高精度原边反馈PFM型AC-DC开关电源芯片设计

摘要

开关电源正不断向着更高效率、更小体积和更轻便的方向发展。传统的副边反馈变换器需要采样输出电压与精密基准电压源比较再通过光耦器件将信号反馈回到原边的芯片电路，从而实现输出稳压。而原边反馈变换器是直接采样辅助绕组的信号，达到对输出进行电气隔离的精密控制的目的。所以原边反馈变换器系统相对副边反馈变换器的系统可以节省基准电压源和隔离反馈用的光耦器件以及其周围的辅助电路，使得系统更简洁，体积更小。采用PFM控制方式，实现极低的待机功耗。因此对原边反馈PFM型AC-DC开关电源的研究具有极其重要的意义。
　　 本文在研究原边反馈开关电源的基础上，提出了一种新型的原边反馈环路控制系统。通过对系统控制环路的分析与设计确定芯片模块并设定了原边反馈变换器的性能指标和重要模块的指标参数，接着详细地设计仿真了各个模块电路。芯片采用独有的开环结构和外加补偿的误差放大器进行时钟电流控制，进而控制开关频率，所以芯片内部从EA到PFM控制输出具有极高的增益，实现高精度恒压控制和输出电压的线损补偿。采用精确的恒流控制环路实现高精度的恒流控制和原边电感补偿功能。采用快速的峰值电流控制模式，实现输入电压变化补偿和输出过流或短路保护功能。此外芯片还具有软启动和过压保护等功能。
　　 基于1 um40V高压BiCMOS工艺，对芯片电路进行设计仿真并流片验证。最后对芯片进行直流参数测试和系统测试，测试结果表明芯片的参数和功能均达到设计指标。

目录

声明

摘要

插图索引

第一章 引言

1．1 开关电源发展历程

1．2 国内外开关电源研究与进展

1．3 PFM型原边反馈开关电源研究的意义

1．4 本论文的工作

第二章 开关电源拓扑结构介绍与原理分析

2．1 BUCK拓扑结构及正激式拓扑结构

2．1．1 BUCK拓扑结构

2．1．2 正激式AC-DC变换器

2．2 BOOST拓扑结构和演变拓扑结构

2．2．1 BOOST拓扑结构

2．2．2 BOOST的演变拓扑

2．3 BUCK-BOOST拓扑结构及反激式拓扑结构

2．3．1 BUCK-BOOST拓扑结构

2．3．2 反激式AC-DC变换器

2．4 本章小结

第三章 原边反馈开关电源系统的分析

3．1 副边反馈和原边反馈反激式开关电源原理

3．1．1 副边反馈反激式开关电源原理

3．1．2 原边反馈PFM型反激式开关电源原理

3．2 原边反馈AC-DC变换器设计指标

3．2．1 本芯片设计特点

3．2．2 芯片指标参数和内部框图

3．2．3 芯片引脚和典型应用电路图

3．4 原边反馈AC-DC变换器系统设计

3．4．1 芯片环路分析

3．4．2 变压器设计

3．5 本章小结

第四章 AC-DC转换器的电路设计与仿真

4．1 电源供电模块

4．1．1 启动电路、UVLO电路和5V电源产生电路

4．1．2 过压保护电路

4．1．3 基准电压源电路

4．1．4 参考电压产生电路

4．2 CV控制模块

4．2．1 参考电流源产生Ibias电路

4．2．2 退磁信号检测和采样控制

4．2．3 误差放大电路

4．2．4 线损补偿电路

4．2．5 时钟产生电路

4．2．6 抖频电路

4．3 CC控制模块

4．4 峰值电流检测模块

4．4．1 峰值电流比较和软启动电路

4．4．2 前沿消隐电路

4．5 PFM产生逻辑和驱动输出模块

4．5．1 PFM产生逻辑电路

4．5．2 驱动输出电路

4．6 本章小结

第五章 系统仿真与测试结果

5．1 系统仿真结果

5．2 芯片工艺和版图

5．3 芯片测试

5．3．1 芯片测试平台

5．3．2 芯片测试结果与参数分析

5．4 本章小结

总结

参考文献

致谢

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