ACDC开关电源控制器研究与芯片设计

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

摘要

摘要

电源是每个用电设备的心脏，近几十年来，随着开关电源技术的成熟，体积小，效率高的开关电源产品应用越来越，“泛。在家用电器领域，最常见的电源是将市电转化为可供电器使用的低压直流电。９０年代后。大功率开关器件制各工艺趋于成熟，ＰＩ公司和意－法半导体都推出了一系列的开关电源控制芯片，将开关功率管集成在芯片内部，这样就可以构成满足各种需求的ＡＣ／ＤＣ开关电源系统，取得了很好的经济效益。国内由于大功率开关器件工艺不成熟，长期以来这部分市场被国外产品占据。

本文从ＡＣ／ＤＣ系统设计出发，比较了正激和反激两种变换器的优劣，从控制方式的角度选取了更稳定，更简单的峰值电流控制模式。给出了芯片的线路系统框｜璺Ｉ，分析设计了各个子电路。在线路设计时对启动电路的功耗进行了有效的控制，简化了恒流充放电振荡器电路．实现了内置的过压保护、欠压保护和过热保护，能够实时对电压和电流变化做出反应，在电流反馈环节增加了斜坡补偿。采用多芯片封装将开关电源控制芯片和大功率开关管封装在一起。开关管采用成本低廉的双极型功率管，通过驱动电路的设计提高功率管的耐压能力，这样成功的避开了技术弱项。根据线路设计了芯片版图，在２¨，ｍ１８Ｖ标准双极工艺平台上流片成功，组成了典型应用系统并测试成功。

芯片组成的反激式开关电源控制器可以在８５Ｖ至２６５Ｖ交流电输入下正常工作，输出稳定的５ＶＩＡ的直流电，典型工作频率是６６ｋＨｚ，开关管的耐压达到了７００Ｖ。

性能方面可以替代ＶＩＰＥＲｌ２，ＶＩＰＥＲ２２．ＦＳＤ２００，广泛适用丁需经济型开关电源的设备，如ＤＶＤ，机项盒，传真机，打印机，ＬＣＤ显示器等以及绿色节能型家电内部电源和需要经济型开关电源的设备。关键字：ＡＣ／ＤＣ开关电源，双极型，峰值电流控制模式，射极开关

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓｔｈｅｈｅａｒｔｏｆｅｖｅｒｙｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ＳＭＰＳｈａｓｂｅｅｎｗｉｌｄｌｙｕｓｅｄｄｕｅｔｏｓｍａｌｌｓｉｚｅａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｔｈｔｈｅｍａｔｕｒａｔｉｏｎｏｆＳＭＰＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｌａｓｔｄｅｃａｄｅｓ．ＴｈｅｍｏｓｔｇｅｎｅｒａｌｌｙｕｓｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓｔｕｒｎｉｎｇｔｈｅＡＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｉｅｄｂｙｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｎｅｔｓｔｏｔｈｅｌｏｗＤＣｖｏｌｔａｇｅｓｕｐｐｌｙ．Ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈｉｎｇｄｅｖｉｃｅｈａｄｂｅｅｎｇｒｏｗｔｈｕｐｖｅｒｙｆａｓｔｓｉｎｃｅ９０ｓ．Ｐ１ａｎｄＳＧｄｅｓｉｇｎｅｄｓｅｒｉｅｓｏｆＳＭＰＳｃｏｎｔｒｏｌＩＣｗｈｉｃｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｈｅｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｖｉｃｅｉｎｔｈｅｃｈｉｐｓ．ＴｈｅｓｅｃｈｉｐｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｏｆＳＭＰＳｓｙｓｔｅｍｓａｎｄｍａｄｅｌａｒｇｅｅｃｏｎｏｍｉｃ

ｐｒｏｃｅｓｓｂｅｎｅｆｉｔ．ＴｈｅｍａｒｋｅｔｉｎＯＢｒｎａｔｉｏｎｉｓｆｉｌｌｅｄｂｙｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｓｏｖｅｒｓｅａｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｈｉ。ｇｈｐｏｗｅｒｄｅｖｉｃｅｃａｎ’ｔ

ｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄ．

ＴｈｉｓｐａｐｅｒｓｔａｒｔｅｄｗｉｔｈＡＣ／ＤＣＳＮＩＰＳｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｆｏｒｗａｒｄａｎｄｆｌｙｂａｃｋｔｏｐｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｍｏｒｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｍｏｒｅｓｉｍｐｌｅｐｅａｋｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｈａｓｂｅｅｎｃｈｏｓｅｎ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｉｃａｎｄｔｈｅｓｕｂｃｉｒｃｕｉｔｓａｌｓｏｂｅｅｎｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ

ａｎｄｐｏｗｅｒｏｆｓｔａｒｔ－ｕｐｃｉｒｃｕｉｔｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ＯＳＣｃｉｒｃｕｉｔｈａｓｂｅｅｎｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ，ｔｈｅｃｈｉｐｃｏｎｔａｉｎｓｃｕｒｒｅｎｔｏＶ，ＵＶＬＯ，ＯＨｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｓｌｏｐｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｐｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｉｍｅ．ＳＭＰＳｈｉｇｈｐｏｗｅｒｃｈｅａｐｂｉｐｏｌａｒｄｅｖｉｃｅｗｈｉｃｈｂｒｅａｋｄｏｗｎｖｏｌｔａｇｅｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇ

ｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｐａｃｋａｇｅｄｔｏｇｅｔｈｅｒ．Ｔｈｅｎｔｈｅｌａｙｏｕｔｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｃｈｉｐｈａｓ

ｐｒｏｃｅｓｓｂｅｅｎｔａｐｅｄｏｕｔｉｎ２Ｉ＿ｔｍｌ８ＶｂｉｐｏｌａｒａｎｄｔｅｓｔｅｄｔｈｅＳＭＰＳｓｙｓｔｅｍｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．

Ｔｈｅｆｌｙｂａｃｋ

Ｔｈｉｓ

ＩＣＤ．ＳＭＰＳｓｙｓｔｅｍｃａｎｏｕｔｐｕｔｓｔａｂｌｅ５Ｖ１ＡＤＣｔｈｅｐｏｗｅｒｗｈｅｎｔｈｅｉｎｐｕｔＡＣｖｏｌｔａｇｅｖａｒｙｉｎ８５Ｖ－２６５Ｖ．Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇ丹ｅｑｕｅｎｃｙｉｓ６６ｋＨｚａｎｄｂｒｅａｋｄｏｗｎｖｏｌｔａｇｅｏｆｂｉｐｏｌａｒｈｉ曲ｐｏｗｅｒｄｅｖｉｃｅｉｓ７００Ｖ．ｃｈｉｐｔｈａｔｉｎｓｔｅａｄｏｆＶＩＰＥＲｌ２，ＶＩＰＥＲ２２ ＦＳＤ２００ｃａｌｌｂｅｗｉｌｄｌｙｕｓｅｄｉｎＤＶＤ，ｔｏｐｕｐ，ｆａｘ，ｐｒｉｎｔｅｒａｎｄ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＣ／ＤＣＳＭＰＳ，ｂｉｐｏｌａｒ，ｐｅａｋｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅ，ｅｍｉｔｔｅｒｓｗｉｔｃｈＩＩＩ

东南大学学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名：蓥至垫日整至垫日期：毛！！墨：￡：！。

东南大学学位论文使用授权声明

东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。

研究生签名：燧：！坠—ｆ．．

导师签名：日期：Ｆ哆

第一章绪论

第一章绪论

１．１概述

最早的集成电路是以双极型结型晶体管（８ＪＴ）Ｉｉｌ结构步入市场的，随着集成工艺和技术的发展，具有更高封装密度和更低功率损耗的后起之秀—ＭＯｓ集成电路‘２Ｉ却占据了大规模和超大规模集成电路产品的主要市场，尽管如此，双极型集成电路仍以其较高的增益和较快的速度在不少方面占有优势，特别是在中小规模数字电路产品中占有主导地位。与ＭＯＳ场效应晶体管相比，双极型晶体管有较大的跨导，也就是说，其输入电压的微小变化就可以引起输出电流的较大变化。另外，双极型产品的噪声低，特别有利于设计模拟信号处理电路。因此在工作速度要求很高的场合大都采用双极型集成电路。同时，烈极型集成电路技术本身也在不断地改进和完善，例如采用了“合并晶体管”结构，集成注入逻辑结构嘲和集成肖特基逻辑结构等，大大提高ＴＸ２极型产品的集成度，在统筹考虑集成电路产品的密度性能比和功耗性能比的综合选择时，双极型集成产品仍有其独特的优势，这也是导致混合工艺芯片产生的原因。目前，兼容双极型电路的芯片制作技术ＢｉＣＭＯＳ和ＢＣＤ工艺迅速发展并有着广泛应用的良好前景。

