ACDC开关电源控制器研究与芯片设计
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复旦大学
硕士学位论文
AC-DC数字电源控制算法的研究
姓名:李君
申请学位级别:硕士
专业:电子与通信工程
指导教师:陈雄
20070522
第四章算法优化后的整机性能验证
改进的控制算法验证分三部分进行:一是频域上的实测验证,主要通过波特图的方式来验证系统的稳定性。
二是时域上动态性能的验证,因为通过频域上波特图的验证手段,并不能准确地验证大动态条件下系统的稳定性,比如输入电压大动态变化和负载大范围变化的情况。
而在示波器上就可以准确地测到动态条件下输出电压的形态。
三是通过测试不同输入输出条件下DSP的驱动波形,这是为了验证闭环系统稳态的工作状况。
4.1、实测系统频域特性结果(波特图)
测试仪器:
图36HP3577A网络分析仪
试验1:
测试条件:输入电压--90Vac,负载=0A,环境温度=25"C
测试结果:
4.2、时域动态性能测试
测试仪器:
图48Chroma交流电源
图49Chroma63201电子负载
图50TDS5034B数字示波器
试验12:
测试条件:负载跳变范围=O’75^,电流上升速率:O.IA/us,保持肘闻=20rⅡs测试结果:
图46试验12测试结果
结果分析:上冲=344mv,下冲一399mv,动态波形稳定
优化前同等条件下的动态波形:。
摘要随着电力电子技术的飞速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,作为电子产品的动力来源,从日常生活到高尖端的科技,都离不开电源的参与与支持,其重要性是不言而喻的。
本文介绍了意法半导体(ST)公司研发的一款电源控制芯片VIPer12A的内部结构及工作原理,介绍了一种采用单端反式激的拓扑结构设计开关电源的方法,并基于电源控制芯片VIPer12A设计了一款功率为、输出电压为5V的小型化的开关电源。
关键词:小型反激VIPer12A PWM目录一概述 0(一)开关电源的发展 0(二)开关电源的基本原理 (1)(三)有关开关电源的几个指标 (1)二小功率电源的设计过程 (2)(一)芯片VIP ER12A的基本功能结构介绍 (2)(二)基于芯片VIP ER12A小型微功率电源的基本结构 (3)1、输入整流滤波单元 (3)2、功率变压器的设计 (4)3、输出整流滤波单元 (5)4、控制反馈单元 (6)(三)电源性能测试及结果分析 (7)三结论 (7)参考文献 (8)1 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.电子工业出版社, (8)附录一 (9)附录二 (10)一概述(一)开关电源的发展随着电力电子技术的飞速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,作为电子产品的动力来源,从日常生活到高尖端的科技,都离不开电源的参与与支持,其重要性是不言而喻的。
电源按工作原理来分,可以分为线性电源和开关电源。
线性电源和开关电源的区别主要是他们的工作方式。
线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器,此电压放大器的输出作为电压调整管的输入,用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化,从而调整其输出电压。
而开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成,是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的。
线性电源技术很成熟,可以达到很高的稳定度,波纹也很小。
抗干扰AC/DC开关电源芯片的研究与设计杜斌【摘要】近年来,随着新能源技术的飞速发展,研发一种高效节能、使用年限长的电源芯片成为热点。
AC/DC开关电源转换器源以其价格、效率、体积等优势在小功率电源领域得到了广泛应用。
