一種具有省電模式的cs振蕩電路

一種具有省電模式的cs振蕩電路

1開(kāi)關(guān)頻率的控制隨著電子技術(shù)的發(fā)展，不同電子系統(tǒng)對(duì)電源的要求更加靈活多樣，降低電源負(fù)荷消耗變得越來(lái)越重要。目前多數(shù)國(guó)家針對(duì)空載時(shí)的電源損耗都作出了嚴(yán)格的規(guī)定:歐洲經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)(EEC)專(zhuān)門(mén)對(duì)不同的額定瓦數(shù)下的損耗提出了明確的指標(biāo),美國(guó)從2001年7月起就規(guī)定政府機(jī)構(gòu)不得購(gòu)買(mǎi)待機(jī)功耗超過(guò)1W的電器產(chǎn)品,所以低待機(jī)功耗電源轉(zhuǎn)換器已成為電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方向。以反激式(Flyback)轉(zhuǎn)換器為例,主要的功耗包括傳導(dǎo)損失(Conductionloss)、切換損失(Switchingloss)以及控制電路自身的消耗,這些損耗都與開(kāi)關(guān)的頻率有很大的關(guān)系。較高的開(kāi)關(guān)頻率可以降低轉(zhuǎn)換器對(duì)儲(chǔ)能元件(電感與電容)大小的要求,但是當(dāng)負(fù)載減輕時(shí),采用相同的開(kāi)關(guān)頻率只會(huì)減小實(shí)功和視在功的比值,所以在相同條件下降低開(kāi)關(guān)頻率就可以有效地提高實(shí)功的效率,由此希望轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率能隨負(fù)載的變化而變化,以最大限度地降低功耗。目前已有多種變頻方法應(yīng)用到電源管理集成電路上,文中所采用的變頻技術(shù)包括截止時(shí)間調(diào)制(Off-timeadaption)技術(shù)及間歇模式(Burst-mode)技術(shù)。截止時(shí)間調(diào)制技術(shù)的主要思想是:當(dāng)負(fù)載減輕時(shí),相應(yīng)地增大轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷時(shí)間,以此降低開(kāi)關(guān)頻率。由于是逐周期的調(diào)整脈寬,電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力可得到進(jìn)一步的提高,在此稱(chēng)該模式為變頻模式。由于轉(zhuǎn)換器芯片的輸出脈沖與其內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)相對(duì)應(yīng),因此對(duì)于電容充放電式振蕩器,可通過(guò)改變振蕩器的放電電流來(lái)調(diào)整鋸齒波的頻率,進(jìn)而控制轉(zhuǎn)換器輸出脈沖的關(guān)斷時(shí)間。間歇模式的原理是:在空載情況下,關(guān)斷轉(zhuǎn)換器輸出,只依靠變壓器儲(chǔ)存的能量維持負(fù)載端工作,當(dāng)能量下降到一定值時(shí),再啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器為變壓器補(bǔ)充能量,之后再次關(guān)斷轉(zhuǎn)換器輸出。這樣既降低了待機(jī)功耗,又使系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)負(fù)載端的變化。2率fs,no涯l,n對(duì)二次諧波的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)以上所述,提出如下的電路結(jié)構(gòu):在正常負(fù)載條件下,振蕩器提供固定的足夠高的切換頻率fS,normal(為符合EMI檢測(cè)和降低開(kāi)發(fā)成本,其二次諧波應(yīng)小于150kHz)。當(dāng)負(fù)載減輕時(shí),振蕩器進(jìn)入變頻模式,即頻率應(yīng)隨負(fù)載的變化而線性變化(最低頻率fS,green應(yīng)不低于音頻的工作范圍),當(dāng)負(fù)載繼續(xù)降低至空載,振蕩器將進(jìn)入間歇模式。2.1負(fù)載過(guò)流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性負(fù)載的狀態(tài)可通過(guò)光耦合器得到,原理如圖1所示。將光耦合器的反饋電流IFB與集成電路內(nèi)部固定電流IA作適當(dāng)比例的耦合得到反饋電流Ifb,再通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為反饋電壓Vfb,進(jìn)入電源集成芯片系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載增大時(shí),負(fù)載端輸出電流增加,則反饋電流IFB減少,反饋電壓VFB增加,使得PWM工作頻率增加;當(dāng)負(fù)載降低時(shí),輸出電流減少,則反饋電流IFB增加,反饋電壓VFB減少,使得PWM工作頻率減少。