电源是每个用电设备的心脏１４１。单片开关电源集成电路ＤＩ具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。它于９０年代中、后期相继问世后，便显示出强大的生命力，目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。由它构成的开关电源，在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及，创造了良好条件。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。

近２０多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展【６ｌ。第一个方向是对开关电源的核心单元一控制电路实现集成化。１９７７年国外首先研制成脉宽调制（ＰＷＭ）控制器集成电路，美国摩托罗拉（Ｍｏｔｏｒｏｌａ）公司、硅通用公司（ＳｉｌｉｃｏｎＧｅｎｅｒａｌ）、尤尼特德公司（Ｕｎｉｔｒｏｄｅ）等相继推出一批ＰＷｌＶＩ芯片，典型产品有ＭＣ３５２０、ＳＧ３５２４、ＵＣ３８４２。９０年代以来，国外又研制出开关频率达ｌｍＨｚ的高速ＰＷＭ、ＰＦＭ（脉冲频率调制）芯片，典型产品如ＵＣｌ８２４、ＵＣｌ８６４。第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化一这大致分两个阶段：８０年代初意一法半导体有限公司（ＳＧＳ—Ｔｈｏｍｓｏｎ）率先推出Ｌ４９６０系列单片开关式稳压器。该公司于９０年代义推ＴＬ４９７０Ａ系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低压输出（５．１－－４０Ｖ）、大中功率（４００Ｗ以下）、大电流（１．５—１０Ａ）、高效率（可超过９０％）的开关电源。但从本质上讲，它仍属ＤＣ，ｃＣ电源变换器

１９９４年，美国动力（Ｐｏｗｅｒ）公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源 被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为ＴｏＰｓｗ№ｈ系列，第二代产品！Ｉ！『』是１９９７年问世的ＴＯＰｓｗｉｔｃｈ－ＩＩｌ

系列。黼１９９８年又推出了高效、小功率、低价格的四端单片开关电源Ｔｉｎｙｓｗｊｔｃｈ系列。在这之后，东南大学ＩＴ程硕上学位论文

Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司于１９９９年又推出ＭＣ３３３７０系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器（Ｈｉｇｈ

ＰｏｗｅｒＳｗｉｔｃｈｉｎｇＲｅｇｕｌａｔｏｒ） Ｖｏｌｔａｇｅ

在２００２．２００４年期间。ＰＩ公司最新推出７＂ＬｉｎｋＳｗｉｔｃｈ系列高效率恒压，恒流式三端微型节能单片开关电源、ＬｉｎｋＳｗｉｔｃｈ－ＴＮ系列四端隔离式、微型节能单片开关电源和ＤＰＡ．Ｓｗｉｔｃｈ系列高效率ＤＣ／ＤＣ电源变换器。

此外，意．法半导体有限公司也相继开发出ＶＩＰｅｒｌ２Ａ、ＶＩＰｅｒ２２Ａ、ＶｌＰｅｒ５０Ａ、ＶＩＰｅｒ５０Ｂ、ＶＩＰｅｒ５３、ＶＩＰｅｒｌ００、ＶＩＰｅｒｌ００Ａ和Ｖ１Ｐｅｒｌ００Ｂ等中、小功率单片开关电源系列产品。

荷兰飞利浦公司于２０００年研制成功ＴＥＡｌ５１０、ＴＥＡｌ５２０系列单片开关电源，它属于反激式开关电源。其中ＴＥＡｌ５２４的晟大输出功率为５０Ｗ。该公司还开发出ＴＥＡｌ５０ｌ、ＴＥＡｌ５０４、ＴＥＡｌ５６２、ＴＥＡｌ５６３、ＴＥＡｌ５６４、ＴＥＡｌ５６５、ＴＥＡｌ５６６、ＴＥＡｌ５６９等型号的单片开关电源，最大输出功率可达１２５Ｗ。

美国安森美半导体公司在１９９８．２００１年期间，也相继开发，ｑ４ＮＣＰｌ０００、ＮＣＰｌ０５０系列单片开关电源。其最大输出功率为４０Ｗ。此外该公司还研制出ＮＣＰｌ２００型单片开关电源以，及ＮＣＰｌ６５０型功率因数补偿器专用集成电路。

