（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）基于bcd工藝的單片buck+dcdc變換器芯片設(shè)計(jì).pdf

s u b j e e t d e s i g no fm o n o l i t h i cb u c kd c d cc o n v e r t e ri n t e r g r a t e d c i r c u i t sb a s e do nb c dp r o c e s s s p e c i a l t y p o w e re l e c t r o n i c s e l e c t r i cd r i v e s n a m e z h a ox i n y i i n s t r u c t o r l i us h u l i n a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e p o w e rs u p p l yi so n eo f t h ei m p o r t a n te l e m e n t so f t h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t i t si n f l u e n c e o nt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t si sb e c o m i n gs t r o n g e ra n ds t r o n g e n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h et y p eo f e l e c t r o n i ce q u i p m e n t si sb e c o m i n g m o r ea n dm o r e t h e r e f o r e t h er e q u i r e m e n t sf o rp o w e rs u p p l ya r ev a r i o u s w i t ha d v a n t a g e so f s i m p l es t r u c t u r e c o n v e n i e n tr e g d m i o na n dh i g hr e l i a b i l i t y b u c kd c d cc o n v e r t e ti s w i d e l yu s e di nv o l t a g es t e p d o w ns i t u a t i o n b c dp r o c e s si san o v e lo n et h a tc o m b i n e sd m o sa n dl o wv o l t a g eb i c m o sp r o c e s s t o g e t h e r i t sa d v a n t a g e sa r el o wp o w e rd i s s i p a t i o n h i g hi n t e g r i t ya n ds t r o n gd r i v e a c c o r d i n g t od e s i g nm e t h o do fa s i c o p e r a t i o np r i n c i p l eo fb u c kd c d cc o n v e r t e ra n dp u l s ew i d t h m o d u l a t i o nt e c h n i q u eo fc u r r e n tm o d e am o n o l i t h i cb u c kd c d cc o n v e r t e ri cb a s e do n b c dp r o c e s si sd e s i g n e d w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hm a n yf u n c t i o nm o d u l e s s u c ha sb a n d g a p r e f e r e n c ev o l t a g ec k c u i t o v e r t h e r m a lp r o t e c t i o nc i r c u i t e r r o ra m p l i f i e r v o l t a g ec o m p a r a t o r s a w t o o t ho s c i l l a t o r b o o t s t r a pd r i v ec i r c u i t u n d e rv o l t a g el o c k o u tc i r c u i t c u r r e n ts e n s i n g c i r c u i ta n do v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t e t c a l lt h e s ec i r c u i ts t r u c t u r e sa n do p e r a t i o n p r i n c i p l e sa r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h i sc h i pf e a t u r e s i t su n i q u ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n p r o e c t i o n w h i c hc a nr e d u c ed u t yc y c l ea n do p e r a t i o n 缸e q u e n c ys oa st od e c r e a s es h o r t c i r c u i t c u r r e n ta n dp o w e rd i s s i p a t i o na n dg u a r a n t e et h es a f e t yo ft h ep o w e rs u p p l yw h e no u t p u ti s s h o r t c i r c u i t e d w h e nt h ee n p i ni sl o wv o l t a g e t h ec h i po p e r a t e si ns h u t d o w nm o d ea n di t s s t a t i cc u r r e n ta n dp o w e rd i s s i p a t i o ni sl o w s oi ti se a s yt or e a l i z er e m o t ea n dt i m i n gc o n t r 0 1 t h i sc h i pc a nc o n s t i t u t eab u c kd c d cc o n v e r t e rw i t ham i n i m u l nn u m b e ro fe x t e r n a l c o m p o n e n t s t h u s i tc a nb ew i d e l yu s e di nd i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m s b a t t e r yc h a r g e r sa n d p r e r e g u l a t o r sf o rl i n e a rr e g u l a t o r s t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo fd e s i g nm e t h o da n dt h e o r ya n a l y s i sa r ep r o v e db yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ec h i p sa p p