高集成度高效率交流--直流(AC--DC)变换器输出控制的关键技术研究

摘要

交流-直流(AC-DC)变换器控制芯片广泛应用于各种便携式电子设备的适配器、家用电器电源、照明电源等电路中。交流-直流变换器控制芯片的发展趋势为高效率、高集成度、高输出精度与智能化等。基于反激式(Flyback)交流-直流变换器的特点，本文针对其集成化及效率优化的关键技术进行了研究，主要研究内容:为实现全集成原边控制恒流输出反激控制器，提出并设计了原边全集成退磁时间检测电路;为实现高精度恒压输出控制并实现控制器的集成化，提出并设计了用于原副边配合恒压输出控制的通讯方式及状态机，并且设计了片上集成高压电容隔离通讯方案及电路;为提高同步整流反激变换器的整体效率，提出并设计了用于优化反激同步整流效率的自适应电压过零检测技术。 本文首先分析了应用于恒流输出场合下的反激变换器，提出了一种全集成的原边控制恒流输出反激控制器。为了提高系统集成度，采用了片上集成高压功率器件、片上集成退磁时间检测及无需片外补偿恒流控制电路的方式。通过分析反激式交流-直流变换器的工作特性以及利用退磁时间进行恒流控制的控制方法，提出了一种利用功率管栅极进行退磁时间采样的反馈方法，并分析了电路中的寄生参数对退磁时间采样的影响。与传统的退磁时间采样方法相比，本文的方式利用了功率器件本身的寄生电容进行采样，从而无需其他片外辅助器件即可实现恒流反馈控制。为了验证片上集成退磁时间检测电路，设计了全集成原边控制恒流输出反激变换器控制芯片。使用该芯片，系统无需片外分压电阻、辅助绕组或光耦等器件即可实现输出恒流控制。所设计的全集成恒流控制芯片经过流片，搭建了测试电路。测试电路实现了原边全集成的恒流控制，包含所有外围器件在内，其尺寸为1.6cm×2.4cm×1.4cm。在85-265V交流电压输入范围内，输出电流误差范围为±2.48％，系统总体效率大于72％。 在研究了原边控制恒流输出反激控制器之后，针对恒压输出应用下的反激控制器进行了研究。为了保证输出电压控制精度与响应速度，提高系统效率，提出采用原副边双控制器的控制方式。其中原边控制器基于前述功率器件与高压供电集成的方案，副边控制器集成了输出控制及同步整流控制器。原副边控制器经由通讯链路进行通讯，实现完整的闭环控制。为保证系统的安全工作，设计了相应的状态机以实现控制状态的转移和异常状态的处理。此外，为保证电路工作时序的正常，还为副边控制器设计了双路供电方案以保证副边控制器快速启动。 基于双控制器的控制方案，为提高集成度，需要实现可集成且可靠的原副边隔离通讯。本文提出了一种能够集成在片上的高压电容隔离通讯方案。由于采用片上高压电容进行隔离通讯，无需特殊封装或额外的通讯元件，因而能够实现原边控制芯片与副边控制芯片在封装上的集成。本文提出了几种可能的片上高压电容的实现结构，并对其寄生特性进行了分析。基于电路的寄生特性，设计了相应的通讯信号恢复电路。所设计的高压电容仅占用一个封装焊盘的大小，且无需特殊制造工艺支持，相对于传统的通讯方案，具有易于集成且低成本的优点。为了验证所提出的控制方案及通讯方案。设计了原边控制芯片和副边控制芯片，并进行了流片验证。搭建了恒压输出反激变换器系统进行测试，测试结果表明，所提出的片上隔离通讯方案能够实现稳定可靠的环路控制，在90-265V交流输入、0-10W负载范围内，输出电压误差小于0.96％，负载在空载和满载间切换时，系统响应速度小于200μs。 为了进一步提高系统的效率，基于前述集成同步整流控制器的控制方法，本文分析了同步整流控制过程中存在的非理想因素及其可能造成的效率损失。在同步整流控制器中，由环路延迟及比较器随机适配等非理想因素造成的同步整流管关断误差可能降低同步整流的效果。针对同步整流控制器的特点，本文提出了一种自适应的同步整流过零检测方法。该方法能够通过动态环路补偿，实现精确的过零点关断控制，提高系统效率。为验证所提出的自适应同步整流控制方案，使用提出的方案进行了流片并进行了系统测试。测试结果表明，与传统同步整流相比较，对于85-220V交流输入，5V(5W)恒压输出的系统，本文提出的自适应同步整流方案在20-60％负载条件下最高能够实现3％的效率提升，在80％以上负载条件下，最高可实现0.8％的效率提升。满载情况下，优化后系统总效率大于82％。

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致谢

摘要

图目录

表目录

1．引言

1．1．研究背景及现状

1．1．1．电源管理芯片分类

1．1．2．交流-直流交换器控制芯片的研究现状及关键技术点

1．1．3．交流-直流交换器控制芯片产品现状

1．1．4．交流-直流交换器控制芯片的发展趋势

1．2．论文的主要工作和组织框架

1．3．论文的创新点

1．3．1．原边峰值电流控制及输出恒流控制

1．3．2．电容隔离副边恒压控制

1．3．3．自适应同步整流

2．反激式变换电路基本工作原理

2．1．反激变换器功率级基本工作原理

2．1．1．连续导通模式下反激电路稳态工作分析

2．1．2．断续导通模式下反激电路稳态工作分析

2．1．3．连续导通模式与断续导通模式的比较

2．2．反激电路的控制方式及原理

2．2．1．脉冲宽度调制(PWM)控制方式

2．2．2．脉冲频率调制(PFM)控制方式

2．2．3．跳脉冲调制(PSM)控制方式

2．2．4．混合控制方式

2．3．反激电路的隔离反馈方式及原理

2．3．1．光耦隔离反馈

2．3．2．辅助绕组反馈

2．3．3．原边绕组直接反馈

2．3．4．互感线圈隔离反馈

2．3．5．各种反馈方式的比较

2．4．小结

3．原边峰值电流控制及输出恒流控制

3．1．原边恒流控制基本原理

3．2．全集成原边恒流控制器系统概述

3．3．关键模块电路实现及其工作原理

3．3．1．恒流控制主控制环路实现及工作原理

3．3．2．片上退磁时间检测电路实现及工作原理

3．4．电路测试及结果分析

3．5．小结

4．电容隔离副边恒压控制

4．1．系统概述

4．2．系统框图及工作原理

4．2．1．主回举工作原理

4．2．2．系统状态转换与控制时序

4．3．关键模块电路实现及其工作原理

4．3．1．高压电容隔离通讯电路实现

4．3．2．原边商压供电电路实现

4．3．3．副边双路供电电路实现

4．4．电路测试及结果分析

4．5．小结

5．自适应同步整流

5．1．系统框图及概述

5．2．关键模块电路实现及其工作原理

5．2．1．过零比较器电路实现及工作原理

5．2．2．动态补偿电压生成模块

5．3．电路测试及结果分析

5．4．小结

6．总结及展望

6．1．1．论文工作总结

6．1．2．存在的问题和不足

6．1．3．未来工作展望

参考文献

作者简历及在攻读博士学位期间主要研究成果