【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(jì)-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(qǐng)學(xué)位級(jí)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(chǎng)的急劇擴(kuò)大，對(duì)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)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(jì)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(jì)了芯片內(nèi)部主要功能塊，其中包括基準(zhǔn)、運(yùn)放、振蕩器、比較器、邏輯驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路等。分別給出了晶體管級(jí)電路圖，各功能塊都經(jīng)過了而完成了整體電路的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，在不同工作條件下，該芯片均達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，整體電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)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(jī)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(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)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(shí)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(shí)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(jìn)入了幾乎每一種電子產(chǎn)品。目前我國(guó)每年正在生產(chǎn)超過千萬臺(tái)的空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱、微波爐、平板電視，上億只手機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、些都需要有電源管理芯片去驅(qū)動(dòng)和管理。由于電源管理芯片與整個(gè)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(zhēng)相竟逐的主戰(zhàn)場(chǎng)。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(fèi)者對(duì)功能、性能、體積和成本等方面的要求不斷升級(jí)，電力需求和電池壽命長(zhǎng)成為必備要素，這些使得電源管理市場(chǎng)充滿活力，同時(shí)也對(duì)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(shì)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(xì)，功率問題處理不當(dāng)就會(huì)成為此實(shí)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(jìn)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(dòng)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(hù)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(gè)方面：一是相關(guān)電力電子器件的設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)，一是開關(guān)頻率的提高。兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長(zhǎng)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(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)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(chǎng)的演變，我們可以發(fā)現(xiàn)亞洲市場(chǎng)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(tái)灣的市場(chǎng)至少占亞洲市場(chǎng)的23。所以這幾年，國(guó)外的半導(dǎo)體業(yè)的巨頭紛紛在中國(guó)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(shí)驗(yàn)室，這一切都將迅速推動(dòng)中國(guó)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(chǎng)很快會(huì)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(gè)半導(dǎo)體的市場(chǎng)中的份額還在逐步提高，在世界市場(chǎng)2 一種降壓式C此中國(guó)的電源管理面臨著更大的機(jī)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(duì)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(shì)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(diǎn)，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(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，被譽(yù)為高效節(jié)能電源。開關(guān)電源的最大優(yōu)勢(shì)在于采用幾十甚至幾百種高頻模式可以做到快速的動(dòng)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(fù)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(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(gè)方向不斷發(fā)展：第一個(gè)方向是對(duì)開關(guān)電源的核心單元控制電路實(shí)現(xiàn)集成化；第二個(gè)方向則是對(duì)中、小功率開關(guān)電源實(shí)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(jià)比高、外圍電路簡(jiǎn)單、性能指標(biāo)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，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(zhǎng)，對(duì)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(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)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(jiǎn)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(gè)開關(guān)脈沖上響應(yīng)負(fù)載電壓的和電流的變化，從而改善電路的動(dòng)態(tài)特性。論文在介紹電流型點(diǎn)對(duì)電路的系統(tǒng)特性做了研究，并對(duì)影響這些系統(tǒng)特性的主要模塊做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)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(jì)各模塊結(jié)構(gòu)以及器件參數(shù)來滿足應(yīng)用端對(duì)電路性能提出的要求。13國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前關(guān)于電源管理這可以從軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩方面考慮。