我国的开关电源研制工作开始于上世纪６０年代初期，到６０年代中期进入了实用阶段，７０年代初期开始研制无工频降压型开关电源。１９７４年研制成功了工作频率为１０ｋＨｚ，输出电压为５Ｖ的无工频降压型开关电源。近２０多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校己研制出多种型号的工作频率在２０ｋＨｚ左右，输出功率在１０００Ｗ以下的无工频降压型开关电源．并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为１００．２００ｋＨｚ的高频开关电源于上世纪８０年代初期己开始研制，９０年代初就己研制成功，并逐渐走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在开关电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果。但是，目前我国的开关电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距【７１。

１＿２开关电源集成电路发展趋势

当前开关电源的发展趋势仍然是工作频率高频化【８】，高频化的主要目标是为了进一步减轻开关电源的重量，缩小体积以及改善开关电源的某些性能，如可靠性．瞬态响应等。高频化的基础来自开关电源的两个方面的发展，一个是开关电源用的高频开关功率晶体管，功率场效应管；另一个就是开关电源专用集成电路一开关集成稳压器和控制器。开关集成稳压器、控制器的功能决定了开关电源整机使用元器件的多少，电路设计的复杂程度．调试维修的难易程度。总之．开关集成稳压器、控制器的功能直接影响着开关电源的可靠性及其性能。

开关电源集成电路的发展状况与发展方向主要有以下几点：

１．电流控制型ＰＷＭ集成电路成为主流【９ｌ

早期的开关电源专用集成电路多数为电压控制型ＰＷＭ集成电路，它的主要缺点是瞬态响应不好。电２

第一章绪论

流控制型ＰＷＭ集成电路的性能和功能均优于电压控制型ＰＷＭ集成电路，国外新生产的开关集成稳压器和控制器中，电流控制型的品种和数量最多，有完全取代电压控制型的趋势。

２．开关电源专用集成电路的新家族——谐振型控制集成电路

在更高的频率（大于５００ｋＨｚ）Ｔ变换功率的更有效的办法是采用谐振式变换器，使用零电压开关（ＺＶＳ）和零电流开关（ｚｃｓ）技术。现在集成电路制造厂家己经生产出谐振型控制集成电路，开关电路的工作频率己达ｌｍＨｚ，使开关电源缩小体积的努力取得了重要进展。

３．单片集成电路向大功率发展

早刺的开关电源专用集成电路输出驱动电流都很小，而现在的开关集成稳压器ＩＡ９７０的最大输出电流为１０Ａ，Ｌ２９６的最大输出电流为５Ａ；ＰＷＭ控制器ＵＣｌ８５６的输出峰值电流达１．５Ａ，驱动功率越来越大，在使用时可不用外接功率开关管。

４．集成电路所需外部元什数目越来越少

最新的开关集成稳压器，控制器需要外部元件极少，使用起来十分方便。如以其高效取代了普通三端线性电压稳压器的ＬＭ２５７４系列开关降压式稳压器，只需要４个外部元器件。ＭＡＸｌ７４３ＤＣ．ＤＣ变换器能把＋５Ｖ转换至士１２Ｖ或士１５Ｖ，而不需要外部元件。脉宽调制控制器在使用时，需要的外部元件数目也减少了很多。

５．工作频率己超过ｌｍＨｚ

开关电源需要越来越高的开关频率，针对这个问题，新型ＰＷＭ控制器己经研制出来。它们的频率在目前是比较高的，可达ＩｍＨｚ以上，既适用于电压型也适用于电流型应用。如ＵＣ３８２５，采用该控制器制成的开关电源整机频率达１ｍＨｚ，功率５０Ｗ，证明了它的高频特性。

专用集成控制器件的市场相当巨大，其中最重要的是电源专用集成控制器件。随着功率电子技术的高速发展，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。目前的电源已经从线性电源逐步过渡到开关电源。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增艮的速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术也在不断的创新，这一成本反转点日益向低输出电力端转移，这为开关电源提供了广阔的发展空间。上世纪９０年代以来，开关电源相继进入了通讯、计算机、汽车等诸多领域，使得开关电源市场的发展非常迅速，其对专用集成控制器件的需求也越来越大。这对于开关电源集成电路的研究与开发具有重要意义‘…。