l i c a t i o nc i r c u i tw i t hh s p i c eo f f e r e db ye d a t o o l s o nt h e b a s i so f c i r c u i t so f e a c hf u n c t i o nm o d u l e l a y o u to f t h ei ci sc o m p l e t e da c c o r d i n gt oe p i s i l b c d0 8 u mp r o c e s sd e s i g nr u l e s d r ca n dl v sd o c u m e n t sa r ec o m p i l e dt oc o n f i r mt h e v a l i d i t yo ft h el a y o u t t h em o n o l i t h i cb u c kd c d cc o n v e r t e ri cb a s e do nb c dp r o c e s si n t h et h e s i sg a l lr e a l i z et h et a r g e te x p e c t e d k e y w o r d s b c dp r o c e s sb u c kd c d cc o n v e r t e rp w m i c l a y o u t t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技夫擎 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性說(shuō)明 y 9 2 2 8 5 7 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及 其取得研究成果 盡我所知 除了文中加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含 其他人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果 也不包含為獲得西安科技大學(xué) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過(guò)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(shuō)明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名去籪蘇日期 p 6 幸6 日討 i 學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明書 本人完全了解學(xué)校有關(guān)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)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)單位屬于西安科技大學(xué) 學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或 機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 本人允許論文被查閱和借閱 學(xué)校可以將本學(xué) 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃描 等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 同時(shí)本人保證 畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課 題再撰寫的文章一律注明作者單位為西安科技大學(xué) 保密論文待解密后適用本聲明 學(xué)位論文作者簽名 怎新基指導(dǎo)教師簽名 加i 礦攤 彩年多月枷 1 緒論 1 緒論 1 1 開關(guān)電源的概述 電源 如今已是非常重要的科技和產(chǎn)業(yè) 從日常生活到最尖端的科技 都離不開電 源技術(shù)的支持 電源技術(shù)也正是在這種環(huán)境中一步步發(fā)展起來(lái)的 電源技術(shù)是一門綜合 功率變換技術(shù) 現(xiàn)代電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù) 電源技術(shù)的發(fā)展 已經(jīng)歷了多次變革 如圖1 1 所示 除控制技術(shù)外 從本質(zhì)上講電源技術(shù)的變革也就是 功率變換技術(shù)的變革 功率變換技術(shù)的變革經(jīng)歷了從發(fā)電機(jī)組到半導(dǎo)體功率器件的應(yīng) 用 而半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用又經(jīng)歷了從不間斷工作模式到間斷工作模式 即開關(guān)模式 功率變換器件工作在開關(guān)狀態(tài)的電源 稱為開關(guān)電源s p s s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 按照目前習(xí)慣 開關(guān)電源是專指電力電子器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)下的直流電源 圖1 1 電源技術(shù)的發(fā)展 傳統(tǒng)的線性電源一般是由變壓器 整流電路 濾波電路和串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路組成1 2 j 這種電源由于采用工頻 5 0 h z 鐵芯變壓器 其體積和重量都相當(dāng)大 由于線性電源采 用串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路 其調(diào)整管工作于放大狀態(tài) 即不間斷工作模式 其效率取決于輸 出電壓與輸入電壓之比 因而它適用于壓差變化不大的降壓場(chǎng)合 壓差稍大就會(huì)顯露出 效率低 一般為3 5 6 0 的弊病 造成功率的浪費(fèi) 并可能因芯片發(fā)熱對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定 性產(chǎn)生不良影響 開關(guān)電源取消了鐵芯變壓器 代之以體積小 重量輕的鐵氧體磁芯變壓器 由于開 關(guān)電源電路中的功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài) 因而效率大大提高 可達(dá)7 0 9 5 并 且 因?yàn)殚_關(guān)頻率很高 幾十 幾百k h z 所以濾波電路也簡(jiǎn)單得多 這就進(jìn)一步減小 了電源的體積和重量 3 1 1 4 1 另外 開關(guān)電源的輸出對(duì)輸入電壓大小的要求不高 可做成 寬輸入電壓范圍的國(guó)際通用電源 目前 一些半導(dǎo)體廠家紛紛推出高性能的開關(guān)電源控 制器 推動(dòng)了開關(guān)電源的普及應(yīng)用 據(jù)有關(guān)資料介紹 在西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家開關(guān)電源的 普及率己超過(guò)6 0 而國(guó)內(nèi)還不到2 0 其中的主要原因包括 1 近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的 開關(guān)電源技術(shù)還沒(méi)有被國(guó)內(nèi)的電子工程師們普遍掌握 2 開關(guān)電源技術(shù)的推廣工作滯 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 后以至于很多技術(shù)人員雖耳熟能詳開關(guān)電源卻不知其工作原理 