管級電路圖，各功能塊都經(jīng)過了而完成了整體電路的設(shè)計。仿真結(jié)果表明，在不同工作條件下，該芯片均達到設(shè)計的要求，整體電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓精度高、功耗低、面積小。最后，論文還給出了版圖設(shè)計方案。關(guān)鍵詞：直流變直流脈寬調(diào)制 電流模式降壓型of is as a of is of of of WM of t of of is as WM 我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。本人簽名：盟 日期至竺2箜至墾旦關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保證畢業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。(保密的論文在解密后遵守此規(guī)定)本人簽名：圣!：退導(dǎo)師簽氫喜毒江日期至竺五笙圣旦旦日期掣第一章緒論第一章緒論1源管理芯片己進入了幾乎每一種電子產(chǎn)品。目前我國每年正在生產(chǎn)超過千萬臺的空調(diào)、洗衣機、冰箱、微波爐、平板電視，上億只手機、個人計算機、數(shù)碼照相機、些都需要有電源管理芯片去驅(qū)動和管理。由于電源管理芯片與整個半導(dǎo)體配套，所以其需求量是巨大的。這促使電源管理成為半導(dǎo)體廠商爭相竟逐的主戰(zhàn)場。此外，便攜產(chǎn)品一直都是電源管理著半導(dǎo)體終端產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛，消費者對功能、性能、體積和成本等方面的要求不斷升級，電力需求和電池壽命長成為必備要素，這些使得電源管理市場充滿活力，同時也對電源管理技術(shù)提出了更加復(fù)雜且嚴(yán)格的要求【l。l，從而加快了電源管理外，隨著汽車“電子化”趨勢的日益明顯，汽車電子產(chǎn)品得到了越來越多的關(guān)注，這無疑為電源管理然，不僅是需求量的驅(qū)使，集成電路產(chǎn)業(yè)按照摩爾定律不斷發(fā)展使半導(dǎo)體制造工藝變得更為精細，功率問題處理不當(dāng)就會成為此實際上電源的發(fā)展正在逐步把壓力轉(zhuǎn)嫁到電源管理關(guān)電源高頻化，低功耗是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個方面：一是相關(guān)電力電子器件的設(shè)計和工藝實現(xiàn)，一是開關(guān)頻率的提高。兩者相互促進推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為中，設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，適用于電池供電的便攜式系統(tǒng)。根據(jù)近年來的全球半導(dǎo)體市場的演變，我們可以發(fā)現(xiàn)亞洲市場的上升十分迅速，現(xiàn)在己居世界第一位。一般來說，大陸和臺灣的市場至少占亞洲市場的23。所以這幾年，國外的半導(dǎo)體業(yè)的巨頭紛紛在中國大陸投資建廠、建立和企業(yè)合作、與一些著名大學(xué)成立聯(lián)合實驗室，這一切都將迅速推動中國的半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，所以海峽兩岸的半導(dǎo)體市場很快會在全球領(lǐng)先。而電源管理半導(dǎo)體也是一樣，它不僅在整個半導(dǎo)體的市場中的份額還在逐步提高，在世界市場2 一種降壓式C此中國的電源管理面臨著更大的機遇和更重的擔(dān)子。12研究意義電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和可靠性指標(biāo)。近年來，隨著工業(yè)領(lǐng)域自控程度的不斷提高及民用電器產(chǎn)品的日益高檔化，對穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)和性能提出了越來越高的要求。高效、精確、集成、輕便己成為發(fā)展的趨勢和方向。傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源雖具穩(wěn)定度高，輸出紋波電壓小等優(yōu)點，但很難克服其功耗大、體積笨重、轉(zhuǎn)換效率低的不足。