基于AC/DC开关电源转换器的工作原理,发现误差放大器对整个电源芯片的精度影响很大,介绍一种组合式的误差放大器,将轻载到满载的电压输出降低到40mV。
提出了智能抗尖峰电路,减少了LEB结束与开关断开的时间差,提高安全性能。
最后对本芯片进行试验测试,表明抗ESD能力达到10kV,芯片性能稳定。
本方案可对今后电源芯片设计提供一定的技术参考。
%In recent years, with the rapid development of new energy technology, developing a power supply chip with high efficiency,energy saving and long service life becomes a hot spot. AC/DC switching power supply converter source with its advantage of price, efficiency and volume, has been widely applied in the field of low power supply. Based on the working principle of AC/DC switching power supply converter, it is found that the error amplifier has a great influence on the precision of the power chip. A kind of combined error amplifier is introduced, which can reduce the output voltage to 40mV from a lighter load to full load. The intelligent anti-interference peak circuit is put forward, which can reduce the time lag of LEB end and switch-off, and improve the safety performance. The experiment of the chip test shows the anti-ESD ability is up to 10 kV, and the chip performance is stable. The plan can provide the technical reference for the design of power supply chips in the future.【期刊名称】《电气传动自动化》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】4页(P10-13)【关键词】抗干扰;电源芯片;智能;误差放大器【作者】杜斌【作者单位】桂林长海发展有限责任公司军工事业部发射室,广西桂林541000【正文语种】中文【中图分类】TN41 引言AC/DC开关电源转换器以其价格、效率、体积等优势在小功率电源领域得到了广泛应用,电脑、显示器、路由器、移动设备都离不开AC/DC开关电源[1]。
(上)彭磊•10W以内常用RCC(自激振荡)拓扑方式•10W-100W以内常用反激式拓扑(75W以上电源有PF值要求)•100W-300W 正激、双管反激、准谐振•300W-500W 准谐振、双管正激、半桥等•500W-2000W 双管正激、半桥、全桥•2000W以上全桥•在开关电源市场中,400W以下的电源大约占了市场的70-80%,而其中反激式电源又占大部分,几乎常见的消费类产品全是反激式电源。
优点:成本低,外围元件少,低耗能,适用于宽电压范围输入,可多组输出.缺点:输出纹波比较大。
(输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器可以改善)•今天以自行车充电器为例,详细讲解反激开关电源的设计流程及元器件的选择方法。