3 人們環(huán)保節(jié)能意識(shí) 不夠強(qiáng) 工頻變壓器組成的電源要浪費(fèi)幾倍于開關(guān)電源的矽鋼片和漆包線 但這并沒(méi)有 引起足夠的重視 盡管如此 但令我們欣喜的是隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電子行業(yè)的興 起越來(lái)越多的人開始認(rèn)識(shí)到開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景 并投身到開關(guān)電源的推廣與發(fā) 展中來(lái) 當(dāng)然開關(guān)電源也有它的缺點(diǎn) 一是用高頻變壓器作為傳輸能量的器件 開關(guān)電 源通常工作在1 0 0 k h z 以上 因而會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 影響自身或其它系統(tǒng)正常工作 另 外 開關(guān)電源輸出電壓的紋波較大 但隨著電子技術(shù)的發(fā)展 如 抗干擾技術(shù) 軟開關(guān) 技術(shù) 諧振變換技術(shù) 半導(dǎo)體技術(shù)等 上述缺點(diǎn)已得到很好的解決 從而使開關(guān)電源在 其應(yīng)用中表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力 開關(guān)電源同線性或相控電源相比 由于其具有諸多的優(yōu) 勢(shì) 因而一問(wèn)世就受到廣泛關(guān)注 并成為電源技術(shù)發(fā)展的主流方向 1 2 單片開關(guān)電源的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 開關(guān)電源雖然對(duì)低檔的線性電源 尤其是2 0 w 阻下的線性電源構(gòu)成了巨大的威脅 口 但是這類開關(guān)電源的主要缺點(diǎn)是 集成度低 外圍電路復(fù)雜 穩(wěn)定性較差和輸出電 壓紋波較大 然而隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展 生產(chǎn)工藝技術(shù)的成熟以及i c 產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展 單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度 高性價(jià)比 最簡(jiǎn)外圍電路 最佳性能指標(biāo)等 優(yōu)點(diǎn) 一經(jīng)問(wèn)世便顯示出強(qiáng)大的生命力 目前 單片開關(guān)電源己成為國(guó)際上開發(fā)2 9 0 w 以下中 小功率開關(guān)電源 精密開關(guān)電源 特種開關(guān)電源及模塊開關(guān)電源的優(yōu)選集成電 路模塊 也為新型開關(guān)電源的推廣和普及創(chuàng)造了條件 6 1 1 7 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 體積和重量可減小一半還 多 展示了良好的應(yīng)用前景 單片開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域主要有1 8 l 1 通用開關(guān)電源 各種通用開關(guān)電源 開關(guān)電源模塊 精密開關(guān)電源模塊 智能化開關(guān)電源模塊 2 專用開關(guān)電源 微機(jī)電源 u s b 接口電源 彩電 錄像機(jī) v c r 攝錄像機(jī) c v c r 等高檔家 用電器中的待機(jī)電源 電子儀器儀表中的電源 調(diào)制解調(diào)器電源 輔助電源 i c 卡付費(fèi) 電度表中的小型化開關(guān)電源模塊 機(jī)頂盒 s e t t o pb o x 電源 手機(jī)電池充電器 a c d c 電源適配器等 3 特種開關(guān)電源 復(fù)合型開關(guān)電源 恒壓 恒流型開關(guān)電源 截流輸出型開關(guān)電源 恒功率輸出型開關(guān) 電源 功率因素校正器 p f c 及其它類型的特種開關(guān)電源 單片開關(guān)電源集成電路是近幾年在功率交換技術(shù)和電源管理產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)的重大技術(shù) 突破 它將電源的控制管理 保護(hù) 驅(qū)動(dòng) 功率開關(guān)管等集成在一個(gè)芯片上 芯片只需 外接少許元件就可構(gòu)成一理想的電能供應(yīng)器 單片開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源 它代 1 緒論 表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向 現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品 近2 0 多年來(lái) 單片開關(guān)電 源沿著兩個(gè)方向不斷發(fā)展 一是對(duì)開關(guān)電源的核心單元 控制電路 實(shí)現(xiàn)集成化 二是 對(duì)中 小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化1 7 j l 劌 目前 日本是開關(guān)電源產(chǎn)量最大和自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)水平最高的國(guó)家之一 開關(guān)電源 在生產(chǎn)加工時(shí)采用表面安裝元器件 s m c s m d 和厚膜技術(shù)將大多數(shù)電子電路元件組 成混合集成電路 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化 從而提高了可靠度 降低了成本 產(chǎn)品真正做到了輕 薄 小 如利用集成電路技術(shù)將開關(guān)電源中2 w 以下的電路元件與集成電路做成了s m a r t p o w e ri c 1 1 0 經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展 單片開關(guān)電源已形成了幾十個(gè)系列和數(shù)百種產(chǎn)品1 7 j 國(guó)外許 多著名的i c 廠家都在積極開發(fā)低功耗和節(jié)能型單片開關(guān)電源集成電路 例如 荷蘭p h i l i p 公司于2 0 0 0 年推出的t e a l 5 2 0 系列 以及后續(xù)研制成功的t e a l 5 1 0 系列等新產(chǎn)品 t e a l 5 2 0 系列適用于電池充電器 電源適配器 機(jī)頂盒 d v d c d c v c r 攝錄像 機(jī) 及電視 監(jiān)視器的備用電源 并可作為p c 機(jī)外部設(shè)備 便攜式電子裝置及家用電 器中微控制器 m c u 的電源 此外 它還被應(yīng)用到通信 網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域 t e a l 5 1 0 等 新產(chǎn)品由于采用了先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和制作工藝 因此被譽(yù)為 綠色芯片 g r e e nc h i p 統(tǒng)稱為 s t a rp l u g 產(chǎn)品 該系列產(chǎn)品采用p h i l i p 公司專用的高壓e z h v 和低壓 b i c m o s 集成工藝 其 綠色節(jié)能 特性突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 