而開關(guān)電源則以其損耗低、效率高、電路簡潔等顯著優(yōu)點受到人們的青睞，被譽為高效節(jié)能電源。開關(guān)電源的最大優(yōu)勢在于采用幾十甚至幾百種高頻模式可以做到快速的動態(tài)響應(yīng)和輸出反饋調(diào)節(jié)。開關(guān)電源由主電路與控制電路兩大部分組成。主電路的能量傳遞給負載電路，控制電路則按照輸入、輸出條件控制主電路工作狀態(tài)，將控制電路集成化即成為開關(guān)電源管理(控制)關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。集成電路設(shè)計與制造技術(shù)的進步以及供開關(guān)電源使用的新型元器件和材料的出現(xiàn)，為開關(guān)電源的蓬勃發(fā)展提供了必要條件。進入2關(guān)式電能變換技術(shù)無論是技術(shù)理論還是產(chǎn)業(yè)進程，都以爆炸式的速度飛速發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。集成開關(guān)電源沿兩個方向不斷發(fā)展：第一個方向是對開關(guān)電源的核心單元控制電路實現(xiàn)集成化；第二個方向則是對中、小功率開關(guān)電源實現(xiàn)單片集成化。單片開關(guān)電源集成電路具有集成度高、性價比高、外圍電路簡單、性能指標(biāo)優(yōu)良等優(yōu)點，是開發(fā)中小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的首選集成電路。由它構(gòu)成的開關(guān)電源，在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng)，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。這就為新型開關(guān)電源的推廣與普及，創(chuàng)造了良好的條件。隨著各種電池供電便攜式電子產(chǎn)品的快速增長，對電源管理芯片，特別是電流控制模式由于其具有更好的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性得以明顯改善，特別是其內(nèi)在的限流能力和并聯(lián)均流能力可以使控制電路簡單可靠，該技術(shù)在上世紀(jì)80年代初公開以后就受到廣泛的重視。目前，小功率電壓型相比，電流型控制技術(shù)可以在逐個開關(guān)脈沖上響應(yīng)負載電壓的和電流的變化，從而改善電路的動態(tài)特性。論文在介紹電流型點對電路的系統(tǒng)特性做了研究，并對影響這些系統(tǒng)特性的主要模塊做了詳細的設(shè)計分析，給出了各模塊的參數(shù)和系統(tǒng)主要性能之間的關(guān)系。掌握這些關(guān)第一章緒論 3系后，我們就可以通過設(shè)計各模塊結(jié)構(gòu)以及器件參數(shù)來滿足應(yīng)用端對電路性能提出的要求。13國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前關(guān)于電源管理這可以從軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)兩方面考慮。首先在軟件實現(xiàn)方面采取的機制和策略有：在嵌入式操作系統(tǒng)中使用電源管理模塊、考慮終端系統(tǒng)工作的功耗模式等應(yīng)用設(shè)計技術(shù)等，使采用該技術(shù)的終端能夠在相同的電池容量情況下運行更長的時間。其中最常用的是一種“動態(tài)電源的管理技術(shù)”，即：動態(tài)的分配系統(tǒng)資源，以最少的元器件或元器件最小工作量的低耗能狀態(tài)，來完成系統(tǒng)任務(wù)的一種降低功耗的設(shè)計方法。對于電源管理實施時間的判斷，要用到多種預(yù)測方法，根據(jù)歷史的工作量來預(yù)測將來的工作量，決定是否轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)和何時轉(zhuǎn)換。這就是動態(tài)電源管理技術(shù)的核心所在一動態(tài)電源管理方法。使用動態(tài)電源管理技術(shù)的基本前提是，在工作時間內(nèi)系統(tǒng)元件有著不相同的工作量。大多數(shù)系統(tǒng)都具有此種情況。另外必須可以在一定程度上確信能夠預(yù)知系統(tǒng)、元件的工作量的波動性。這樣才有轉(zhuǎn)換耗能狀態(tài)的可能，而且在對工作量的觀察和預(yù)知的時間內(nèi)，系統(tǒng)不可以消耗過多的能量。