１．３本文结构及内容

本文结合双极工艺与开关集成电源的特点，主要研究了ＡＣ／ＤＣ开关电源控制器的设计与实现 第一章介绍了开关电源集成电路的发展与趋势：第二章介绍了芯片的整体设计；第三章对芯片的组成框架进行３

东南大学＿Ｔ程硕Ｊ：学位论文

了划分，分析了各个单元子电路的线路设计，并对整体工作波形分段分析；第四章在简述了双极型集成电路版图设计的基础上，完成了芯片的版图设计；第五章的内容是芯片的封装与测试。最后一章迸行了总结与展望。

论文的主要工作如下：

介绍了开关电源控制器设计中常用的拓扑结构，控制方式。

在理论分析的基础上完成了一款ＡＣ／ＤＣ开关电源控制芯片，确定芯片的工作特点，工作原理以及具体工艺的选择。

对芯片的框架进行划分。设计了每个单元电路的具体线路。

完成了芯片版图设计，封装与测试。

最后对论文总结和展望。４

第二章ＡＣ／ＤＣ开光电源控制芯片整体设计

第二章ＡＣ／ＤＣ开关电源控制芯片整体设计

２．１芯片整体特点

本文设计芯片是一种高性能电流模式ＰＷＭ控制器，专为高性价比ＡＣ／ＤＣ转换器设计。优化的高合理性的电路设计结合高性能价格比的双极型制作工艺，最大程度上节约了产品的整体成本。该电源控制器可工作于典型的反激电路拓扑中，构成简洁的ＡＣ／ＤＣ转换器。ＩＣ内部的启动电路被设计成一种独特的电流吸入方式，可利用功率开关管本身的放大作用完成启动，这显著地降低了启动电阻的功率消耗；而在输出功率较小时Ｉｃ将自动降低工作频率，从而实现了极低的待机功耗。在功率管截止时，内部电路将功率管反向偏置，直接利用了烈极型晶体管的ＣＢ高耐压特性。大幅提高功率管的耐电压能力直到７００Ｖ的高压，这保证了功率管的安全㈨。１Ｃ内部提供了完善的防过载防饱和功能．可实时防范过载，变压器饱和，输出短路等异常情况，提高了电源的可靠性。ＩＣ内部还集成了一个２．５Ｖ的电压基准，为时钟电路提供精确的供电电压，而时钟频率则可由外部定时电容进行设定。该Ｉｃ可以采用ＤＩＰ８的标准封装和满足欧洲标

‘

准的环保无铅封装。

其管脚图如图２．１所示：

ＯｌＰＢ

图２．１芯片管脚图

芯片的特点如下：

内置７００Ｖ的高压功率管，极少的外围器件；

电流模式工作，高稳定性的逐周期电流限制；

独立的上限电流触发器，确保安全工作，防过载；

低输出的时候的主动降频功能．无输出功耗可小于Ｏ．２５Ｗ；

内置热保护电路；

内置斜坡补偿与反馈补偿功能：

斜坡电流驱动方式，降低低输出时的功耗

放大方式启动，启动功耗可以减小１０倍以上；

电阻方式启动，简单可靠：

宽压输出功率可达５Ｗ。

性能方面可以替代ＶＩＰｅｒｌ２Ａ，ＶＩＰｅｒ２２Ａ，ＦＳＤ２００；广泛适用于需经济型开关电源的设备，如ＤＶＤ机顶盒，传真机，打印机，ＬＣＤ显示器等以及绿色节能型家电内部电源和需要经济型开关电源的设备。５

东南大学工程硕Ｊ‘学位论文

２．２外围拓扑选择

开关电源常用的基本拓扑约有１４种。每种拓扑都有其自身的特点和适用场合‘”１。在Ａｃ仍ｃ的应用环境中，安全性的要求居于首位，因此采用高频变压器来隔离高压和低压电气环境，从而使输出端免受来自交流市电的危险．同时采用线性光耦合器在高压和低压电气环境之间提供一个信息采样的安全接ＩＺＩ，构成光耦反馈电路。

一正激变换器㈣

正激变换器和反激变换器是现在应用最为广泛的两种隔离式开关电源拓扑结构，这两种拓扑结构适用于输山功率为几瓦到几十瓦的小功率开关电源。

图２．２给出了正激变换器示意图，当Ｑ１导通时，初级绕组及次级绕组的同名端相对异名端为正。电流和能量流入初级绕组的同名端，整流二极管Ｄｏｌ正向偏置，电流和能量从次级绕组的同名端流出到ＬＣ滤波器。