1 空載時(shí)的待 機(jī)功耗極低 小于1 0 0 m w 2 內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè) 谷值開關(guān) v a l l e ys w i t c h i n g 電路 能把功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)由漏極分布電容產(chǎn)生的開關(guān)損耗降至最低 3 低功耗輸出時(shí)能 自動(dòng)降低開關(guān)頻率 使芯片工作在低頻模式下 從而減小了芯片功耗 還有 美國(guó)p i 公司于2 0 0 0 年研制的t o p s w i t c h f x 系列產(chǎn)品 該系列產(chǎn)品采用了 跳過(guò)周期 等新技術(shù) 當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載非常輕 以至開關(guān)電源在最小占空比 d 1 5 之下所提供的輸出功率仍超過(guò)負(fù)載上的功耗 t o p s w i t c h f x 就采用跳 過(guò)周期的工作方式進(jìn)一步降低輸出功率 來(lái)提高輕載時(shí)電壓的穩(wěn)定性 此方式可等效為 先將占空比固定在1 5 或更低值 上 然后用脈沖頻率調(diào)制 p f m 方式調(diào)節(jié)輕載 時(shí)的輸出電壓u o 值 根據(jù)負(fù)載變化情況 t o p s w i t c h f x 系列單片開關(guān)電源能在正常工 作和跳過(guò)周期方式二者之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換 而無(wú)須其它控制 如不需要跳過(guò)周期 可在電源 輸出端接上最小負(fù)載r l i n 使d d 1 5 采用跳過(guò)周期模式不僅能獲得極低的 輸出功率 還能減小電壓噪聲 美國(guó)p i 公司于2 0 0 1 年推出的t i n ys w i t c h i i 系列第二代增強(qiáng)型隔離式微型單片開 關(guān)電源集成電路 適合制作2 3 w 以下的低成本微型化開關(guān)電源 該芯片采用了 頻率 抖動(dòng) f r e q u e n c yj i t t e r i n g 技術(shù) 以降低由開關(guān)頻率高次諧波所造成的電磁干擾 該技 術(shù)將開關(guān)頻率限制在很窄的波段內(nèi)抖動(dòng) 頻率在1 2 8 1 3 6 k h z 范圍內(nèi)抖動(dòng) 抖動(dòng)量為 4 k h z 利用此功能可顯著減小噪聲干擾 并且噪聲諧波次數(shù)愈高 抑制作用愈明顯 西安科 支大學(xué)碩士學(xué)位論文 例如 對(duì)5 次諧波噪聲平均值的衰減量可達(dá)1 0 d b 以上 8 多年來(lái) 在功率半導(dǎo)體開關(guān)器件 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片及電源管理方面 我國(guó)沒(méi)有自主 版權(quán)的產(chǎn)品 更不用說(shuō)單片開關(guān)電源芯片了 關(guān)鍵芯片的缺乏已嚴(yán)重制約了我國(guó)高新技 術(shù)的發(fā)展 在d c d c 變換器的設(shè)計(jì)方面 國(guó)內(nèi)外差距很大 目前我國(guó)還是處于應(yīng)用和 參考國(guó)外先進(jìn)單片開關(guān)電源芯片結(jié)構(gòu) 結(jié)合我們多年應(yīng)用相關(guān)芯片的研究和已有類似芯 片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 進(jìn)行一些性能產(chǎn)品的仿制階段 1 1 1 2 j 由于小型個(gè)性化和便攜式電子產(chǎn)品日新月異的發(fā)展 市場(chǎng)上迫切需要高效 可靠 功能強(qiáng)大 外圍元件少 體積小及重量輕的電能變換器 利用傳統(tǒng)芯片或電路構(gòu)成的電 能變換器體積大 效率低 電路復(fù)雜和成本高 難以滿足小型化電子產(chǎn)品的要求 5 1 而且大多數(shù)電源控制芯片或現(xiàn)有的單片電源芯片均采用恒頻控制技術(shù) 盡管芯片內(nèi)部集 成有過(guò)流保護(hù)功能 但當(dāng)過(guò)載或短路時(shí)仍有很大的電流輸出 甚至?xí)霈F(xiàn)電流失控等 導(dǎo)致芯片的損耗也相當(dāng)大 最終影響芯片或用戶系統(tǒng)的安全可靠工作 本論文針對(duì)目前 電子設(shè)備對(duì)電源以輕 薄 小和高效率為要求而設(shè)計(jì)了一款單片b u c kd c d c 變換器 芯片 該芯片最大特點(diǎn)是具有變頻保護(hù)功能 正常工作時(shí)工作頻率恒定 輸出過(guò)載或短 路時(shí)不僅工作頻率急劇降低而且占空比也變小 大大降低了短路電流和短路損耗 同時(shí) 也保證了用戶系統(tǒng)的安全 當(dāng)使能端的電壓為低電平時(shí) 芯片處于關(guān)斷狀態(tài) 靜態(tài)電流 及靜態(tài)功耗很小 通過(guò)對(duì)使能端的控制可方便地實(shí)現(xiàn)變換器芯片的遙控 定時(shí) 延時(shí)和 開關(guān)控制等功能 當(dāng)芯片工作溫度過(guò)高時(shí) 芯片的過(guò)熱保護(hù)電路將關(guān)斷功率開關(guān)管 確 保芯片安全可靠工作 該芯片只需外接少數(shù)元件就可構(gòu)成一高性能的單片b u c kd c d c 開關(guān)電源 其體積小巧 輸出電壓精度高 變換紋波系數(shù)低及過(guò)熱 短路保護(hù)等 1 4 此開關(guān)電源可廣泛應(yīng)用于分布式電源系統(tǒng) 電池充電器 可調(diào)節(jié)的線性調(diào)節(jié)器等 1 3 本論文的主要工作及預(yù)期目標(biāo) 本論文的主要工作就是針對(duì)控制系統(tǒng)電路及其電源管理部分 設(shè)計(jì)一款高效率 高 性能及高可靠性的單片b u c kd c d c 變換器芯片 首先 根據(jù)b u c k 變換器的工作原 理及電流模式的p w m 控制技術(shù) 設(shè)計(jì)d c d c 變換器芯片的結(jié)構(gòu) 重點(diǎn)對(duì)變換器芯片 的各功能模塊電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證 確保其性能優(yōu)良 并對(duì)變換器芯片整體電 路進(jìn)行分析與模擬仿真驗(yàn)證 其次 對(duì)芯片電路進(jìn)行版圖設(shè)計(jì) 版圖繪制 d r c 和l v s 文件的編寫及版圖物理檢查 然后 對(duì)變換器芯片的應(yīng)用電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證 本論文中 對(duì)b u c kd c d c 變換器芯片的預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)如下 1 工作電壓范圍 4 8 2 5 v 2 基準(zhǔn)電壓精度高 溫度系數(shù)小于5 0 1 0 6 o c 3 采用電流模式的p w m 控制方式 4 正常工作頻率為3 8 0 k h z 允許范圍3 4 2 4 1 8 k h z 故障時(shí)頻率為4 0k h z 1 緒論 5 具有變頻保護(hù)功能 6 具有過(guò)熱保護(hù)及用戶可自行選擇的欠壓保護(hù)功能 7 逐周期電流檢測(cè)功能 8 在關(guān)斷狀態(tài)時(shí) 靜態(tài)電流小于3 0 ua 9 信號(hào)輸出的最大占空比是9 0 