這種技術(shù)常常使用在嵌入式系統(tǒng)中。系統(tǒng)可用軟件進行電源管理的基礎(chǔ)是設(shè)備具有可編程的特性。其相應(yīng)的硬件設(shè)備可提供了多種功耗模式，如：常規(guī)模式、空閑模式、休眠模式和睡眠模式。在不同的功耗模式下，系統(tǒng)的功耗也不一樣。根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的活動狀況，確定出合適的工作功耗模式，從而使系統(tǒng)功耗降低【1】。從硬件設(shè)計的角度來說，目前主要通過使用好的電路結(jié)構(gòu)，更大規(guī)模的供多種時鐘頻率，降低工作電壓等措施來更好的實現(xiàn)電源管理。目前在技術(shù)上處于世界領(lǐng)先的著名半導(dǎo)體大公司紛紛加大對高性能的電源管理集成電路設(shè)計的投入并推出新型產(chǎn)品。由于目前的產(chǎn)品尺寸越來越小，功能卻越來越復(fù)雜，很多問題的解決需要其他技術(shù)的輔助。就拿目前最活躍的手機的電源管理的電源部分比較瑣碎，包括功率音頻放大器和充電器，這部分主要有一系列低功率線性穩(wěn)壓器和放大器構(gòu)成，其復(fù)雜性來自這些功能的管理需要額外的數(shù)字區(qū)塊集成，如用于串行通信的于正確功率序列的狀態(tài)機，以及可靠的板載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置，以使系統(tǒng)不會受到串?dāng)_噪聲的干擾。這類新型電源管理和超出了傳統(tǒng)電源開發(fā)小組的范疇，近而涉及邏輯、微控制器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的隊伍。對電源管理功能的額外需求4 一種降壓式C時成本競爭力也會成為新興的此，很多大公司尋求技術(shù)合作以解決該問題，美國國家半導(dǎo)體公司(嵌入式微處理器技術(shù)供應(yīng)商刪公司在2003年達成一項策略性合作協(xié)議，共同開發(fā)可大幅度延長便攜式設(shè)備電池壽命的高效率電源管理系統(tǒng)。的括嵌入式自適應(yīng)電源控制器、低功率高速接口及高效率模擬集成電路等。而低功率的的智能能源管理程序(先進的算法使處理器可以利用最少的能源執(zhí)行最多的工作，且又確保系統(tǒng)能夠作出最快的反應(yīng)。及整個系統(tǒng)的動態(tài)供電，以智能型電源管理芯片【6】管理嵌入式系統(tǒng)的性能及功耗，其首期產(chǎn)品可將能源使用效率提高25750 系統(tǒng)芯片與外部電源管理芯片之間的高速、低功率立業(yè)內(nèi)開放式標(biāo)準(zhǔn)。近年來世界半導(dǎo)體的銷售額呈明顯上升態(tài)勢，電源管理場的擴大刺激了技術(shù)的進一步競爭和創(chuàng)新。(1)隨著便攜式電子產(chǎn)品的功能日益增多，高度集成化，但是由于供電單元的局限性，如何提高電池使用效率成為業(yè)界關(guān)注的焦點。尤其在手機、手提電腦、數(shù)碼相機等行業(yè)。(2)由于電源越來越呈分布式發(fā)展的趨勢，這就需要提供各種不同的電壓，以滿足接近全負載的電壓要求。有一些應(yīng)用場合甚至要求芯片工作在幾十伏或上百伏的高壓下。另外，更加精確的電壓控制也將有助于電池的有效利用。(3)隨著制造工藝的不斷進步，電源管理控制芯片也向著超低電壓，超低功耗，超小面積方向發(fā)展，以滿足特殊用途，如醫(yī)學(xué)上的窺鏡機器人、心臟起搏器等。(4)在研究低電壓的同時，人們也正在努力在硅片上實現(xiàn)耐高壓的電源管理如目前美國國家半導(dǎo)體(經(jīng)運用其先進的率轉(zhuǎn)換效率高達90。還有所有必要的邏輯電路、穩(wěn)壓功能、高精度模擬電路、驅(qū)動器以及開關(guān)電源集成在同一個管芯里，并采用散熱能力較高的表面貼裝5)從電源市場的發(fā)展來看，較高的功率密度、集成度、以及更好的降低噪聲是下一代電源的趨勢，而這一趨勢也使得電源管理技術(shù)將面臨更多的挑戰(zhàn)：怎樣從鏗離子電池輸入獲得更多個電壓軌；怎樣處理小電路板面積的散熱，并具有更長的電池使用壽命：怎樣在緊湊型設(shè)計中實現(xiàn)噪聲和輸入紋波的最小化，以及怎樣使產(chǎn)品可利用多種電源來實現(xiàn)其運作和電池充電，這些都是電源廠商和電源管理一章緒論 5(6)將硬件的集成電源管理其是與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合來對整個系統(tǒng)進行動態(tài)的電源管理實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，也是一個發(fā)展趨勢。