EMI整流滤波变压器次级整流滤波开关器件PWM 控制IC隔离器件采样反馈输出高压区域低压区域—保险管•作用:安全防护。
在电源出现异常时,为了保护核心器件不受到损坏。
•技术参数:额定电压V、额定电流I、熔断时间I^2RT。
•分类:快断、慢断、常规•0.6为不带功率因数校正的功率因数估值•Po输出功率•η 效率(设计的评估值)•Vinmin 最小的输入电压•2为经验值,在实际应用中,保险管的取值范围是理论值的1.5~3倍。
•0.98 PF值相关知识•大部分用电设备中,其工作电压直接取自交流电网。
所以电网中会有许多家用电器、工业电子设备等等非线性负载,这些用电器在使用过程中会使电网产生谐波电压和电流。
没有采取功率因数校正技术的AC-DC整流电路,输入电流波形呈尖脉冲状。
交流网侧功率因数只有0.5~0.7,电流的总谐波畸变(THD)很大,可超过100%。
采用功率因数校正技术,功率因数值为0.999时,THD约为3%。
为了防止电网的谐波污染,或限制电子设备向电网发射谐波电流,国际上已经制定了许多电磁兼容标准,有IEEE519、IEC1000-3-2等。
•功率因数的校正(PFC)主要有两种方法:无源功率因数校正和有源功率因数校正。
设计与制造Design and manufacture0 引言电子产品逐渐普及后,人们对电源环保性、节能性、高效性的要求也越来越高,在开关电源发明以来,因其一些特殊优点,得到了业界的关注与认可。
开关电源有着成本低廉、高效率、发热小、外围电路简单、输出电压灵活的特点,使其在电网、通信设备等领域中广泛应用,在技术的成熟下,开关电源也朝着微型化、节能、高效方向发展。
1 AD/DC开关电源的应用现状开关电源由于其各种优点,在显示器、计算机、通信设备、交换机等领域中都有应用。
在几十年的发展下,开关电源功率密度得到了显著提升,工作频率也逐步升高,体积越来越小。
但是,在开关管非理想特征的影响下,电压、电流是不能突变的,两者在交叠下,会出现损耗,这影响了开关电源的高频发展,也带来了电磁干扰问题。
怎样开发高频开关电源,又降低负面效应,是当前业界关注的重点。
从狭义阶段开关电源的发展趋势来看,会朝着数字化、智能化、集成化、高频率方向发展[1]。
AD/DC开关电源是开关电源的一个重要类型,输出信号采用了直流电压与电流,在输入信号上,采用了低频交流电压,在开关电源的运行中,很容易受到内部、外部条件的干扰,因此在设置时,多采用隔离设置方式,并安排升压装置。
AD/DC开关电源原理是交流信号在经过PFC功率矫正器与桥式整流器之后,转化为直流信号,再通过升压装置来传输,完成信号的输出,整流后,就完成了转换。
在AD/DC开关电源中,是采用光耦合方式来输出信号,针对电源芯片的设计,必须要考虑到反馈电源信号、参考电压信号之间的误差。
2 电源芯片理论2.1 AC/DC开关电源此类电源采用的是交流电压,在输入时,需要通过整流、滤波电容将其转化成类直流电压,为了确保使用安全,需要将其隔离,也要应用到变压器,因此,AC/ DC开关电源的体积相对较大,对元器件的使用要求也更高[2]。
2.2 变压器反激式拓扑结构在开关管VT导通时,Np会充电,并开始储能,在VT截止时,整流二极管D会导通,提供能量,根据电流的连续与断续,变压器反激式拓扑结构包括DCM模式与CCM模式两类。
LNK303P恒压/恒流原边控制功率开关SOP8 v1.6LNK303P内部功能简单框图封装示意图DRAINCOMP CS FB HVDD GNDGND DRAIN管脚说明名称 管脚序号 功能说明DRAIN 7、8 内置高压MOS 管的DRAIN ,同时芯片启动时,也做芯片的启动CS 1 电流检测输入FB 2 反馈输入,反映系统的输出电压,PWM 占空比变化取决于FB 误差放大和SENSE 脚的输入电压 COMP 3 恒压环路补偿管脚 VDD 4 芯片电源 GND5、6芯片地极限参数(极限参数(TA= 25℃)符号说明范围单位V DS(max)芯片DRAIN脚最高耐压-0.3~730 