最小占空比為o 1 0 最大工作電流可達(dá)2 a 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2b u c kd c d c 變換器工作原理 b u c kd c d c 變換器同線性串聯(lián)式變換器相比 由于其功率管工作在截止與飽和 兩種狀態(tài) 具有體積小 重量輕和轉(zhuǎn)換效率高等顯著優(yōu)點(diǎn) 因而在計(jì)算機(jī) 電視機(jī)以及 各種工業(yè)電氣設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用 2 1b u c kd c d c 變換器的工作原理 b u c k 變換器主電路結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示 由功率m o s 管 s 儲(chǔ)能電感l(wèi) 續(xù)流 二極管d 濾波電容c 及負(fù)載電阻r 組成 輸入電壓u l 是從電網(wǎng)電壓直接整流濾波得 到的直流電壓 功率m o s 管 s 的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)是周期為t 的方波信號(hào) 方波信號(hào) 由控制回路提供 當(dāng)方波信號(hào)為正半周期時(shí) s 導(dǎo)通 續(xù)流二極管d 因反偏而截止 功率m o s 管的源極電流 如圖2 1 實(shí)線頭所示 通過(guò)電感l(wèi) 向負(fù)載r 供電 并同時(shí)向 濾波電容c 充電 此時(shí)電感l(wèi) 處于儲(chǔ)能狀態(tài) 電能轉(zhuǎn)換成磁能 當(dāng)方波信號(hào)為負(fù)半周 期時(shí) 功率管s 截止 由于通過(guò)儲(chǔ)能電感l(wèi) 的電流不能突變 所以在電感l(wèi) 兩端感應(yīng)出 左負(fù)右正的自感電勢(shì) 使續(xù)流二極管d 導(dǎo)通 原先儲(chǔ)存在電感l(wèi) 中的磁能轉(zhuǎn)換成電能 向負(fù)載電阻r 供電 流經(jīng)負(fù)載r 的電流通路如圖2 1 虛線頭所示 電路工作進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí) s 導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在電感l(wèi) 中的磁能與s 截止時(shí)電感l(wèi) 通過(guò)負(fù)載電阻r 和二極管d 釋放 的能量相等 當(dāng)s 柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為脈沖寬度調(diào)制信號(hào) p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 縮寫為 p w m 導(dǎo)通時(shí)間為t o n 開關(guān)周期為t 時(shí) 則脈沖占空比q 為 口 塑 一t o n 2 1 u 丁 由式 2 1 可以看出 改變占空比q 輸出電壓u o 的平均值也就隨之改變 因此 當(dāng)負(fù)載以及電網(wǎng)電壓變化時(shí) 可以通過(guò)閉合的反饋控制回路自動(dòng)地調(diào)整占空比q 以使 u o 維持不變 圖2 1b u c k 變換器的主電路結(jié)構(gòu) 0 由圖2 1 所示的主電路結(jié)構(gòu)可看出 變換器的輸出電壓u o 是功率管 s 源極輸出 的方波脈沖通過(guò)儲(chǔ)能電感l(wèi) 和輸出電容c 組成的濾波器濾波后的直流電壓 故其數(shù)值上 2b u c kd c d c 變換器工作原理 等于這些方波脈沖的平均值 而這些方波脈沖的最大值近似等于輸入電壓u i 故其輸出 電壓u o 始終小于輸入電壓u l 因此 這種變換器稱為降壓型變換器 即b u c k 變換器 b u c k 變換器的優(yōu)點(diǎn)是 電路簡(jiǎn)單 調(diào)整方便和可靠性高 儲(chǔ)能電感l(wèi) 在功率開關(guān)管導(dǎo) 通時(shí)能將電能變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來(lái) 而在開關(guān)管截止時(shí) 又能將儲(chǔ)存的磁能變?yōu)殡娔芾^續(xù) 向負(fù)載供電 電源帶負(fù)載能力強(qiáng) 電壓調(diào)整率好 儲(chǔ)能電感l(wèi) 和輸出電容c 組成的濾波 器 能進(jìn)一步降低輸出電壓的紋波 2 2d c d c 變換器的控制方式 由式 2 1 可見 為了維持輸出電壓u o 穩(wěn)定不變 可以采用以下三種調(diào)制方式 脈沖寬度調(diào)制 p w m 脈沖頻率調(diào)制 p f m 和p w m 與p f m 混合調(diào)制方式 對(duì)于目 前常用的脈沖寬度調(diào)制 p w m 技術(shù)主要有兩種工作模式 一種是電壓模式的p w m 控 制技術(shù) 另一種是電流模式的p w m 控制技術(shù) 2 2 1 電壓模式的p w m 控制技術(shù) 電壓模式的p w m 控制技術(shù)原理 如圖2 2 所示 電源輸出電壓u o 與參考電壓u f 進(jìn)行比較放大 得到誤差放大信號(hào)u 經(jīng)p w m 比較器與鋸齒波信號(hào)比較后 p w m 比 較器輸出一系列脈沖 這些脈沖的寬度隨誤差信號(hào)u 的變化而變化 而這些脈沖寬度 決定了輸出能量的大小 當(dāng)負(fù)載消耗能量增大時(shí) 輸出脈沖寬度增大 當(dāng)負(fù)載消耗能量 減小時(shí) 輸出脈沖寬度減小 從而維持輸出電壓恒定 這種電壓控制變換器只需要一個(gè) 反饋信號(hào) 用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的負(fù)反饋而維持輸出恒定 在整個(gè)控制電路中只有一個(gè)反 饋環(huán)路 是一種單環(huán)控制系統(tǒng) 圖2 2 電壓模式的p w m 控制原理 電壓模式的p w m 控制技術(shù)最大的缺點(diǎn)是控制過(guò)程中沒(méi)有電源電流的參與 眾所周 知 開關(guān)電源的電流都要通過(guò)電感 故相對(duì)于電壓信號(hào)電流有9 0 0 的相位延遲 而對(duì)于 整個(gè)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō) 必須考慮電流的大小 以適應(yīng)輸出電壓的變化和負(fù)載的需求 從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的 因此僅采用輸出電壓采樣的方法實(shí)現(xiàn)的控制 其結(jié)果必 然是響應(yīng)速度慢和穩(wěn)定性差 甚至在大信號(hào)變化時(shí)容易產(chǎn)生振蕩 造成功率管的損壞等 故障1 1 7 1 1 8 1 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 2 電流模式的p w m 控制技術(shù) 電流模式的p w m 控制技術(shù)是針對(duì)電壓模式的p w m 控制技術(shù)的缺點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的 從圖2 3 可以看到 它除保留了電壓控制型的輸出電壓反饋外 又增加了一路電流反饋 環(huán)節(jié) 所謂電流模式的p w m 控制技術(shù) 就是在p w m 控制比較器的輸入端直接用輸出 電感電流檢測(cè)信號(hào)與誤差放大器的輸出信號(hào)u 進(jìn)行比較 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖占空比的控 