微控制器及 41。14本文主要工作與結(jié)構(gòu)安排本文分析了電流型點對電路的系統(tǒng)特性做了研究，對影響這些系統(tǒng)特性的主要模塊做了詳細的設(shè)計分析，給出了各模塊的參數(shù)和系統(tǒng)主要性能之間的關(guān)系。論文設(shè)計了芯片內(nèi)部主要功能模塊，其中包括基準(zhǔn)、運放、振蕩器、比較器、邏輯驅(qū)動和保護電路等。分別給出了晶體管級電路圖，各功能塊都經(jīng)過了真結(jié)果也一并給出。并且在模塊設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，經(jīng)過整合構(gòu)成完整的電路系統(tǒng)。最后對電路的各項功能及性能做了系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果表明，在不同工作條件下，該芯片均達到設(shè)計的要求，整體電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓精度高、功耗低、面積小。論文第二章首先介紹了電感式降壓變換器的基本結(jié)構(gòu)、線路組成、工作原理及主要關(guān)系式，從而建立起了開關(guān)電源的基本概念和模型。并著重介紹了電流模式的基本原理及特點。為本文的后續(xù)工作提供了理論基礎(chǔ)。論本文第三章詳細討論了電流環(huán)和電壓環(huán)設(shè)計對系統(tǒng)特性的影響。首先介紹了電流環(huán)斜坡補償對電路穩(wěn)定性的作用及斜坡補償理論。接著介紹了電壓環(huán)設(shè)計：電流環(huán)閉合，系統(tǒng)的傳輸函數(shù)近似為一階傳遞函數(shù)，針對該一階函數(shù)進行補償，給出了系統(tǒng)環(huán)路增益、穿越頻率、系統(tǒng)帶寬、相位裕量等重要指標(biāo)的影響因素。最后還介紹了外部元件的選擇和系統(tǒng)主要指標(biāo)。為電路主要模塊提出了設(shè)計要求。論文第四章分別介紹了啟動、內(nèi)部供電、過熱保護、誤差放大器、電流檢測、斜坡補償、蕩器及邏輯驅(qū)動模塊的基本結(jié)構(gòu)、線路組成、工作原理。推導(dǎo)了模塊主要參數(shù)的關(guān)系式，并通過設(shè)計仿真給出各模塊的仿真結(jié)果。從而完成了整體電路的設(shè)計。論文第五章通過出了不同情況下(恒定負載、不同負載、負載瞬間變化及輸入電壓變化)電路的仿真結(jié)果。并對電路的使能和保護功能進行了仿真。仿真結(jié)果表明整體電路滿足設(shè)計要求。本章最后還給出了器件布局完成后的版圖。論文的最后對本文提出的電路結(jié)構(gòu)與原理進行了全面總結(jié)，指出本文工作的不足之處并對下一步研究工作做出展望。第二章開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu) 7第二章開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)電感式開關(guān)電源是利用電感作為主要的儲能元件，為負載提供持續(xù)不斷的電流。通過不同的拓撲結(jié)構(gòu)，這種電源可以完成降壓、升壓和電壓反轉(zhuǎn)的功能。電感式開關(guān)電源具有非常高的轉(zhuǎn)換效率。本章主要介紹電感式降壓變換器的基本結(jié)構(gòu)、線路組成、工作原理及主要關(guān)系式，從而建立起了開關(guān)電源的基本概念和模型。隨后介紹了控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的環(huán)路基本結(jié)構(gòu)和原理。為本文的后續(xù)工作提供了理論基礎(chǔ)。211線路組成21電感式(a)所示為由單刀雙擲開關(guān)S、電感原件21(b)所示為由以占空比極管感L、電容路完成把直流電壓半j _c制(b)圖21 埸一+種降壓式C2工作原理(1)假定為分析穩(wěn)態(tài)特性，簡化推導(dǎo)公式的過程，特作如下幾點假定：開關(guān)晶體管、二極管均是理想原件，也就是可以快速的“導(dǎo)通”和“截至”，而且導(dǎo)通時壓降為零，截至?xí)r漏電流為零。電感、電容是理想元件。