【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 如圖 31 所示，非倒向端連接供電電源 VCC，倒向端的 的電壓是由基準(zhǔn)電壓源提供。輸出端 VOUT 與電壓調(diào)節(jié)器連接。 啟動(dòng)時(shí)的時(shí)序：比較器輸出電壓的有無(wú)，由 VDD 電壓的高低控制，只有VDD 大于 + 時(shí)比較器輸出高電位，基準(zhǔn)電壓 +5VR 才有輸出，芯片才能正常工作。一旦正常工作后， VDD 小于 時(shí)也能正常工作，我們稱(chēng) 為啟動(dòng)電壓。 關(guān)閉時(shí)的順序：隨著 VDD 電壓的下降，當(dāng) VDD 的電壓小于 時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)欠壓保護(hù)，這時(shí)比較器輸出低電位，沒(méi)有 +5VR 電壓輸出，這樣導(dǎo)致后面沒(méi)有脈沖輸 出，電源就不能正常工作。 123 V o u t V i n 1V i n 2 圖 31 欠壓鎖定置換比較器 基準(zhǔn)電壓源 帶隙基準(zhǔn)電壓源 基準(zhǔn)源電路廣泛的應(yīng)用于各種模擬集成電路，其精度和穩(wěn)定性直接決定整個(gè)系統(tǒng)的精度。內(nèi)部穩(wěn)壓源電路提供穩(wěn)定的偏置電壓或作為基準(zhǔn)電壓。一般要求這些電壓源的直流輸出電平較穩(wěn)定，而且這個(gè)直流電平應(yīng)該對(duì)電源電壓和溫度不敏四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 12 感。由于基準(zhǔn)源的精度與溫度有關(guān)，提高精度必須降低溫度系數(shù)。 帶隙基準(zhǔn)可以再 0— 70℃的溫度范圍內(nèi)有 10ppm/℃的溫度。圖 32 給出了帶隙基準(zhǔn)的原理。由室溫下溫度系數(shù)為 ℃的 pn節(jié)二極管 產(chǎn)生電壓 BEV 。同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)熱電壓 tV ，其與絕對(duì)溫度成正比，室溫下的溫度系數(shù)為+℃。如果電壓 tV 乘以常數(shù) K 加上電壓 BEV ，則輸出電壓為： tBEBEF KVVV ?? （ 31） 雙極性晶體管中的集電極電流密度的關(guān)系： )V/Ve x p ()WB/nqD(J tBEponC ? （ 32） 其中： CJ =集電極電流密度 pon =基區(qū)電子平衡濃度 nD =電子的平均擴(kuò)散常數(shù) 平衡濃度 ： A21po N/nn ? （ 33） 其中： )V/Ve x p (DTn tGO321 ?? （ 34） D 是與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)， GOV 時(shí)帶隙電（ ） 得到下面集電 極電流密度的方程式： )V/)VVe x p ((DT)WN/qD(J tGOBE3BAnC ?? )/)VVe x p ( (AT tGOBEr ?? （ 35） 在上式中，與溫度不相關(guān)的常數(shù)合并成單一的常數(shù) A。由于 Dn 依賴(lài)于溫度，溫度系數(shù) r 稍微偏離 3。 因此 BEV 的關(guān)系式為： 代信敏： PWM 芯片設(shè)計(jì)及在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用 13 )J/Jl n ()q/kT()T/Tl n ()q/r k T()T/T(VT/VV COC00B E O0BE ???? (36) BEV 與溫度的關(guān)系為： )q/k)((T/)VV(TT|dT/dV 0GOBE0BE ??????? (37) 300K 時(shí)， BEV 關(guān)于溫度的變化約為 ℃ 。 BEV 提供負(fù)溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。 BEV? 提供溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。 )J/Jl n ()q/kT(VVV 2C1C2BE1BEBE ???? (38) )J/Jl n ()T/V(D/Vd 2C1CttBE ?? (39) 為了在 T0 時(shí)達(dá)到零溫度系數(shù)， BEV 和 BEV? 的變量加起來(lái)必須為 0 V beKVt 發(fā)生器Vt123相加器V r e f = V b e + K V tTT 圖 32 帶隙基準(zhǔn)電路圖 普通可調(diào)直流基準(zhǔn)源 TL431 的介紹 TL43l 是 — 36V 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。它屬于一種具有電流輸出能力的可調(diào)基準(zhǔn)電壓源。其性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，可廣泛用于單片精密開(kāi)關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中。陰極工作電壓 VKA 的允許范圍是 2． 50～ 36V，極限值為37V。陰極工作電流 IKA=l～ 100mA TL431 主要包括 4 部分：①誤差放大器 A，其同相輸入端接取樣電壓 VREF，四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 14 反相輸入端則接內(nèi)部 2． 50V 基準(zhǔn)電壓 Vref，并且設(shè)計(jì)的 VREF=VRRef；②內(nèi)部2． 50V(準(zhǔn)確值為 2． 495V)基準(zhǔn)電壓源 Vref；③ NPN 型晶體管 VT，在電路中起調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用；④保護(hù)二極管 VD，能防止因 K— A 間電源極性接反而損壞芯片。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。 AVT VDAKV R E FV r e f 圖 33 TL431 內(nèi)部原理電路 TL431 的電路圖形符號(hào)和基本接線如圖 34 所示。 R3R2R1AKVO+_Vi 圖 34 TL431 的電路圖形符號(hào)和基本接線如圖 它相當(dāng)于一只可調(diào)齊納穩(wěn)壓管，輸出電壓由外部精密電阻 R1 和 R2 來(lái)設(shè)定，有公式： ???????? ??? 211 RRVVV R E FKAO （ 310） 圖中 R3 是 IKA 的限流電阻。選取 R3 阻值的原則是，當(dāng)輸入電壓 Vi 為最小值時(shí)必須保證 100mA≥ IKA≥ 1mA，以便使 TL431 能正常工作。 TL431 的穩(wěn)壓原理可分析如下：當(dāng)由于某種原因致使 Vo 升高時(shí)，取樣電壓vref 也隨之升高，使 VREFVref，比較器輸出高電平，令 VT 導(dǎo)通， Vo ↓。反之，代信敏： PWM 芯片設(shè)計(jì)及在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用 15 Vo 下降→ VREFVref→比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出變成低電平→ VT 截止→ Vo 上升。這樣循環(huán)下去，從動(dòng)態(tài)平衡的角度來(lái)看，就迫使 V。趨于穩(wěn)定，達(dá)到了穩(wěn)壓目的，并 VREF=Vref。 芯片 TL431 主要是在開(kāi)關(guān)電源 芯片中作的直流穩(wěn)壓基準(zhǔn)為內(nèi)部一些器件提供基準(zhǔn)電源。 在芯片電路中，內(nèi)部應(yīng)用的直流基準(zhǔn)電壓主要有 ,3V 和 。則TL431 的電阻比例計(jì)算并設(shè)置如下： 據(jù)公式 315 且在電路中 VREF= 可得 , ： R1/R2=62/25，在內(nèi)部電路圖中體現(xiàn)為 R1=62? ,R2=25? ： R1/R2=11/25，在內(nèi)部電路圖中體現(xiàn)為 R1=11? ,R2=25? 