制 使輸出電感的峰值電流跟隨誤差電壓的變化而變化 這種控制方式可以有效地改善 開關(guān)電源的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率 也可改善整個(gè)電路系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng) 圖2 3 電流模式的p w m 控制原理 電流模式p w m 控制技術(shù)的工作原理是采用恒頻時(shí)鐘置位鎖存器的輸出脈沖以驅(qū)動(dòng) 功率管的導(dǎo)通 當(dāng)電流在采樣電阻風(fēng)上的幅度達(dá)到u 時(shí) 脈寬比較器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn) 鎖 存器復(fù)位 功率管截止 這樣逐個(gè)檢測(cè)和調(diào)節(jié)電流脈沖 就可達(dá)到控制電流輸出的目的 電流模式的主要優(yōu)點(diǎn)如下 j i l 8 j 1 線性調(diào)整率高 可與優(yōu)良的線性穩(wěn)壓器相比較 這是因?yàn)檩斎腚妷簎 i 的變化 可立即反映為電感電流的變化 它不經(jīng)過(guò)誤差放大器就能在比較器中改變輸出脈沖的寬 度 再加一級(jí)輸出電壓u o 至誤差放大器的控制 能使線性調(diào)整率更好 2 明顯地改善了負(fù)載調(diào)整率 因?yàn)檎`差放大器專門用于控制負(fù)載變化而造成的 輸出電壓的變化 特別是使輕載時(shí)電壓升高的幅度大大減少 3 是一階系統(tǒng) 穩(wěn)定性好 負(fù)載響應(yīng)速度快 并聯(lián)運(yùn)行時(shí) 均流效果好 4 簡(jiǎn)化了過(guò)流保護(hù)電路 由于r s 上感應(yīng)出峰值電感電流 所以自然形成脈沖限 流電路 這種峰值電感電流感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)可以靈敏地 精確地限制最大輸出電流 因此 本論文采用電流模式的p w m 控制技術(shù) 2 3b u c kd c d c 變換器功能框圖 本論文設(shè)計(jì)的b u c kd c d c 變換器芯片電路的內(nèi)部功能框圖如圖2 4 所示 該芯 片的主要組成部分有誤差放大器 振蕩器 電流比較器 電流檢測(cè)放大器 電壓比較器 故障頻率比較器 基準(zhǔn)電壓源 內(nèi)部調(diào)節(jié)電路 邏輯電路 驅(qū)動(dòng)電路以及其它一些保護(hù) 2b u c kd c d c 變換器工作原理 電路等 圖2 4b u c kd c d c 變換器功能框圖 誤差放大器是將f b 端反饋的電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)的差值進(jìn)行比較放大 誤差 放大電路工作在閉環(huán)狀態(tài) 且負(fù)反饋深度較深 振蕩電路則產(chǎn)生兩種頻率的鋸齒波信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào) 為了降低電磁干擾和提高電源 效率 該振蕩電路的正常振蕩頻率 或功率開關(guān)管的開關(guān)頻率 設(shè)計(jì)為3 8 0 k h z 故障情 況下的振蕩頻率為4 0 k h z 基準(zhǔn)電壓源是能夠產(chǎn)生對(duì)溫度和電源電壓不敏感的基準(zhǔn)電壓 為其它電路提供基 準(zhǔn) 所以要求該基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)性能非常好的基準(zhǔn)電壓源 內(nèi)部調(diào)節(jié)電路是為模擬電路和數(shù)字電路分別提供工作電壓 這樣可以避免兩種信號(hào) 之間的相互干擾 芯片內(nèi)部還有偏置電路 過(guò)熱保護(hù)電路 欠壓保護(hù)電路 過(guò)流保護(hù)電路 自舉驅(qū)動(dòng) 電路以及邏輯控制電路等 該變換器芯片的典型應(yīng)用為一單片b u c k 開關(guān)電源 如圖2 5 所示 該芯片的管腳 及其功能描述如下 p i n l b s 自舉端 在s w 端和自舉端之間需要一個(gè)電容元件c 5 確保功率管 m 1 的柵源電壓始終為4 7 v 左右 使得m i 良好導(dǎo)通 p i n 2 i n 電源端 電源輸入端 電源工作范圍為4 8 2 5 v 電容c l 的作用是消 除工作電壓的毛刺 p i n 3 s w 開關(guān)端 通過(guò)m 1 連接電感l(wèi) 1 與輸入端i n 或者通過(guò)m 2 與地g n d 相 連 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 p 1 n 4 g n d 地 是該芯片的基準(zhǔn)參考電壓 p i n 5 f b 反饋端 通過(guò)輸出端外接的電阻r 1 和r 2 來(lái)反映輸出端電壓的變化 確保在短路故障時(shí)震蕩器的頻率下降 也就是說(shuō)反饋電壓低于0 6 5 v 時(shí) 故障頻率比較 器翻轉(zhuǎn) p i n 6 c o m p 補(bǔ)償端 它是誤差放大器的輸出端 也是電流比較器的輸入端 頻 率補(bǔ)償是通過(guò)外接r c 電路得以實(shí)現(xiàn)的 p i n 7 e n 使能端 欠壓閉鎖 欠壓閉鎖功能需要輸入端到地之間外接電阻的分壓 來(lái)實(shí)現(xiàn) 工作電壓需高于2 4 9 5 v e n 端的電壓低于o 7 v 時(shí) 工作在關(guān)斷低電流模式 p i n 8 s y n c 同步輸入端 使內(nèi)部振蕩器的頻率與外部的頻率一樣 外部輸入的 波形信號(hào)其上升時(shí)間應(yīng)小于2 0 n s 高電平要大于2 7 v 低電平要低于o 8 v 頻率要大 于4 4 5 k h z 一般情況下不用 圖2 5d c d c 變換器芯片的典型應(yīng)用電路 在周期開始時(shí) 功率開關(guān)管m 1 關(guān)斷 m 2 導(dǎo)通 c o m p 端的電壓高于電流檢測(cè)放 大器輸出端的電壓 電流比較器的輸出為低電平 此時(shí) 3 8 0 k h z 的脈沖信號(hào)c l k 的上 升沿 使得r s 觸發(fā)器置位 r s 觸發(fā)器的輸出使得功率管m 2 關(guān)斷 m i 導(dǎo)通 此時(shí) 外接的電感l(wèi) 1 和電源輸入端 i n 連接在一起 電感的電流信號(hào)被電流檢測(cè)放大器檢 測(cè)放大后 通過(guò)斜波補(bǔ)償電路后 與誤差放大器的輸出信號(hào)通過(guò)電流比較器進(jìn)行比較 當(dāng)前者大于后者時(shí)觸發(fā)器被復(fù)位 該集成電路回到原來(lái)的工作狀態(tài) 即m 1 關(guān)斷 m 2 導(dǎo)通 反之 脈沖信號(hào)c l k 的下降沿使r s 觸發(fā)器復(fù)位 誤差放大器的輸出電壓在1 2 2 v 左右變動(dòng) 當(dāng)反饋電壓小于基準(zhǔn)電壓1 2 2 v 時(shí) c o m p 端電壓升高 因其與電感電流成 比例 故輸出電流也升高 內(nèi)阻1 0 q 的開關(guān)管m 2 的作用是為自舉電容充電 確保m i 的良好導(dǎo)通 電感電流通過(guò)外接的肖特基二極管進(jìn)行續(xù)流 0 3b u c kd c d c 變換器芯片設(shè)計(jì) 3b u c kd c d c 變換器芯片設(shè)計(jì) 3 1 集成電路設(shè)計(jì)技術(shù) 集成電路的設(shè)計(jì)通常包括邏輯 或功能 設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 