首先在軟件實(shí)現(xiàn)方面采取的機(jī)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(jì)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(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。其中最常用的是一種“動(dòng)態(tài)電源的管理技術(shù)”，即：動(dòng)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(jì)方法。對(duì)于電源管理實(shí)施時(shí)間的判斷，要用到多種預(yù)測(cè)方法，根據(jù)歷史的工作量來預(yù)測(cè)將來的工作量，決定是否轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)和何時(shí)轉(zhuǎn)換。這就是動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)的核心所在一動(dòng)態(tài)電源管理方法。使用動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)的基本前提是，在工作時(shí)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(dòng)性。這樣才有轉(zhuǎn)換耗能狀態(tài)的可能，而且在對(duì)工作量的觀察和預(yù)知的時(shí)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(jìn)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(dòng)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(jì)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(shí)鐘頻率，降低工作電壓等措施來更好的實(shí)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(duì)高性能的電源管理集成電路設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)，以及可靠的板載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置，以使系統(tǒng)不會(huì)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(duì)伍。對(duì)電源管理功能的額外需求4 一種降壓式C時(shí)成本競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)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(guó)國(guó)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(dá)成一項(xiàng)策略性合作協(xié)議，共同開發(fā)可大幅度延長(zhǎng)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(jìn)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(gè)系統(tǒng)的動(dòng)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(shì)，電源管理場(chǎng)的擴(kuò)大刺激了技術(shù)的進(jìn)一步競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)。尤其在手機(jī)、手提電腦、數(shù)碼相機(jī)等行業(yè)。(2)由于電源越來越呈分布式發(fā)展的趨勢(shì)，這就需要提供各種不同的電壓，以滿足接近全負(fù)載的電壓要求。有一些應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)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(jī)器人、心臟起搏器等。(4)在研究低電壓的同時(shí)，人們也正在努力在硅片上實(shí)現(xiàn)耐高壓的電源管理如目前美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(經(jīng)運(yùn)用其先進(jìn)的率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)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(dòng)器以及開關(guān)電源集成在同一個(gè)管芯里，并采用散熱能力較高的表面貼裝5)從電源市場(chǎng)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(shì)，而這一趨勢(shì)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(gè)電壓軌；怎樣處理小電路板面積的散熱，并具有更長(zhǎng)的電池使用壽命：怎樣在緊湊型設(shè)計(jì)中實(shí)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(shí)現(xiàn)其運(yùn)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的電源管理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。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(diǎn)對(duì)電路的系統(tǒng)特性做了研究，對(duì)影響這些系統(tǒng)特性的主要模塊做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)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(jì)了芯片內(nèi)部主要功能模塊，其中包括基準(zhǔn)、運(yùn)放、振蕩器、比較器、邏輯驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路等。分別給出了晶體管級(jí)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(jì)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(duì)電路的各項(xiàng)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(dá)到設(shè)計(jì)的要求，整體電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)。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(xì)討論了電流環(huán)和電壓環(huán)設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)特性的影響。首先介紹了電流環(huán)斜坡補(bǔ)償對(duì)電路穩(wěn)定性的作用及斜坡補(bǔ)償理論。接著介紹了電壓環(huán)設(shè)計(jì)：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(duì)該一階函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)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(jì)要求。論文第四章分別介紹了啟動(dòng)、內(nèi)部供電、過熱保護(hù)、誤差放大器、電流檢測(cè)、斜坡補(bǔ)償、蕩器及邏輯驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)。論文第五章通過出了不同情況下(恒定負(fù)載、不同負(fù)載、負(fù)載瞬間變化及輸入電壓變化)電路的仿真結(jié)果。并對(duì)電路的使能和保護(hù)功能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明整體電路滿足設(shè)計(jì)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(duì)本文提出的電路結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行了全面總結(jié)，指出本文工作的不足之處并對(duì)下一步研究工作做出展望。