電感工作在線性區(qū)而未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻為零。輸出電壓中的紋波電壓與輸出電壓的比值d,2)工作過程當(dāng)開關(guān)如圖22(a)所示的電流流線性增加，在負載端輸出電壓性上正下負。當(dāng)容在充電狀態(tài)。這時二極管過當(dāng)開關(guān)圖22(b)所示，由于線圈保持其電流載關(guān)打開時，故是脈動的，但輸出電流L、D、 巧 一珞+一 l I C=； 5l(b)圖22 一第二章開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu) 9213電路各點的波形按電感電流分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流不連續(xù)模式兩種，波形分別如圖23(a)、(b)所示。214主要概念與關(guān)系式(1)電感電流連續(xù)下面分析一下開關(guān)閉合和關(guān)斷的情況與輸出電壓的關(guān)系。在圖23中，設(shè)開關(guān)關(guān)2l=(92七(4C(因為3k，所以(屏(16M16M(4率補償入補償電路后，從輸入端到地的等效電阻。q=(颶+去) (447)由于R3=以在足夠高的頻率下03R，。R，R，也就是說上一級的輸出電阻和這一級的輸入電阻遠遠大于系統(tǒng)的高頻特性沒有影響。輸出電阻 尺。=壘絲型摯餳?？诠s(448)452誤差放大器整體參數(shù)(1)跨導(dǎo)式(319)1要求很高。式(449)d?5釁的偏置電流下得到50州，符合系統(tǒng)要求。25)( 3)-警“(4+等(449)(2)電壓增益高的系統(tǒng)增益對于保證好的線性和負載調(diào)節(jié)率提供重要貢獻。它能夠使式(311)可知系統(tǒng)增益與誤差放大器的增益成正比，所以誤差放大器的增益直接影響輸出電壓的精度，其值越大，輸出受輸入電壓、負載等的影響越小。由圖414可以看出誤差放大器增益大于40壓增益： =吒(&。)(3)總輸入電阻(450)作為一個放大電路，一定要有信號源來提供輸入信號，放大電路與信號源相連，就要從信號源去電流。取電流的大小表明了放大電路對信號源的影響程度，輸入電阻越大，表明它從信號源取得電流越小，對信號源的信號影響越小。采用如圖413電流源，25)保證較大數(shù)值，是為了提高放大器的輸入電阻。由式(4以得到為45因為連接到輸入端。所以輸入電阻可以滿足阻抗匹配的要求。(口1)+屏127)+1+gm(127)li 1)名(口25)(4中蛔：警 i)：1C(1C(4)總輸出電阻放大器將信號放大后，要送到負載去發(fā)揮作用。輸出電阻與負載電阻相比越小，輸出電壓的幅值下降越少。由式46看出，誤差放大器的輸出電阻最大值不會大于Ro31為誤差放大器輸出連接以輸出電阻遠小于負載電阻，設(shè)計滿足阻抗匹配的要求。r(Q53)1萬3)一27)廠0(口53)638(41+反 叭妒”6(5)補償網(wǎng)絡(luò)誤差放大器的補償網(wǎng)絡(luò)如圖415所示，它是由連接到種降壓式C們構(gòu)成了系統(tǒng)的一個零點見式(3由圖416可以看出，誤差放大器主極點(3400系統(tǒng)極點和零點(322電壓環(huán)設(shè)計)都小于38k，所以這些極點和零點都在誤差放大器的3以誤差放大器帶寬已滿足系統(tǒng)要求。、淋! _I 竺!= 嗣一_哪帆州。、?廠、1。、圖415誤差放大器的補償網(wǎng)絡(luò) 圖416誤差放大器補償前后輸出頻域特性由第三覃分析司知，在電流型結(jié)構(gòu)中有兩個電抗性的兀件(差放大器加入補償后，系統(tǒng)的波特圖見圖417。圖中系統(tǒng)的主要極點和零點如下：nx x 1(。3) )厶：2瓦瓦殺：i(3l 22n3(3 ”掣=，1 Nc 1u fnu斜 ”H唧圖417系統(tǒng)頻域特性砷巧塒喵嘈瑚憎埔鵬瑚一hp346電流檢測所有采用電流模控常得優(yōu)良的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率，因為負載的變化或者輸入電壓的變化會及時地引起電感電流的變化。同時電流檢測技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于連續(xù)導(dǎo)通模式(非連續(xù)導(dǎo)通模式間的切換。在此可見電流檢測是電流?？刂浦蟹浅Ｖ匾囊画h(huán)。461電流檢測圖418(b)是采樣管實際結(jié)構(gòu)。開關(guān)管是由這個陣列中分出的一行(為采樣管。