版圖設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)通常分為正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)兩大類 正向設(shè)計(jì)是以用戶對(duì)集成電路特性指標(biāo)為出 發(fā)點(diǎn) 依次進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)共兩個(gè)層次的設(shè)計(jì)工作 e d a 技術(shù)的正向設(shè)計(jì)過(guò) 程如圖3 1 所示 后r 工藝加工 圖3 1 集成電路正向設(shè)計(jì)過(guò)程 1 電路設(shè)計(jì) 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)用戶對(duì)電路功能和性能指標(biāo)的要求 確定總體設(shè)計(jì)方案 給 出框圖 并進(jìn)而將總體要求分解為對(duì)每一個(gè)組成部分的功能和性能的指標(biāo)要求 2 邏輯設(shè)計(jì)確定出總體設(shè)計(jì)方案中每一部分的具體邏輯組成 如果某些部分 是一些具有某種邏輯功能的 標(biāo)準(zhǔn) 功能塊 這些部分就無(wú)需重新設(shè)計(jì) 可直接調(diào)用已 有的結(jié)果 3 線路設(shè)計(jì)確定每一邏輯單元的具體線路組成 包括設(shè)計(jì)線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 線路中各元器件參數(shù)值 當(dāng)然 已有的 標(biāo)準(zhǔn) 單元線路組成可直接被調(diào)用 對(duì)模擬集 成電路 總體設(shè)計(jì)完成后就可直接進(jìn)行每一部分的線路設(shè)計(jì) 4 設(shè)計(jì)校驗(yàn)根據(jù)模擬對(duì)象的不同 設(shè)計(jì)校驗(yàn)分為邏輯模擬和電路模擬兩種類 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論天 型 一般情況下 由于多種因素的影響 由人工進(jìn)行的上述三個(gè)層次設(shè)計(jì)很難做到1 0 0 正確和滿足要求 為此 需要采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬分析 以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路是否具有預(yù) 定的功能 特性參數(shù)是否滿足指標(biāo)要求 在電路設(shè)計(jì)階段 目前只有個(gè)別問(wèn)題實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)自動(dòng)化 例如 若采用p l a 可編 程邏輯陣列 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)某種邏輯功能 只要給出輸入與輸出間邏輯關(guān)系的真值表 現(xiàn)有 的c a d 軟件可首先對(duì)其進(jìn)行邏輯簡(jiǎn)化 然后給出實(shí)現(xiàn)該功能的邏輯圖和線路圖 并能 給出設(shè)計(jì)好的版圖 但是 對(duì)絕大多數(shù)問(wèn)題設(shè)計(jì)工作要靠人工完成 c a d 技術(shù)的關(guān)鍵 作用在于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足要求 同時(shí)給出改進(jìn)設(shè)計(jì)的方向 一般經(jīng)過(guò) 人工設(shè)計(jì) 一計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證 幾個(gè)過(guò)程 才能完成電路設(shè)計(jì)任務(wù) 2 版圖設(shè)計(jì) 1 將滿足要求的電路設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)換為版圖包括確定電路中各個(gè)元器件 單元功 能塊的圖形結(jié)構(gòu) 布局及其之間的走線 2 版圖設(shè)計(jì)規(guī)則校驗(yàn)因具體工藝生產(chǎn)對(duì)工藝中允許采用的最小圖形幾何尺寸 最小線條寬度和線條間的距離等都有明確的規(guī)定 所以版圖設(shè)計(jì)中必須遵循 設(shè)計(jì)規(guī) 則 采用人機(jī)對(duì)話方式設(shè)計(jì)出的版圖難免會(huì)出現(xiàn)違背設(shè)計(jì)規(guī)則的情況 因此 在版圖 設(shè)計(jì)完成后應(yīng)采用設(shè)計(jì)規(guī)則檢查軟件驗(yàn)證版圖中的幾何尺寸相互關(guān)系是否滿足要求 目 前有些軟件是將 版圖設(shè)計(jì) 和 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 結(jié)合在一起 在設(shè)計(jì)版圖時(shí) 每 畫 一條線就隨時(shí)檢查該線條是否違背設(shè)計(jì)規(guī)則 具有很好的互動(dòng)性 3 版圖電性能 校驗(yàn)在完成設(shè)計(jì)規(guī)則檢查以后 應(yīng)采用有關(guān)的c a d 軟件 將版圖轉(zhuǎn)換為電路或邏輯連接圖 并采用相應(yīng)的模擬軟件檢查由版圖轉(zhuǎn)換的電路或邏輯 圖是否具有要求的功能并滿足規(guī)定的指標(biāo) 只有得到肯定的結(jié)論 才能保證版圖設(shè)計(jì)的 正確性 4 產(chǎn)生版圖數(shù)據(jù)帶這種數(shù)據(jù)帶用以控制自動(dòng)刻圖機(jī)刻膜或控制圖形發(fā)生器制 版 一般規(guī)模較大的電路版圖中均含有大量的數(shù)據(jù) 幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)個(gè) 這種數(shù)據(jù)處 理工作必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化才能準(zhǔn)確無(wú)誤 3 器件模型參數(shù)的確定 在電路模擬時(shí) 一方面要給計(jì)算機(jī)提供電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 另一方面還要輸入各個(gè)元 器件的參數(shù)值 顯然 模擬結(jié)果的可靠程度取決于程序中采用的元器件模型精度以及模 型中的參數(shù)值是否代表以后生產(chǎn)出的集成電路中的實(shí)際情況 選用器件模型時(shí)應(yīng)同時(shí)考 慮需要和可能性 如果模型不能正確地表示器件特性 模擬結(jié)果當(dāng)然不可能準(zhǔn)確 但是 若無(wú)視計(jì)算機(jī)資源情況 運(yùn)算速度和存儲(chǔ)量 片面追求過(guò)精細(xì)的模型也是不適用的 4 工藝加工 采用c a d 技術(shù)得到版圖數(shù)據(jù)帶后就可交給集成電路生產(chǎn)廠家制版并采用規(guī)范化的 工藝加工成集成電路產(chǎn)品 然后采用已形成的測(cè)試碼對(duì)產(chǎn)品作測(cè)試碼檢驗(yàn)和分析 必要 1 2 3b u c kd c d c 變換器芯片設(shè)計(jì) 時(shí) 提出對(duì)原設(shè)計(jì)的改進(jìn) 最終完成集成電路產(chǎn)品的研制任務(wù) 在集成電路 i c 的設(shè)計(jì)中 e d a 軟件是集成電路設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力工具 它的發(fā)展 