Ｑ．关断后。次级绕组的同名端相对与异名端变负。输出电感中的电流下降。由于电感电流不能突变，所以电感的极性反向以尽量保持电流不变。电感前端电压将变得很负，但被续流二极管Ｄ０２钳位于比参考电压低一个二极管正向压降，同时整流二极管Ｄｏｌ被反向偏置。电感电流此时继续沿同一方向流动．从其输出端流出，经过负载和续流二极管返回到电感输入端。

ＶＩＮ

图２．２正激变换器示意图

由图２．３所示的电流波形图看出．主极电流与次级电流同向。正激变换器在开关管导通的时候输出功率，因此也被称为通．通方式。

图２．３正激变换器电流示意图６

第二章ＡＣ／ＤＣ开光电源控制芯片整体设计

正激变换器的输出电压由变压器的匝数比与开关管的通一断时间之比决定。若输入电压为ｖｌＮ，变压器的初级绕组匝数为Ｎｐ，次级绕组匝数比为Ｎｓ，开关管的通，断时间分别为ＴＯＮ

续的情况下，则输出电压Ｖｏ为：Ｔｃ＊，在扼流圈电流连％。可Ｎｓ×焘‰眩。

二反激变换器【１４】

与正激变换器相对的是反激变换器，示意图如图２１４。

图２．４反激变换器示意图

在反激变换器中，开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供：开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。因此反激变换器也被称为通．断方式。

反激变换器的主要优点是不需要输出滤波电感（滤波电感在所有的正激变换器中都是必需的）。在多输出电源中，这一点对减小变换器的体积，降低成本尤为重要。．

这种拓扑在输出功率为５－１５０Ｗ的电源中应用非常广泛。主要应用于高电压，小功率场合（电压不大于５０００Ｖ，功率不超过１５Ｗ）。当直流输入电压较高（不小于１６０Ｖ），初级电流适当时，该拓扑也可以用在输出功率达到１５０Ｗ的电路中。由于输出端可以不接滤波电感，该拓扑在电压不是很高的场合下很有优势，而正激变换器必需用滤波电感承受高压带来了很多问题。此外，反激变换器不需要高压续流二极管，使它在高压场合下应用更为有利。

输出功率为５０．１５０Ｗ且有多组输出的变换器也常常采用这种拓扑，由于不需要输出电感，输入电压和负载变化时反激变换器的的各输出端都能很好的跟随调整。只要变压器匝数比取得合适，直流输入从低至５ｖ到常用的有１１５Ｖ交流整流得到的１６０Ｖ的场合，都可以采用反激变换器。若匝数比合适，该拓扑也可７

查堕茎兰三矍堡主兰垡堡茎

以用丁二有２２０Ｖ交流整流得到的３２０Ｖ的场合，从而无需采用倍压整流方案。

图２．４所示电路的工作原理如下：

在Ｑ１导通时，副边电压为负，输出整流管Ｄ１，Ｄ２反偏，Ｃｌ，Ｃ２单独向负载供电。此时，Ｎｐ的电流线形上升，斜率为：

粤：堡出上。（２．２）

在导通结束之前，电流上升到：

铲警

变压器储存的能量Ｅ为：：汜，，

￡：丛生

２（２．４）

Ｑ，关断时，由于电感电流不能突变，副边电流从峰值：

‘＝等

线形下降，斜率为：旺ｓ，

堕：Ｖｏ＿ｖｍ

ｄｌＬ。（２．６）

若次级电流Ｉｓ在Ｑｌ再次导通之前下降至零，存在死区时间Ｔｄｔ，即电感电流不连续，那么变压器储存的能量在Ｑ，再次导通之前已经全部传送到负载端，变压器工作于不连续模式（完全能量传递）。若次级电流Ｉｓ在Ｑｌ再次导通之前没有下降至零，不存在死区时间Ｔｄｔ，即电感电流连续，那么变压器储存的能量在Ｑ一再次导通之前没有完全释放．变压器工作于连续模式（不完全能量传递）。在输ｈｃａ压，在一个较大范围变化，或者负载电流在较大范围变化，必然跨越这两种方式，因此反激变换器要求能在完全和不完全能量转换方式下都能稳定的工作。由于高频变压器在反激变换器中既是变压隔离器，又是电感储能器，所以反激变换器又称为电感储能型变换器。