檢測到的電流流過連接電源和采樣管漏極的鋁線，在鋁線電阻上產(chǎn)生壓降，這個壓降就是采樣到的信號。這種技術(shù)的優(yōu)點是：沒有引入任何額外的功率損耗，同時無需增加芯片的引腳數(shù)目。而且檢測精度很高，這是因為采樣管是從整個開關(guān)管中分出的一部分，工作狀態(tài)與開關(guān)管完全一致，所以流過采樣管的電流與流過開關(guān)管的電流完全成比例。這種結(jié)構(gòu)對鋁線的方阻精確度要求較高，但一般鋁導(dǎo)線的方阻的般在77衄160所以要與流片廠家溝通，盡量把導(dǎo)線方阻控制在一個比較小的范圍內(nèi)。圖418電流檢測管結(jié)構(gòu)如圖418(a)是采樣結(jié)構(gòu)的等效電路，418(b)亡P 以看出每個電阻一(1+2+-咖)ix 種降壓式C= 恥，半(44456)據(jù)導(dǎo)線的方阻和方值計算得到，并由式得到等效采樣電阻砥。462電流采樣跨導(dǎo)電流采樣跨導(dǎo)是小信號條件下，輸出電流到式(319)可知，電流采樣跨到和誤差放大器跨導(dǎo)等參數(shù)決定了系統(tǒng)的穿越頻率，。式(457)是中(457)463電流檢測放大器由于檢測到的颶上的電壓信號幅度太小，所以需要經(jīng)過放大器放大后才能參與信號的處理。系統(tǒng)對放大器的要求：采樣到的電壓的交流小信號地為電源電壓，這就要求放大器的共模輸入電壓接近電源電壓；檢測到信號頻率很高(開關(guān)圖419電流檢測放大器m 5頻率)，需要足夠?qū)拵挼姆糯笃鱽矸糯筮@個高頻信號；系統(tǒng)要求放大器增益靈敏度高，增益不隨器件參數(shù)變化。綜合以上考慮，本系統(tǒng)采用如圖419所示的放大器結(jié)構(gòu)。(1)放大器開環(huán)特性輸入級放大器輸入級為共基級跨導(dǎo)：g。l=36)，增益：g。(口36)(尺二筍x(4入魄恥南2洗旦36)(4出電阻：尺。-=36)中間級放大器中間級級為共柵級電流放大倍數(shù)：4：=1輸入電阻：R，：= (g。)g。+g曲)1+(g。+6)，Dol+612)49)輸出級輸出級為射級跟隨器電流放大倍數(shù)：3n。輸入電阻：置3=，：r(口58)+風(fēng)黜姐：塹落選放大器整體跨導(dǎo)跨導(dǎo)：g。(尾頻率響應(yīng)(460)(44463)(464)(465)由于共基級和共柵級這兩種結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致倍增效應(yīng)的電容的一端(共基級的基極和共柵級的柵極)交流接地，不存在以這兩種結(jié)構(gòu)的帶寬都很寬。一種降壓式C)放大器閉環(huán)特性：采樣放大器的反饋形式為電流串聯(lián)負反饋，負反饋提高了放大器的增益靈敏度，拓展了頻帶，提高了信噪比，減小了非線性失真，增加了輸入和輸出電阻。這種反饋形式反饋信號取自輸出電流，反饋網(wǎng)絡(luò)將電流變成了電壓。因此這種反饋電路可以看成是電壓電流放大器，圖420是基本的電流串聯(lián)負反饋電路1每221。+翰一0放大器閉環(huán)等效電路閉環(huán)跨導(dǎo)饋系數(shù)為據(jù)圖420可知開環(huán)增益(即)等于46明遠大于1，所以可以得到： =毒蕊瓦1 閉環(huán)增益o吃等 (467)前面得到了采樣比例P、采樣電阻氏的具體數(shù)值，所以可根據(jù)采樣跨導(dǎo)AV)和式(457)得到而由式(467)得到果輸入輸出電阻由式(4式(469)可以看出，引入電流負反饋使輸入電阻e=(1+吒r=(1+名3(468)(4轉(zhuǎn)換速率當(dāng)放大器輸入一個階躍信號時，由于放大器內(nèi)部電容效應(yīng)，輸出電壓不能同時改變。輸出跟隨時間變化的最大速度叫轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換速率與放大器帶寬關(guān)系密切帶寬越寬轉(zhuǎn)換速率越大。由反饋理論可知，負反饋的結(jié)構(gòu)拓展了頻帶。圖421是放大器開環(huán)和閉環(huán)的頻率響應(yīng)的仿真波形。圖中虛線為開環(huán)增益與相位，第四章電路主要模塊設(shè)計 47實線為閉環(huán)。可以看出開環(huán)帶寬是739閉環(huán)為782入負反饋使帶寬拓展了10倍多。圖421開環(huán)與閉環(huán)的頻域響應(yīng)圖422(a)所示的情況是：電流檢測放大器帶寬過窄，造成轉(zhuǎn)換速率太小，輸出信號不能跟隨輸入信號迅速變化。圖422(b)是擴展帶寬后的情況。