第二章開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 7第二章開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電感式開關(guān)電源是利用電感作為主要的儲(chǔ)能元件，為負(fù)載提供持續(xù)不斷的電流。通過不同的拓?fù)浣Y(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(jiǎn)化推導(dǎo)公式的過程，特作如下幾點(diǎn)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(shí)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(fù)載端輸出電壓性上正下負(fù)。當(dāng)容在充電狀態(tài)。這時(shí)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(shí)，故是脈動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu) 9213電路各點(diǎn)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?yàn)?k，所以(屏(16M16M(4率補(bǔ)償入補(bǔ)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(jí)的輸出電阻和這一級(jí)的輸入電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)于保證好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)率提供重要貢獻(xiàn)。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(fù)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(gè)放大電路，一定要有信號(hào)源來提供輸入信號(hào)，放大電路與信號(hào)源相連，就要從信號(hào)源去電流。取電流的大小表明了放大電路對(duì)信號(hào)源的影響程度，輸入電阻越大，表明它從信號(hào)源取得電流越小，對(duì)信號(hào)源的信號(hào)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?yàn)檫B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(hào)放大后，要送到負(fù)載去發(fā)揮作用。輸出電阻與負(fù)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(huì)大于Ro31為誤差放大器輸出連接以輸出電阻遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻，設(shè)計(jì)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)誤差放大器的補(bǔ)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(gè)零點(diǎn)見式(3由圖416可以看出，誤差放大器主極點(diǎn)(3400系統(tǒng)極點(diǎn)和零點(diǎn)(322電壓環(huán)設(shè)計(jì))都小于38k，所以這些極點(diǎn)和零點(diǎn)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 圖416誤差放大器補(bǔ)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(gè)電抗性的兀件(差放大器加入補(bǔ)償后，系統(tǒng)的波特圖見圖417。圖中系統(tǒng)的主要極點(diǎn)和零點(diǎn)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(cè)所有采用電流?？爻５脙?yōu)良的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，因?yàn)樨?fù)載的變化或者輸入電壓的變化會(huì)及時(shí)地引起電感電流的變化。同時(shí)電流檢測(cè)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(cè)是電流?？刂浦蟹浅Ｖ匾囊画h(huán)。461電流檢測(cè)圖418(b)是采樣管實(shí)際結(jié)構(gòu)。開關(guān)管是由這個(gè)陣列中分出的一行(為采樣管。檢測(cè)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(gè)壓降就是采樣到的信號(hào)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：沒有引入任何額外的功率損耗，同時(shí)無需增加芯片的引腳數(shù)目。而且檢測(cè)精度很高，這是因?yàn)椴蓸庸苁菑恼麄€(gè)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(duì)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(gè)比較小的范圍內(nèi)。圖418電流檢測(cè)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(gè)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(jì)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(hào)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(cè)放大器由于檢測(cè)到的颶上的電壓信號(hào)幅度太小，所以需要經(jīng)過放大器放大后才能參與信號(hào)的處理。系統(tǒng)對(duì)放大器的要求：采樣到的電壓的交流小信號(hào)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(cè)到信號(hào)頻率很高(開關(guān)圖419電流檢測(cè)放大器m 5頻率)，需要足夠?qū)拵挼姆糯笃鱽矸糯筮@個(gè)高頻信號(hào)；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(jí)放大器輸入級(jí)為共基級(jí)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(jí)放大器中間級(jí)級(jí)為共柵級(jí)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(jí)輸出級(jí)為射級(jí)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(jí)和共柵級(jí)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(jí)的基極和共柵級(jí)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(fù)反饋，負(fù)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(hào)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(fù)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(yuǎn)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(fù)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(gè)階躍信號(hào)時(shí)，由于放大器內(nèi)部電容效應(yīng)，輸出電壓不能同時(shí)改變。輸出跟隨時(shí)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(fù)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(jì) 47實(shí)線為閉環(huán)。可以看出開環(huán)帶寬是739閉環(huán)為782入負(fù)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(cè)放大器帶寬過窄，造成轉(zhuǎn)換速率太小，輸出信號(hào)不能跟隨輸入信號(hào)迅速變化。圖422(b)是擴(kuò)展帶寬后的情況。