VVDD 芯片工作电压-0.3~34.0 VIDD clamp芯片钳位电流10.0 mAV FB FB输入电压-0.3~7.0 VV COMP COMP输入电压-0.3~7.0 VV CS CS输入电压-0.3~7.0 VT A工作温度-20~85 ℃T stg存储温度-40~150 ℃V ESD人体放电模式>4000 VRθja热阻SOP8 65 ℃/W电气工作参数(除非特殊说明,下列条件均为T A=25℃)符号参数测试条件最小值典型值最大值单位芯片VDD工作部分I DDstart启动充电电流VDD=5V - 200 - μA I DDop工作电流FB=2V,CS=0V,VDD=20V - 1.5 - mA V DDOFF VDD关闭电压7.0 8.0 9.0 VV DDON VDD启动电压13.5 14.5 16.0 VV DDclamp VDD钳位电压I DD=5mA - 34 - VV DDOVP VDD过压保护电压- 32 - V CS电流检测测输入部分T LEB LEB时间- 500 - ns Vth_oc 过流阈值870 900 930 mV T_ss 软启动时间- 10 - ms 频率部分Freq_Nom 开关频率- 63 - KHz Freq_startup 待机频率FB=0V,COMP=5V - 18 - KHz Δf/Freq 抖频范围- 4 - % FB误差放大器部分V ref_EA EA参考电压 1.97 2.00 2.03 VI COMP_MAX最大补偿电流FB=2V,COMP=0V - 42 - μA 功率管部分BVds MOS击穿电压730 -- - V Rdson MOSFET导通电阻- 30 - Ω功能表述◆ 芯片是应用于离线式小功率AC/DC 开关电源的高性能原边反馈控制功率开关芯片,全电压输入范围内,恒压恒流输出精度均小于±3%。
东南大学硕士学位论文AC/DC开关电源控制器研究与芯片设计姓名:蔡立达申请学位级别:硕士专业:软件工程(IC)指导教师:常昌远;杭钟毓20080522第三章AC/DC开关电源芯片内部模块设计与丁作波形幽3.3中,Rso=R5l=26.4}£Q,T107的发射极面积ATI忻蔓jTl08发射极面积ATl00的10倍极电位同为2Vk,因此:IcrIos2lcrl07这样可以推出R52上的电压降为:%52=‰Ⅲs一吃M:以hiIcr|08XA7107.lC¨胛xA几∞=巧lnl0=O.6V由此推出:%叱一‰¨+等×(Rso+2R49)-1_4矿+淼×(26撇+2x5.65艘)=2.5V检查式(3.IO)和(3.11)可知:‰=2%+40%Vbc和vT前的系数大体满足比例关系。
电压基准V%随温度的变化如图3.4所示:T101和T106的基(3.9)(3.10)(3.11)(3.12)图3.4基准温度系数曲线当工作温度由0℃变化到120℃时,基准电压的变化是4mV,温度系数为33ppMV/'C。
电压基准随电源电压Vccl拘变化如图3.5所示:电压基准在vcc为3.5V左右可以正常工作,当电源电压由4.4V变化到10V时,基准电压的变/Z:黾30mV,23东南大学工程硕士学位论文当典型上作时,输出基准电压2.49V。
图3.5基准电压系数曲线基准电压建立后,经过偏置电路产生比较电压和偏置电流.提供给后续电路。
具体电路图如图3.6所示。
图3.6分压电路基准电压经过电阻分压产生vF2电压,为1.8v.提供给振荡电路中的比较器。
电阻R62上的压降为500mV,起过热保护的作用,具体原理在论文过热部分会有阐述。
R59上的压降为1.3v,T7导通工作,产生vFl电压为0.6V,提供给A2比较器。
T59和T69导通,产生50¨A电流,T1、T35和后续电路的偏置电流建东南大学工程硕士学位论文表4.2器件层次分配表埋层隔离深磷低硼基区浓硼N+孔NPN、,√√√、,、,√PNP√√√、,√√基区电阻√√√P-电阻√√√电容√√√√1.NPN管NPN基本管俯视幽如图4.1,单管的发射区面积为6X8p_m2.为了减少接触孔的接触电阻,在基区加P+,在集电区加深磷。