(a)非理想情況 (b)理想情況圖422采樣信號與放大信號47斜坡補償電流環(huán)的穩(wěn)定主要是依靠外加合適的補償斜坡來保障。但J,率越大會使系統(tǒng)過阻尼，引起暫態(tài)相應(yīng)滯后。隨著補償斜率的增加，系統(tǒng)向電壓模式轉(zhuǎn)變。振蕩器產(chǎn)生的原始斜坡信號“過如圖423所示的電路得到系統(tǒng)所需的補償斜率。1通過這個電流流過誤差放大器輸出信號進行比較，完成斜坡補償?shù)淖饔谩?8 一種降壓式C1n3斜圾補償斜翠嚴(yán)生電路本結(jié)構(gòu)斜坡補償?shù)男甭什皇枪潭ㄖ?，隨圖423)。所以在占空比小時斜率小，而在占空比大時斜率大。這樣在保證占空比大于50時有足夠的補償斜率的前提下，在占空比小于50時，系統(tǒng)更接近電流型模式。下面是推到過程：厶(，卻)_25 K。(2(4嚴(yán)=45 x(_一) (45 ” 塒7 r7監(jiān)=絲盟x 4(472),5 1、1 。力7 、。7了dV(等虹4dt 、l ln。 。從式(473)可以看出斜坡的斜率是隨424是本電路的斜坡波形。圖中虛線為一般補償曲線，實線為本電路補償曲線。圖424斜坡信號補償斜率應(yīng)大于等于電感電流下降斜率的一半，電感電流下降斜率反映到補償端的電壓：第四章電路主要模塊設(shè)計 49一喁d t ”所以補償電壓應(yīng)大于百麗考毫藝匙4_75)上式中樣管個數(shù)圖423中改版時調(diào)整而對補償斜率進行修正。48 ，當(dāng)電感電流達到峰值(等于誤差信號)，占空比，控制輸出電壓的穩(wěn)定。比較誤差電壓信號和電感電流的檢測信比較器輸出翻轉(zhuǎn)。比較器輸出信號調(diào)節(jié)比較器是較器的許多特性跟高增益放大器相似，它對兩個模擬輸入量進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果輸出一個二進制的量，高電平。比較器的性能主要由以下4項指標(biāo)來決定：分辨能力或?qū)﹂撝档撵`敏度；輸入失調(diào)電壓；速度或傳輸延遲；輸入共摸范圍?？紤]到差動放大器本身就是一種性能較好的比較電路，具備在比較寬的共模范圍內(nèi)，具有較大的共模抑制比(主要特性。將其設(shè)置為輸入級有助于增強整個電路對電源電壓波動和溫度漂移電壓的抑制能力。因此，本文選用高增益差動放大器。為了盡量減小功耗，本文采用以足不了分辯能力的要求。為了獲得高增益，用兩級運放組成比較器(見圖425)。雖然比較器與運算放大器類似，但比較器是工作在圖425比較器線路圖一種降壓式C運算放大器不同，其輸入與輸出不存在線性關(guān)系。因此，兩級比較器的器件均設(shè)計在飽和狀態(tài)【14】。比較器的各項參數(shù)本文不做具體分析，只給出比較器增益與相位(見圖426)和輸入輸出仿真波形(見圖427)。圖426比較器的增益與相位 圖427比較器輸入與輸出信號49振蕩器單片開關(guān)電源管理芯片是通過輸出一系列變化的占空比的數(shù)字波形來控制內(nèi)部集成的功率芯片最后達到了控制整個系統(tǒng)的目的。而振蕩器是芯片的核心部件之一，它影響著電路信號的處理性能也決定了內(nèi)部振蕩頻率。對振蕩器的要求是在電源電壓、溫度、負載、工藝和環(huán)境變化或漂移的情祝下仍能產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的輸出信號。本設(shè)計采用對內(nèi)部電容電容兩端電壓線性上升和下降的特性，形成鋸齒波(斜坡)。此外振蕩器還產(chǎn)生方波來開啟功率開關(guān)管，同時輸出窄脈沖提供整個電路的時鐘信號，即振蕩電路的功能是在固定偏置下起振，以穩(wěn)定的振蕩頻率輸出鋸齒波、窄脈沖波和方波。本結(jié)構(gòu)利用電壓比較器控制振蕩電容充放電過程的轉(zhuǎn)換，然后通過電流源提供電容的充電電流231。根據(jù)以上設(shè)計方案，振蕩器主要由以下幾個功能模塊組成：基準(zhǔn)電流源、電壓比較器、控制電路、恒流源、傳輸門等。491工作原理圖428中，暫不考慮脈寬控制、降頻等模塊。假設(shè)電路初始狀態(tài)，振蕩電容點為低電平，比較器輸出于以2為高，2、點電壓為2V；而這時流源11開始為點電壓線性上升。當(dāng)V)時，比較器翻轉(zhuǎn)，比較器輸出經(jīng)過邏輯部分信號傳遞，使V，同時點電壓開始下降。第四章電路主要模塊設(shè)計 51當(dāng)4V)時，比較器再次翻轉(zhuǎn)，下一個周期開始。這樣就得到了周期性的鋸齒波和方波信號。