極大地推動(dòng)了超大規(guī)模集成電路的發(fā)展 也使片上系統(tǒng) s o c 成為可能 另外 隨著工 藝水平的迅速提高和元器件模型的不斷完善 一般i c 的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果與設(shè)計(jì)芯片的 測(cè)試結(jié)果己很好相符 所以有人說(shuō) i c 設(shè)計(jì)就是 筆記本上設(shè)計(jì) 因?yàn)橥ㄟ^(guò)了計(jì)算機(jī) 設(shè)計(jì)就等于拿到了芯片 l 這句話也許不夠嚴(yán)格和準(zhǔn)確 但它反映了e d a 軟件在i c 設(shè) 計(jì)中的重要性 c a d e n c e 是一個(gè)大型的e d a 軟件 它幾乎可以完成屯子設(shè)計(jì)的各個(gè)方面 在仿真 電路圖設(shè)計(jì) 自動(dòng)布局布線 版圖設(shè)計(jì)及驗(yàn)證等方面都有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)1 2 0 本 論文從d c d c 變換器芯片電路的設(shè)計(jì) 仿真到版圖的繪制及驗(yàn)證都采用c a d e n c ee d a 軟件來(lái)進(jìn)行 3 2 高精度基準(zhǔn)電壓源電路 過(guò)熱保護(hù)電路及偏置電路設(shè)計(jì) 基準(zhǔn)電壓源是集成電路中一個(gè)非常重要的組成單元 它直接影響著集成電路的工作 精度 溫漂等重要指標(biāo) 在集成電路內(nèi)部需要高質(zhì)量的內(nèi)部穩(wěn)壓源 以提供穩(wěn)定的基準(zhǔn) 電壓 一般要求這些電壓源的直流輸出電平穩(wěn)定 而且這個(gè)直流電平應(yīng)該對(duì)電源電壓和 溫度不敏感 在集成電路中 與電源電壓無(wú)關(guān)的常用標(biāo)準(zhǔn)電壓有以下三類 2 i 1 b e 結(jié)二極管的正向壓降u b e u b e o 6 o 8 v 它的溫度系數(shù)蘭磐 一2 m v o c 2 由n p n 管反向擊穿b e 結(jié)構(gòu)成的齊納二極管的擊穿電壓u z u z 6 9 v 它的 溫度系數(shù)等 2 m v c 口 3 等效熱電壓u i 2 6 m v 溫度系數(shù)等 o 0 8 6 m v c 7 1 由上可見 這三種標(biāo)準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)有正 有負(fù) 利用u b e u z 和u 溫度系數(shù) 符號(hào)相反以及集成電路中元器件間匹配和溫度跟蹤性較好的特點(diǎn) 將這三種標(biāo)準(zhǔn)電壓加 以不同的組合 就可以得到不同的對(duì)電源電壓和溫度不敏感的基準(zhǔn)電壓源和偏置電壓 源 本論文所設(shè)計(jì)的變換器芯片內(nèi)部需要一個(gè)性能良好的穩(wěn)壓源 為其它電路如誤差放 大電路 欠壓保護(hù)電路 過(guò)熱保護(hù)電路等提供高精度的基準(zhǔn)電壓 要求其輸出的基準(zhǔn)電 壓對(duì)溫度和電源電壓不敏感 溫度系數(shù)小于5 0 x1 0 4 0 c 基準(zhǔn)電壓電路如圖3 2 左半部 分所示 該電路主要由兩部分組成 啟動(dòng)電路和兩管能隙電路 其特點(diǎn)是穩(wěn)壓性能特別 良好 也得到了仿真驗(yàn)證 1 啟動(dòng)電路 m 2 q 1 3 q 1 4 r 6 r 8 組成啟動(dòng)電路 m 2 0 1 3 r 6 構(gòu)成分 壓電路給q 1 4 提供偏置電壓 q 1 3 的基極電壓為o 7 v 電阻r 6 上的壓降可以忽略 因 此q 1 4 的基極電壓約為o 7 v 使q 1 4 開啟 這樣就形成了m 3 q 1 4 r 8 的低阻值直 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 流通路 偏置電流源m 1 m 3 m 4 工作 使整個(gè)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài) 一旦電路進(jìn) 入正常工作狀態(tài)后 啟動(dòng)電路將關(guān)閉 因?yàn)閝 1 4 r 8 接成射極偏置電路的形式 q 1 4 的基極電壓是固定不變的 而當(dāng)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)時(shí)電阻r 8 上的電壓降將增大 那么導(dǎo)致q 1 4 的u b e 減小而使得q 1 4 截止 同時(shí)對(duì)溫度的變化有抑制作用 不對(duì)其它 的電路產(chǎn)生影響 不消耗額外的功率 圖3 2 基準(zhǔn)電壓源電路及過(guò)熱保護(hù)電路 2 兩管能隙基準(zhǔn)電路 q 2 7 q 2 8 q 2 9 q 2 2 q 2 5 q 2 1 q 1 6 q 3 0 c 6 r 1 r 2 r 3 r 4 r 5 組成兩管能隙基準(zhǔn)電路 q 2 8 q 2 9 為p n p 恒流源 做為q 2 2 q 2 5 管集電極的有源負(fù)載 設(shè) i c 2 9 生王 生堡 口 3 1 i c 2 8i c 2 5 e 2 5 適當(dāng)忽略q 3 0 q 1 6 的基極電流 則由式3 1 及圖3 2 可得 u r 3 1 2 2 1 2 5 x r 3 r 4 1 p i 2 5 r 3 r 4 0 p x r 3 r 4 a u b e 一 1 p r 3 r 4 等 n 等 3 z 所以 a z 地 z 0 p r 3 r 2 r 4 等l n 等劃一 1 制百r 3 r 4 n 等 3 3 由式 3 3 可知 利用等效熱電壓u 的正溫度系數(shù)和u b e 2 2 的負(fù)溫度系數(shù)相互補(bǔ)嘗 3b u c k d c d c 變換器芯片設(shè)計(jì) 可使得輸出基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)接近零 令 u b a s e 0 得 d y 一i 砒 o p 警等 n 魯 3 4 所以可以通過(guò)控制有效發(fā)射結(jié)面積比a a 或a a 及其電阻比 r 3 r 4 r 2 來(lái)獲得接近零的溫度系數(shù) 以本設(shè)計(jì)為例 根據(jù)模型參數(shù)u b e o 0 6 8 v 為了得到1 2 2 v 的基準(zhǔn)電壓 取p l a a 1 4 k t o q o 0 2 6 v 則由式 3 4 得 r 3 r 4 r 2 7 7 a 另外 q 3 0 c 6 組成負(fù)反饋電路 q 1 6 r 1 r 3 r 4 組成射極偏置電路 在此條 件下 當(dāng)溫度上升時(shí) i c l 6 i e l 6 將增加 那么在r l 上產(chǎn)生的壓降i e l 6 r 1 也要增加 但由于u r 4 電壓基本固定 所以由于u b e l 6 的減小使i b 自動(dòng)減小 結(jié)果牽制了i c 的增加 從而使i c l 6 基本恒定 起到負(fù)反饋的作用 這樣就使得基準(zhǔn)輸出電壓更加穩(wěn)定 基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓u b a s e 隨溫度及電源電壓變化的仿真波形如圖3 3 和圖3 4 所示 1 2 2 9 0 1 2 2 3 0 1 2 1 7 9 日 u b a s ed cr e s p o n s e 5 0 aa 9 05 a a10 01 5 0 t e m p c 圖3 3 基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的仿真波形 圖3 3 所示的是在工作電壓為3 6 v 時(shí) 溫度從一5 0 c 變化到1 5 0 2