当反激变换器工作于不连续模式时，输出电压Ｖｏ不是由变压器的匝数比决定的，而是由开关管的通一断时间之比，初级绕组电感ｋ以及负载电阻耽决定。变压器的匝数比与加在开关管上的电压有关，若匝数比增大，则加在开关管上电压增大．电路的输出电压Ｖｏ为：驴压×焘‰

８眨”三正激变换器模式与反激变换器模式的比较上面介绍了两种拓扑结构的主要特点，表２．１列出了这两种拓扑结构的比较；表２．１正激变换器和反激变换器的比较㈣

第二章ＡＣ，ＤＣ开光电源＝｜辛制芯片整体设计

比较项目

集电极电流的峰值

最大输出功率

开关损耗

元器什数目

电容中的纹波电流

变压器匝数比

短路保护

变压器

并联上作

用途正激变换器反激变换器约为正激方式的２倍约为正激方式的一半通断损耗儿乎相等需要续流二极管和扼流圈小约为反激变换器的２倍无问题断续方式时导通损耗小元器件少，不需要续流二极管和扼流圈大完全短路时会出问题较大，多带气隙自动均衡用于小功率和高压电源比反激变换器小，不带气隙需要均衡电路元器件多但ｆＨ途广

在正激和反激变换器的设计中，对变压器的设计方法也是不同的。开关管的通一断时间之比为１：ｌ时，对于正激变换器，变压器的初级绕组和次级绕组的匝数比约为输入电压和输出电压的２倍；对于反激变换器，变压器的初级绕组与次级绕组的匝数比等于输入电压与输出电压之比。因此，反激变换器的匝数比约为正激变换器的一半。

另外，正激变换器的初级绕组的电感与输出电压和功率无关，变压器与开关元件等分布电容的影响可以忽略时，电感量越犬，变压器的励磁电流越小．这种状况越好。因此，普通使用方式是变压器磁芯不带气隙。

反激变换器的功率Ｐ关系如式２．８所示：

Ｐ；ｊ掣芷弋２０‰＋ｋＪ

材料的磁芯，采用这些方法将电感量调节到期望值。（２．８）可以看出，反激变换器最大输出功率与电感量密切相关。对变压器磁芯设定气隙或选用低导磁率磁性

正激变换器和反激变换器有各自的优势，根据用途不同灵活选用。反激变换器不用扼流圈，但缺点是开关管与滤波电容中的纹波较大。

反激变换器因为简洁的电路结构，输出无需储能电感，体积较小等优点而被广泛应用在１００Ｗ以下的许多场合。其输出无需续流二极管的特点，使它在高压输出的场合应用也很便利。

本文中设计的芯片主要用于经济型的开关设备，输出功率为５Ｗ，因此，选用反激变换器具有成本优势。

２．３控制方式的选择

２．３．１电压控制模式和电流控制模式

一电压控制模式９

东南大学工程硕上学位论文

传统的开关电源大都采用电压型控制，即只对输出电压采样，并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压。在其控制过程中，电感电流未参与控制，是独立变量，开关变换器为二阶系统，有两个状态变量，’即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条件的稳定系统，只有对误差放大器补偿网络进行精心设计和计算．才能保证系统稳定工作。其典型电路如图２．５所示。

Ｒ

Ｒ日

图２．５电压控制模式示意图

电压模式控制的基本工作原理分析如下：输出电压经电阻Ｒｌ、ＲＢ分压后得到反馈电压，反馈电压与基准电压之差通过误差放大器放大后产生误差控制信号作为ＰＷＭ比较器的一个输入，ＰＷＭ比较器的另一个输入为内部振荡器产生的锯齿波信号，二者通过比较产生脉宽调制信号即ＰＷＭ信号来控制功率开关管的道通和关断时间，当锯齿波信号电平值高于误著控制信号时．ＰＷＭ信号为低电平，使得功率开关管关闭或者导通，反之为高电平，功率开关管导通或关闭。

