高效率、低功耗的离线式开关电源控制器芯片的设计与实现

摘要

近年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电源管理芯片需求的增长，同时也带来了新的机遇和挑战。开关电源以体积小、重量轻和效率高等特点被广泛应用于手机、电脑、数码相机等几乎所有的电子设备。开关电源控制器的低功耗、高电能转换效率是设计者不断追求的目标。本课题针对开关电源中的离线式控制器进行研究，目的是设计一款高效率、低功耗的通用离线式开关电源控制器芯片。
　　 本论文提出了一种基于峰值电流模式的离线式开关电源控制器芯片。它采用脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)和脉冲跨周期调制(PSM，Pulse Skipping Modulation)结合的方法，在反馈电压处于3.35～4.75V时采用脉冲宽度调制，按时钟下降沿开启、峰值电流关断的方式周期性地输出控制波形，以保证重载时系统的高效率和小纹波。在反馈电压处于4.75～5.5V时采用脉冲跨周期调制，停止输出控制波形，使功率开关管处于关断状态，直到反馈电压小于4.75V为止，从而减小了功率开关管的开关损耗，保证了轻载时的高效率。为了降低系统的电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)，采用频率扩展的方法，将功率开关管开关瞬间迅速变化的电压和电流的高次谐波平坦化。本芯片采用引脚复用策略，只有三个引脚，结构简单，应用方便。此外，芯片还具有过压保护、欠压保护、短路保护、内部电流死区控制、内部斜坡补偿等功能，可靠性高。芯片采用TSMC公司的0.6μm BCD信号工艺实现。仿真结果表明，芯片可实现脉冲宽度调制和脉冲跨周期调制及相互之间的平稳转换。用于锂电池充电器时，可实现恒压充电和恒流充电及两种模式之间的平稳过渡。用于电源适配器时，具有良好的输出电压调整率和负载调整率。芯片最高转换效率可达98％。
　　 论文第一章首先介绍了课题的研究背景、现状、发展趋势和意义，然后对论文的主要工作和整体结构进行了说明，最后对论文的创新点进行了总结。第二章详细叙述了论文的研究内容，着重分析了离线式开关电源的拓扑结构、控制模式、功耗来源和电磁干扰，并对现有技术进行了总结和比较。第三章介绍芯片的系统设计，描述了片外系统的工作原理、稳定性分析、芯片的工作模式以及斜坡补偿分析和设计。第四章给出了芯片各个模块的具体实现。第五章对芯片的相关性能进行了系统仿真和版图设计。第六章总结了论文的研究工作，并对该芯片的发展提出了进一步的展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1课题背景

1.2电源管理芯片的现状及发展趋势

1.2.1电源管理芯片的现状

1.2.2开关电源芯片的发展趋势

1.3课题意义

1.4课题的主要工作与论文结构

1.5课题的主要创新点

2 离线式开关电源的系统分析

2.1拓扑分析

2.1.1初级端口反馈

2.1.2次级端口反馈

2.2控制模式分析

2.2.1按导通时间的不同

2.2.2按检测信号的不同

2.3功耗分析

2.3.1功耗来源

2.3.2低功耗方法

2.4电磁干扰

2.4.1电磁干扰的产生

2.4.2电磁干扰的抑制

2.5频率补偿

2.5.1比例-微分(PD)控制器

2.5.2比例-积分(PI)控制器

2.5.3比例-积分-微分(PID)控制器

3 离线式开关电源的系统设计

3.1系统设计目标

3.2片外电路的设计

3.2.1片外系统的工作原理

3.2.2片外系统的稳定性分析

3.3控制模式的选择与状态转换

3.4总体模块图与工作原理

3.4.1系统工作原理

3.4.2工作模式的转换原理

3.5斜坡补偿的设计

3.5.1斜坡补偿的原理

3.5.2斜坡补偿的计算

4 离线式开关电源的系统实现

4.1 脉冲宽度调制环路

4.1.1 脉冲宽度调制环路的工作原理

4.1.2电流增益计算

4.1.3 PWM比较器的设计

4.2脉冲跨周期调制模式

4.3过压保护与欠压保护

4.3.1过压保护与欠压保护的原理

4.3.2欠压保护比较器的设计

4.3.3过压保护比较器的设计

4.4启动电路

4.5短路保护

4.6功率开关管驱动器

4.7基准电压源

4.7.1一阶温度补偿的基准电压源

4.7.2高阶温度补偿的基准电压源

4.8基准电流源

4.9时钟发生器

4.10斜坡电流产生电路

5 系统仿真与版图

5.1仿真平台与工艺介绍

5.2锂电池充电仿真

5.3状态转换仿真

5.4负载调整率仿真

5.5输入电压调整率仿真

5.6启动过程仿真

5.7短路保护仿真

5.8总仿真图

5.9电磁干扰仿真

5.10电能转换效率仿真

5.11版图设计

5.12芯片性能总结

6总结与展望

6.1本课题研究工作的总结

6.2未来工作的展望

参考文献

作者简介