部分集电区面积加大。
图4.1基本NPN管当器件工作与大电流状态时,有两个重要参数会发生变化,使得器件特性变坏。
这就是hFE值下降和集电区寄生电阻Rcs上的电压降增大,后者使饱和压降增大。
为了减少集电区寄生电阻Rcs上的电压降,可以采用如图4.2所示的环状集电区接触结构予以减少。
环状接触是一层N+扩散层。
图4.2带N+环的NPN管第四章AC/DC开关电源芯片版图设计当导通大电流的晶体管会发生晶体管增益下降,除非发射极面积随发射极电流成比例增加以确保恒定的发射极电流密度。
典型纵向NPN晶体管的hFE值在发射极电流密度达到1“A/pm2时就会开始下降。
为了节省面积,功率晶体管经常工作在小于小信号晶体管hFE值的情况下。
如果是大电流工作,hFE值的下限为10。
功率NPN晶体管在hFE降低到10之前一般都能承受10,20pA,岫2的电流密度。
近年来,人们已经提出多种NPN功率晶体管版图方案,任何一种版图结构都有各自的优点和缺点,因此不同类型的版图知识有助于设计者针对特定的应用选择最佳的方案[301。
任何版图都可以通过加入或取消发射区部分或者将几个功率器件并联来进行缩放。
芯片的功率NPN晶体管版图如图4’3所示。
图4.3功率管NPN版图用做开关管应用的晶体管或者工作在没有电流流动的关断状态,或者工作在集电极.发射极压降很小的饱和状态。
开关晶体管只有在短暂的开关过程中才会产生功耗。
开关晶体管的平均功耗非常小,因此很少出现热点或热击穿。
但是另一方面。
开关应用很容易引起发射极电流在关断间聚集。
保守的设计都会要求发射极电流密度不超过20uA/pm2以确保发射极电流聚集不会触发二次击穿。
图4.3中的晶体管采用多基区并与深N+区构成叉指状结构。
这种做法减小了集电极电阻,但会增加面积并使布线变得复杂。
在单层金属版图中。
基极连线必须折叠通过发射极和集电极金属连接之间的晶体管。
折叠基极连线增加的长度能够在基极金属连线上产生明显的去偏置。
即使采用分布式限流措施.晶体管金属连线上的压降也不应该超过几毫伏。
通过连接折叠发射极连线的两端可将基极去偏置约降至l“。
采用双层金属工艺的版图经常使用梳妆或格子状排布以改善基极金属连线去偏置。
双层金属工艺使得基区接触孔可以完全环绕每一个发射叉指,而在单层金属工艺中最多只能到达每个叉指的两侧或三侧。
基区接触孔完整的环形结构有助于确保发射区边缘所有部分处于同样的工作状态。
一个封闭的深盯侧阱可以减少集电极电阻并阻止饱和状态下的树底注入。
东南大学T程硕上学位论文这种结构相当稳定。
分布式发射极限流有助于防止单个叉指内部的热击穿和二次击穿,而且同其他叉指结构相比允许器件工作在更大的电流密度下。
必须工作在及其恶劣条件下的晶体管可收益于在单个反射极义指连线中插入额外的50-75mV发射极去偏置,这种结构的开关速度虽比不上叉指状发射极晶体管,但是退化也没有预期的大,因为大电流导通主要沿发射极边缘出现。
2.PNP管芯片中的PNP管采用横向PNP结构,如图4,4所示。
基区宽度为5pm,发射区直径为7岬。
基区加深磷。
图4.4PNP管在版图设计上,一种少子载流子保护环可以避免某一元器件的注入空穴复合,同一个阱中其它元器件的正常工作,即交叉注入的问题。
例如公用同一个阱的两个横向PNP。
如果任意一个晶体管饱和,它发射的一部分载流子会被邻近的晶体管收集。
导致集电极电流增加。
干扰电路正常工作,尤其是如果需要器件互相匹配,这种干扰更为严重。
交叉注入可以通过将每个晶体放在自己的阱内来避免,但是由于隔离扩散而浪费了大量版图空间。
一种更紧凑的办法可以利用P隔离条的少子载流子保护环来解决。
一个P隔离条为安置在两个晶体管间的基极扩散最小宽度的窄条。
P隔离条的每一端都延伸到隔离区足够远,这样保证了P隔离条不需接触孔就可以与隔离区电子接触。
假设在P隔离条左边的横向PNP饱和,开始在阱中注入空穴。
为了使这些空穴到达右边的横向PNP,它们必须首先流经P隔离条F面。
基极扩散形成的这个阻拦条在外延层很深,而留下很小的空间用来使载流子从它下面流过。
