一种基于指数补偿的低待机功耗AC/DC变换器的设计

摘要

日益突出的雾霾等环境问题，驱使着节能减排和绿色能源等环境保护事业的快速发展。随着消费类电子产业的蓬勃发展，便携式电子产品用户激增，对于小功率离线式AC/DC变换器的需求迅猛增加。因此降低AC/DC变换器的待机功耗，提高转换效率是AC/DC变换器的一个重要研究方向，同时也符合国家节能减排的要求。
　　本文的主要工作是设计一款基于指数补偿的低待机功耗原边反馈AC/DC变换器，重点对指数补偿电路进行了分析和设计。本文首先讲述了AC/DC变换器的电路结构和恒压工作原理，给出相关设计指标，并分析了原边反馈反激式变换器的功率损耗源，其次本文对降低待机功耗的方式进行了总结分析。传统的原边反馈反激式变换器在轻载以及待机状态下通常采用变频的方式减小系统的待机功耗，但是系统的频率不能无限制的降低，系统存在最低开关频率，最低开关频率限制了待机功耗的进一步减小。为了在系统处于最低开关频率时进一步降低系统的待机功耗，本文提出了一种两级指数补偿反激式变换器，一级指数电路采用RC积分电路实现，利用指数波形在刚开始建立时斜率大的优点快速关断功率开关管，使得待机或轻载时系统的最小导通时间不再受到前沿消隐电路的限制，待机时可以实现更小的导通时间，能够进一步降低系统的待机功耗;二级指数电路用于减缓指数波形的上升趋势，使得指数补偿电路不影响系统重载工作状态。最后给出了芯片的整体框架结构和指数补偿电路的原理分析，并采用SIMetrix/SIMPLIS软件对系统和指数补偿电路进行建模验证。
　　在此基础上，本文采用TSMC0.35μm5V/600V CMOS/LDMOS工艺进行MOS级电路设计，使用Cadence Spectre进行了仿真验证，绘制了版图并流片，芯片版图尺寸为1580×1350μm2。通过对芯片电路测试，交流输入电压在90V～260V范围内，输出电压为5V，恒压精度为士4％，线性调整率为3.6％，负载调整率为0.6％，系统的平均效率为86.6％，在输入电压为220V时，系统待机功耗为29mW，满足最新能源之星对AC/DC变换器待机功耗的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 AC／DC变换器低待机功耗国内外研究现状

1．2．1 降低待机功耗的必要性

1．2．2 降低待机功耗国内外研究现状

1．3 研究内容和设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文架构

第二章 反激式AC／DC变换器基本工作原理和待机功耗分析

2．1 反激式变换器简介

2．2 反激式变换器反馈方式

2．2．1 副边反馈反激式变换器

2．2．2 原边反馈反激式变换器

2．3 反激式变换器工作模式

2．3．1 断续导通模式

2．3．2 连续导通模式

2．4 反激式变换器调制方式

2．4．1 脉冲宽度调制模式(PWM)

2．4．2 脉冲频率调制模式(PFM)

2．4．3 脉冲跨周期调制模式(PSM)

2．5 AC／DC变换器的待机功耗分析

2．5．1 AC／DC变换器待机功耗来源

2．5．2 AC／DC变换器降低待机功耗的方法

2．5．3 降频技术降低待机功耗的瓶颈

2．6 本章小结

第三章 低待机功耗AC／DC变换器设计与仿真

3．1 系统设计要求

3．1．1 控制芯片系统定义

3．1．2 控制芯片内部各个子模块定义

3．1．3 系统的恒压原理

3．2 低待机功耗关键模块设计

3．2．1 指数补偿原理

3．2．2 指数补偿电路设计

3．3 系统建模及仿真优化

3．3．1 SIMetrix/SIMPLIS建模软件简介

3．3．2 基于SIMPLIS的系统恒压模块设计

3．3．3 指数补偿模块的系统仿真

3．4 本章小结

第四章 基于Cadence的关键模块电路设计与仿真

4．1 系统模块概述

4．2 带隙基准电路设计

4．2．1 电路功能

4．2．2 电路原理与设计

4．2．3 电路仿真

4．3 偏置电路设计

4．3．1 电路功能

4．3．2 电路原理与设计

4．3．3 电路仿真

4．4 振荡器设计

4．4．1 电路功能

4．4．2 电路原理与设计

4．4．3 电路仿真

4．5 前沿消隐电路设计

4．5．1 电路功能

4．5．2 电路原理与设计

4．5．3 电路仿真

4．6 采样保持电路

4．6．1 电路功能

4．6．2 电路原理与设计

4．6．3 电路仿真

4．7 指数补偿电路

4．7．1 电路功能

4．7．2 电路原理与设计

4．7．3 电路仿真

4．8 本章小结

第五章 控制芯片版图设计和流片测试分析

5．1 版图设计和绘制

5．1．1 版图设计原则

5．1．2 流片版图绘制

5．2 测试分析

5．2．1 AC／DC变换器电路结构设计

5．2．2 系统外围电路参数

5．2．3 系统测试与分析

5．3 测试结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文