圖428振蕩器線路圖492振蕩電容充電電流憎由圖429振蕩器中比較器輸入輸出波形振蕩電容的充電電流由如圖430的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。電路在邏輯模塊控制下轉(zhuǎn)換充電電流，從而改變振蕩頻率。圖431是振蕩器變頻過程。(1)正常工作時了得到精確的振蕩頻率，那么振蕩電容就需要一個精確的充電電流。所以選用帶隙基準(zhǔn)提供的電壓常工作時，電電流11：476)21可以看出正常工作時的振蕩周期為268us(f=373(2)降頻時2 一種降壓式C0中，降頻時蕩電容的充電電流11變?yōu)橄到y(tǒng)基準(zhǔn)電流，由圖431可以看出，降頻時的振蕩周期為41us(f=244 慨 65圖430振蕩電容的充電電流 圖431振蕩器變頻過程493脈沖寬度控制(最大占空比)如果沒有脈寬控制電路，時鐘電電流是由易控制。時鐘的脈沖寬度決定了系統(tǒng)的最大占空比，因此需要電路來控制時鐘的脈沖寬度。電路采用了如圖432所示的結(jié)構(gòu)來完成此功能。本電路包括相器、延遲電容過電容生時鐘的下降沿。以更改比例可以得到不同的充電電流和電容充電的延遲時間，從而得到不同的脈沖寬度。石 三二k一口。，：廠圖432脈寬控制電路 圖433波形圖第四章電路主要模塊設(shè)計 53494振蕩頻率如圖429所示，一204一(204)Cc (477)一=二二。，一為周期，蕩頻率f=lT。所以改變電容101邏輯驅(qū)動模塊410邏輯驅(qū)動模塊邏輯驅(qū)動模塊的結(jié)構(gòu)如圖434所示，該模塊電路的作用是將前面各模塊的輸出邏輯電平整合在一起，以產(chǎn)生最終的決定開關(guān)管導(dǎo)通與否的個模塊包括兩個部分，一部分是處理欠壓鎖定和過熱保護信號的綜合邏輯信號(決定開關(guān)導(dǎo)通與斷開。當(dāng)關(guān)管被斷開。輸出電壓下降。另一部分是處理制開關(guān)占空比。一個周期開始時，時鐘信號感電流增加，當(dāng)電感電流達到峰值，開關(guān)管感電流減小，直到下一個的周期開始。這樣就實現(xiàn)了開關(guān)管導(dǎo)通占空比的控制。圖434邏輯驅(qū)動電路死區(qū)時間控制(如果壞了電路的拓撲結(jié)構(gòu)，影響穩(wěn)壓輸出，而且在導(dǎo)通瞬間，成了瞬時導(dǎo)通功耗增加。所以需要兩管on存在一個死區(qū)時I邏輯控制模塊的結(jié)構(gòu)避免了這種情況的發(fā)生：如圖434所示，在電壓(為高)經(jīng)過時經(jīng)種降壓式C理，1被關(guān)斷。由圖435中波形可以看出免了同時導(dǎo)通的情況發(fā)生。!竺竺!= t_1一|1一川_嘲一_-，t、無區(qū)一一 “遘 圖435死區(qū)時間一時喇一帥啪陋1I圖436邏輯驅(qū)動電路輸入與輸出波形4102邏輯驅(qū)動中的主要子模塊(1)V to 1模塊整體可以看作一個反相器，其中還包含了412是通電阻了減小開關(guān)管上的損耗，可以利用本模塊提高其柵源電壓，使開關(guān)管小其導(dǎo)通電阻而減少負載電流流過。所功率損耗，這樣有利于提高芯片效率。第四章電路主要模塊設(shè)計 55如=面三一(4以(一)利用具有437(a)是半波整流電路原理圖。半波整流電路利用濾波電容的快速充電和緩慢放電，把一個周期性的脈沖信號變成一個單一極性的輸出信號。圖437是本438是中電容過它的充放電來產(chǎn)生升壓。192和193組成的環(huán)路，在沒有外來信號(2)的情況下會保持前一個狀態(tài)的邏輯。當(dāng)信號(2)與192輸入端前一個狀態(tài)的邏輯相反時，192和193組成的環(huán)路的邏輯翻轉(zhuǎn)。圖439是工作時各點的波形。由圖中可以看到樣就保證了開關(guān)管導(dǎo)通時柵源電壓始終等于44V。糾(b)眥sl l|I|V U U 7 8 C，。k=，：n，k：三!：0 一一1 0：一，：蘭墨：br!三裂4口一口一蘭絲=：j=蘭霄=，一!=：=：=：=I 一皇=：= 44V 疇；=：二-800開I苜1J俯苜一圖439 )0(a)(b)中的上升沿采集電路和下降沿采集電路組合構(gòu)成如圖440(c)所示電路模塊。這個模塊用來產(chǎn)生a和b”信號(如圖440所示)，圖440(d)中給出了這個模塊輸入和輸出信號波形。i廠廠三一，n：廠王。：n：一：廠 廠+ 一 -。 1一(a)上升沿采集 (b)下降沿采集(C)信號產(chǎn)生電路 (d)信號波形圖440 u哪u第四章電路主要模塊設(shè)計 574103緩沖級電容也很大，要保證必須提高其柵極