以PC-817為例,當(dāng)VFB大于2.1V時(shí),負(fù)載端為滿載狀態(tài),振蕩器工作在最大頻率;當(dāng)VFB介于1.6V和2.1V之間時(shí)為輕載狀態(tài),振蕩器工作在變頻模式;當(dāng)小于1.6V后為空載狀態(tài),振蕩器工作在間歇模式。2.2低頻率振蕩時(shí)的責(zé)任承擔(dān)圖2為振蕩器電路原理圖,其中電流源I3用來(lái)產(chǎn)生充電電流IC;I1、I2則分別用于限制變頻模式和間歇模式下放電電流的最大值,從而控制其對(duì)應(yīng)的最高開(kāi)關(guān)頻率值。放電電流IDIS由兩路電流按比例鏡像產(chǎn)生,一路是由變頻模式下的電流Igreen得到,另一路是由間歇模式下的電流Iburst得到。由于這兩種模式不會(huì)同時(shí)工作,所以Igreen和Iburst不會(huì)相互影響。當(dāng)Igreen或Iburst的比例電流IDIS小于IDIS,min(該電流對(duì)應(yīng)振蕩器以最低頻率振蕩時(shí)的放電電流值)時(shí),V1和V2的電壓值會(huì)變低,并將ctrl電平置高來(lái)關(guān)斷放電通路,從而限制了振蕩器的低頻范圍。設(shè)fS,normal為振蕩器最高頻率,fS,green為振蕩器最低頻率,VSAW,HI和VSAW.LO分別為鋸齒波的上下限電壓,充電電流為IC。鋸齒波導(dǎo)通時(shí)間與充電電流的關(guān)系為:ton=CTB(VSAW,HI?VSAW,LO)IC(1)ton=CΤB(VSAW,ΗΙ-VSAW,LΟ)ΙC(1)截止時(shí)間與放電電流的關(guān)系為:toff,normal=CTB(VSAW,HI?VSAW,LO)IDIS,max(2)toff,green=CTB(VSAW,HI?VSAW,LO)IDIS,min(3)toff,normal=CΤB(VSAW,ΗΙ-VSAW,LΟ)ΙDΙS,max(2)toff,green=CΤB(VSAW,ΗΙ-VSAW,LΟ)ΙDΙS,min(3)根據(jù)以上公式,可以求出電容CTB的大小及最大放電電流IDIS,max和最小放電電流IDIS,min的值,進(jìn)而可推導(dǎo)出Igreen和IDIS的比例關(guān)系,以及IDIS和Iburst的比例關(guān)系。2.3疊加共源共柵結(jié)構(gòu)利用線性電源電路結(jié)構(gòu)將反饋電壓Vfb轉(zhuǎn)換為與負(fù)載的狀態(tài)成線性關(guān)系的電流Igreen,如圖3(a)所示。當(dāng)Vfb減小時(shí),N1管的導(dǎo)通能力減弱,使得Igreen電流降低,最終減小振蕩器的放電電流。由于Vfb變化范圍較小,而此處又要求高的靈敏度,所以運(yùn)放AMP2采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu),一方面保證有較高的增益,另一方面通過(guò)提高輸出阻抗使得N1管漏極電壓的變化對(duì)源極電壓的影響減小,提高電流Igreen與VFB的線性關(guān)系。V1為芯片內(nèi)部一基準(zhǔn)電壓,其大小要求比VFB=1.6V時(shí)對(duì)應(yīng)的Vfb值略低一點(diǎn)。這是由于當(dāng)VFB=1.6V時(shí),要求Vfb與V1有一定的電壓差值以產(chǎn)生足夠大的Igreen,保證振蕩器以最低臨界頻率振蕩。而當(dāng)VFB繼續(xù)降低時(shí),比較器COMP1會(huì)將N1管的漏極電壓拉至最高電位從而關(guān)斷Igreen,使得VFB電壓必須回升到1.6V時(shí)才能產(chǎn)生Igreen,既可提高FB端引腳的抗干擾能力,又進(jìn)一步降低芯片自身的功耗損失。2.4vdd對(duì)振蕩的影響間歇模式的控制與變頻模式類(lèi)似,如圖3(b)。當(dāng)VDD電壓低于一定值后,R3電阻上產(chǎn)生壓降,N2管導(dǎo)通產(chǎn)生電流Iburst,振蕩器開(kāi)始工作,并隨著VDD下降而線性增高頻率,當(dāng)VDD電壓回升足夠高后N2管將關(guān)斷,使振蕩器停止工作。3保護(hù)板及c/d濾波器基于SinoMOS1μm40VCMOS工藝BSIM3V3Spice模型,在Cadence環(huán)境下,使用Hspice對(duì)電路進(jìn)行了仿真。圖4所示為FB端電壓取不同值時(shí)鋸齒波的波形,其中在VFB大于2.1V時(shí),鋸齒波的頻率保持在65kHz;當(dāng)VFB小于2.1V后,鋸齒波頻率隨之下降,最低保持在22.5kHz;當(dāng)VFB小于1.6V后,振蕩器停止工作,VDD電壓隨之開(kāi)始下降,在VDD降至12V時(shí),鋸齒波以22.5kHz頻率起振。圖5為集成具有省電模式的CMOS振蕩器電路的綠色節(jié)能AC/DC轉(zhuǎn)換器芯片顯微照片,有效芯片面積為2.06mm×1.55mm。圖6為芯片在不同負(fù)載條件下的開(kāi)關(guān)輸出波形,比較其波形頻率與仿真結(jié)果,可以看出該振蕩器工作穩(wěn)定,最低PWM頻率為21.7kHz,當(dāng)其性能指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)要求。4ac/dc了運(yùn)行環(huán)境和節(jié)能功能討論了開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)降低電能消耗的方法,基于S