大部分要从左边流向右边的空穴将被P隔离条收集而流向地。
因此该结构是少子载流子保护环的特殊结构。
在P隔离条下面N埋层的存在保证了从阱中右边晶体管到左边晶体管的基极电流的低阻抗通道。
因此两个晶体管可公用该结构左边的阱接触孔。
双极电路常常包括由公用基极接触孔的横向晶体管构成的电流镜。
这些晶体管在同一个阱中,但是如果一个晶体管饱和,那么邻近晶体管上提供的电流会增加。
在饱和晶体管和邻近晶体管问的P隔离条在不过量扩大阱面积的同时避免这种影响。
另一种应用是一个NPN驱动一个横向PNP晶体管或衬底PNP,其苎婴童垒!翌!茎叁皇塑蔓生墼望丝生中NPN的集电极与PNP的基极相连。
从PNP到NPN的少子载流子的导通会激发内部结构的可控硅调节器来形成正反馈闩锁效应,在晶体管间的一个P隔离条可以抑制门锁效应,但是只有当隔离条的集电效率超过两个晶体管的hFE乘积的倒数才能保证。
3.电阻芯片中采用了两种电阻类型【3ll。
一种是基区扩散电阻,一种是P_电阻。
在双极工艺中最常用的是扩散电阻,通常与集成晶体管的任一扩散同时制作。
其中应用最广泛的是基区扩散电阻,因为它的薄层电阻在100-200D./o,可做电阻的范隔在50n.50kQ,其相对误差ARfR可控制在土20%以内,电阻温度系数一般在2000ppM/'C左右,都比较适中。
由于在集成电路中可将有关电阻做在同一隔离区内.彼此紧靠着,它们又是在同样工艺下制作的,引进的误差基本一样,因此相邻两个电阻的电阻比值可作的比较精确,最小可达4-0.2%之内。
另一种常用电阻类型是离子注入电阻,它是在外延层上注入硼离子形成电阻区,在电阻区的两端进行P型杂质扩散,以获得欧姆接触,作为电阻引出端。
离子注入电阻具有以下一些特点:薄层电阻Rs的可控范围比较大,为O.1.20kD./o,制作的电阻阻值范围比较大,由于Rs可由注入条件精确控制,因此电阻的精度比较高,常用来做大阻值的高精密电阻。
由于离子注入工艺横向扩散较小,离子注入的电阻的实际尺寸w、L可由掩膜窗口精确确定。
电阻的温度系数TCR与退火条件及R5等有关,所以可以控制,当在注硼区再注入氩离子时,其温度系数可以降至100ppM/'C以下。
离子注入电阻的缺点是由于注入结深K较小(O,1-0.8pM)。
所以注入层的厚度受耗尽层的影响较大,导致电阻的阻值随两端电压的提高而增大。
设计中采用的电阻见图4.5。
图4.5电阻东南大学工程硕士学位论文由于拓扑原因而使得一铝必须在电阻上层布线,如果该导线上的电位与电阻两端电位差异很大,就会对电阻产生传导率调整的影响。
该影响会产生导线和电阻间很大的噪声。
由于基区扩散电阻比高阻的传导率调整影响小.可以通过延长基区扩散端口。
从而避开高阻而从基区扩散上层引一铝导线,就可减小噪声。
当高阻很短而不能满足导线从它上面穿过时.延长基区扩散端口可解决该问题。
在芯片中基区电阻样品最小条宽为4pro,方块电阻阻值为200D./o,P.电阻最小条宽为4“m,测得样品方块阻值为2k‘v口。
电阻头修正都为75DJo。
电阻头修正按电阻条宽的增加而逐渐减小,在本设计中电阻头修正一种是调整基区.大部分是调整P+,条宽超过40pro的电阻修正忽略不计。
4.电容芯片内部集成了一个NMOS电容。
MOS电容也称为氧化物电容,它是利用氧化物作介质,在其下面用一个低电阻率的半导体作为电容器的一个极板,在氧化物上沉淀一层铝作为第二个极板。
本设计中以N.发射区扩散层作为电容的下极板,在引出孔加了深磷,一层500Am的SiN层作为介质。
最后在上面沉淀一层铝,NMOS电容如图4.6所示。
图4.6NMOS电容4.3.4布局布线划分好隔离区并设计好器件图形后,就开始布局布线。
布局的过程就是确定每个元器件在版图中所处的位置。
设计中,首先根据压焊垫的位置来安排这些元器件。
这是因为压焊点的分布要符合壳外引线的排列次序。
在布局过程中元件的图形和尺寸可适当做些调整,特别是电阻的形状和走向,灵活性很大。
整个布局力求紧凑,最有效地利用整个面积。
之后按照电路的连接关系把各元件连接起来,布线时要遵守布线的规则.如连线要短,要防止不同电位的连线交叉等。