(a)非理想情況 (b)理想情況圖422采樣信號(hào)與放大信號(hào)47斜坡補(bǔ)償電流環(huán)的穩(wěn)定主要是依靠外加合適的補(bǔ)償斜坡來保障。但J,率越大會(huì)使系統(tǒng)過阻尼，引起暫態(tài)相應(yīng)滯后。隨著補(bǔ)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(hào)“過如圖423所示的電路得到系統(tǒng)所需的補(bǔ)償斜率。1通過這個(gè)電流流過誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，完成斜坡補(bǔ)償?shù)淖饔谩?8 一種降壓式C1n3斜圾補(bǔ)償斜翠嚴(yán)生電路本結(jié)構(gòu)斜坡補(bǔ)償?shù)男甭什皇枪潭ㄖ?，隨圖423)。所以在占空比小時(shí)斜率小，而在占空比大時(shí)斜率大。這樣在保證占空比大于50時(shí)有足夠的補(bǔ)償斜率的前提下，在占空比小于50時(shí)，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(bǔ)償曲線，實(shí)線為本電路補(bǔ)償曲線。圖424斜坡信號(hào)補(bǔ)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(bǔ)償端的電壓：第四章電路主要模塊設(shè)計(jì) 49一喁d t ”所以補(bǔ)償電壓應(yīng)大于百麗考毫藝匙4_75)上式中樣管個(gè)數(shù)圖423中改版時(shí)調(diào)整而對(duì)補(bǔ)償斜率進(jìn)行修正。48 ，當(dāng)電感電流達(dá)到峰值(等于誤差信號(hào))，占空比，控制輸出電壓的穩(wěn)定。比較誤差電壓信號(hào)和電感電流的檢測(cè)信比較器輸出翻轉(zhuǎn)。比較器輸出信號(hào)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(duì)兩個(gè)模擬輸入量進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果輸出一個(gè)二進(jìn)制的量，高電平。比較器的性能主要由以下4項(xiàng)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(dòng)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(jí)有助于增強(qiáng)整個(gè)電路對(duì)電源電壓波動(dòng)和溫度漂移電壓的抑制能力。因此，本文選用高增益差動(dòng)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(jí)運(yùn)放組成比較器(見圖425)。雖然比較器與運(yùn)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(yùn)算放大器不同，其輸入與輸出不存在線性關(guān)系。因此，兩級(jí)比較器的器件均設(shè)計(jì)在飽和狀態(tài)【14】。比較器的各項(xiàng)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(hào)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(dá)到了控制整個(gè)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(hào)的處理性能也決定了內(nèi)部振蕩頻率。對(duì)振蕩器的要求是在電源電壓、溫度、負(fù)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(hào)。本設(shè)計(jì)采用對(duì)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(shí)輸出窄脈沖提供整個(gè)電路的時(shí)鐘信號(hào)，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(jì)方案，振蕩器主要由以下幾個(gè)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(diǎn)為低電平，比較器輸出于以2為高，2、點(diǎn)電壓為2V；而這時(shí)流源11開始為點(diǎn)電壓線性上升。當(dāng)V)時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，比較器輸出經(jīng)過邏輯部分信號(hào)傳遞，使V，同時(shí)點(diǎn)電壓開始下降。第四章電路主要模塊設(shè)計(jì) 51當(dāng)4V)時(shí)，比較器再次翻轉(zhuǎn)，下一個(gè)周期開始。這樣就得到了周期性的鋸齒波和方波信號(hào)。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(shí)了得到精確的振蕩頻率，那么振蕩電容就需要一個(gè)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(shí)，電電流11：476)21可以看出正常工作時(shí)的振蕩周期為268us(f=373(2)降頻時(shí)2 一種降壓式C0中，降頻時(shí)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(shí)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(shí)鐘電電流是由易控制。時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì) 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(dòng)模塊410邏輯驅(qū)動(dòng)模塊邏輯驅(qū)動(dòng)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(gè)模塊包括兩個(gè)部分，一部分是處理欠壓鎖定和過熱保護(hù)信號(hào)的綜合邏輯信號(hào)(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(gè)周期開始時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)感電流增加，當(dāng)電感電流達(dá)到峰值，開關(guān)管感電流減小，直到下一個(gè)的周期開始。這樣就實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管導(dǎo)通占空比的控制。圖434邏輯驅(qū)動(dòng)電路死區(qū)時(shí)間控制(如果壞了電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，影響穩(wěn)壓輸出，而且在導(dǎo)通瞬間，成了瞬時(shí)導(dǎo)通功耗增加。所以需要兩管on存在一個(gè)死區(qū)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間一時(shí)喇一帥啪陋1I圖436邏輯驅(qū)動(dòng)電路輸入與輸出波形4102邏輯驅(qū)動(dòng)中的主要子模塊(1)V to 1模塊整體可以看作一個(gè)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(fù)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(jì) 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(gè)周期性的脈沖信號(hào)變成一個(gè)單一極性的輸出信號(hào)。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(hào)(2)的情況下會(huì)保持前一個(gè)狀態(tài)的邏輯。當(dāng)信號(hào)(2)與192輸入端前一個(gè)狀態(tài)的邏輯相反時(shí)，192和193組成的環(huán)路的邏輯翻轉(zhuǎn)。圖439是工作時(shí)各點(diǎn)的波形。由圖中可以看到樣就保證了開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)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(gè)模塊用來產(chǎn)生a和b”信號(hào)(如圖440所示)，圖440(d)中給出了這個(gè)模塊輸入和輸出信號(hào)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(hào)產(chǎn)生電路 (d)信號(hào)波形圖440 u哪u第四章電路主要模塊設(shè)計(jì) 574103緩沖級(jí)電容也很大，要保證必須提高其柵極