电压模式控制ＰＷＭ的优点：

振荡电路输出的三角波，其幅度较大，在做脉冲宽度调整时具有较好的抗噪声能力；

驱动信号的占空比的调节不受限制：

只有一个电压反馈的闭环，设计简单，调试方便；

采样信号一般取自于输出端，对输出电压和负载的变化均有良好的响应特性；

在多路输出的电源中，若每路输出都独自采用各自的ＰＷＭ，这样，各路输出之间的相互影响非常小；电压模式控制ＰＷＭ的缺点是对输入电压的变化的动态响麻慢。

主要的原因是；

当输入电压发生变化时，由于主电路有较大的滤波电容和电感线圈．它们产生相移延时作用，输出电压的变化也相应延时。

输出电压的变化要经过电压误差放大器等控制电路的延时滞后才能传输到驱动电路，输出相应的ＰＷＭ信号。

二电流控制模式¨哪

与电压控制模式相对的是电流控制模式。如图２．６所示：１０

第二章ＡＣ，ＤＣ开光电源控制芯片整体设计

Ｖ

图２．６电流控制模式示意图

电流控制模式正是针对电压控制模式的缺点而发展起来的。从上图可以看到，它除保留了电压控制型的输出电压反馈环节外，增加了一个电流反馈环节。所谓电流控制模式．就是在ＰＷＭ比较器的输入端对电流采样信号与误著放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使得输出的峰值电流跟随误差电压变化。

控制原理如下：采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动开关器件导通，电源回路中的电流脉冲逐渐增大，当电流在采样电阻Ｒｓ上的电压幅度达到误差放大器输出电压Ｕｅ时，ＰＷＭ比较器发生翻转，锁存器复位，驱动信号撤除，开关器件截止，这样逐个检测和调节电流脉冲，就可毗达到控制电源输出的目的。’

电流控制模式的优点：

线形调整率（电压调整率）非常好，可与优良的线形稳压器相比；

明显地改善了负载调整率：

简化了过流保护电路（电流限制电路）。由于风上感应出峰值电感电流，所以自然形成脉冲限流电路。这种峰值电感电流感应检测技术可以灵敏精确地限制最大输出电流；

误差放大器的外部补偿电路得到简化．改善了频响特性，具有更人的增益带宽积：

ＰＷＭ比较器迫使整流输出电压跟随恒流脉冲而非电压脉冲变化。所以在ＬＣ滤波器的输入端，其平均波形是恒流的而非恒压的正弦波。由于是恒流的正弦波，滤波电感将不产生相移。

电流控制模式存在两个反馈环。一个由接收输出采样信号的误差放大器构成的电压外环和一个由接收初级峰值电流采样信号的ＰＷＭ比较器构成的电流内环。电流采样电阻Ｒｓ将开关管阶梯斜坡电流转换成阶梯斜坡电压。

输入电压变化和负载变化的调整是通过改变晶体管导通时间来实现的。导通时间由误差放大器的输出电压Ｕ。和电流采样信号通过ＰＷＭ比较器比较确定。．

电压模式控制和电流模式控制的比较：

当输入电压、负载发生变化时，动态响应不一样。在电压升高时．则开关电流增大，对电流模式，只１１

东南大学工程硕上学位论文

要电流脉冲～达到设定的幅值，脉宽比较器动作，开关管关闭，保证了输出电压的稳定。对电压模式，电流的变化没有直接的反映，一直要到输出电压发生变化后才去调整脉宽，由于滤波电路的滞后效应，这种变化要在多个周期后才能稳定，动态响应慢，且输出电压的稳定性也受到一定的影响。

电流模式还可以很容易地实现逐个脉冲控制和多电源的并联运行．并具有抑制高频变压器偏磁的能力，但是由于控制电路是基于电感电流取得的信号。因此功率部分的振荡容易将噪声引入控制电路。

本文设计采用电流控制模式，具有高稳定性的逐周期电流限制，并且内置独立的上限电流触发器，确保安全工作，防过载。

２．３．２平均电流模式和峰值电流模式

电流控制模式可以分为平均电流模式和峰值电流模式【１７】。

一平均电流模式

图２．７是平均电流控制的Ｂｕｃｋ双环开关调节系统。在平均电流控制中，通常选取流过电感的电流作为反馈信号。由于电感电流中含有较大的直流分量，所以一般不使用电流互感器．通常采用直接串联电阻或霍尔电流传感器。用直接串联电阻进行电流采样具有如下特点：简单、可靠、不失真且响应速度快，但是损耗大、不隔离，所以只适用于小电流并无需隔离的电路。在大电流和需要隔离的场合，应采用霍尔电流传感器。但是常用霍尔电流传感器的响应速度较慢，适用于开关频率在１００ｋＨｚ以下的工作场台。

电流检测放大器

Ｖ，ｅｆ

图２．７平均电流控制模式

在图２．７中，采样电阻Ｒｓ两端的电压直接反映了电感电流的大小。当电流控制环的开环传递函数的１２