3V： R1/R2=1/5，在內(nèi)部電路圖中體現(xiàn)為 R1=10? ,R2=50? ：因?yàn)?TL431 能產(chǎn)生的最小基準(zhǔn)電壓為 ，因此在電路圖中先將R1 處短路，產(chǎn)生 的基準(zhǔn)電壓后，再進(jìn)行電阻分壓，此時(shí)的外接電阻為 R3和 R4，輸出電壓從 R3 處引出，則電阻設(shè)置為 R3=3? ,R4=7? 。 電壓調(diào)節(jié)器 電壓調(diào)節(jié)器是一種被廣泛使用的器件，其輸入是不穩(wěn)定的直流電壓，輸出可作為其他電路的供電電壓。依靠這種方式，電壓源的波動(dòng)可從本質(zhì)上被消除，其結(jié)果通常提高由此類(lèi)電源驅(qū)動(dòng)的電路的性能。 圖 35 是電壓調(diào)節(jié)器的原理圖。穩(wěn)定電壓 VR 由帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生。穩(wěn)定電壓加在高增益放大器的非倒相輸入端，并與由電阻 R1 和 R2 采樣的輸出電壓比較。這是一 個(gè)串聯(lián) — 并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)，對(duì)大環(huán)路增益，有 2R/)2R1R(*VRV r e f ?? (311) 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 16 改變 R1/R2 的比例可以改變輸出電壓。 圖 35 所示的放大器為高性能放大器。特別重要的性能是低漂移和低失調(diào)，它們能使輸出電壓 refV 盡可能的穩(wěn)定。串聯(lián) — 并聯(lián)反饋電路使電壓調(diào)節(jié)器有較高的輸入阻抗，減小了負(fù)載效應(yīng)。電壓調(diào)節(jié)器要求輸出阻抗較小。 123R2R1V D DVRV r e f 圖 35 電壓調(diào)節(jié)器 振蕩器 振蕩器原理 振蕩器部分需要產(chǎn)生一個(gè)設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)鐘信號(hào)。本設(shè)計(jì)選 定了外接 RC的振蕩器形式，電路如圖 36 所示。 RtSRQV r e f2 .5 V0 .7 5 V123123 圖 36 振蕩器時(shí)鐘信號(hào)電路 用一個(gè)電阻 Rt 通過(guò) Vref 給電容充電，用兩個(gè)比較器把電容上的電壓和兩個(gè)參考電壓相比較，參考電壓分別設(shè)為 和 。用一個(gè)電流源連在電容上代信敏： PWM 芯片設(shè)計(jì)及在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用 17 起放電開(kāi)關(guān)的作用。當(dāng)電容電壓超過(guò) 時(shí)，電容通過(guò)電流源放電。當(dāng)電容電壓低于 時(shí)， MOS 管關(guān)斷，電流源不起作用，電容繼續(xù)被 Vref 充電。 電流源放電電流很大，放電時(shí)間相對(duì)于一個(gè)時(shí)鐘周期是非常短的。這樣電容上的電壓就是一個(gè)有 峰 峰值的鋸齒波。 RS 觸發(fā)器的輸出就是時(shí) 鐘信號(hào)，時(shí)鐘周期約等于充電時(shí)間而電容電壓 RCt/ ??? 計(jì)算可得充電時(shí)間約為? 。 電容的放電時(shí)間必須足夠短，才能達(dá)到最大的占空比。該設(shè)計(jì)中最大占空比要達(dá)到 99%，因此放電時(shí)間必須低于一個(gè)時(shí)鐘周期的 1%。 振蕩器電路 RS 觸發(fā)器的電路圖如圖 37 所示，當(dāng) R 輸入電壓為 5V 時(shí)，輸出跳變到低電平；同理，當(dāng) S 輸入電壓為 5V時(shí)，輸出跳變到高電平。 N P N P2 兩個(gè)反相器組成的正反饋電路起到鎖定、穩(wěn)定信號(hào)的作用，帶有毛刺、不太穩(wěn) 定的經(jīng)我們?cè)谳敵龆诉€需添置一個(gè)反相器，從而保證輸入輸出邏輯的正確性。 P1 P2N1 N2G N DRSV r e fQ 圖 37 RS觸發(fā)器電路圖 比較器 1 的電路圖如圖 38 所示，其共模輸入電壓是 。因此采用 PMOS差分對(duì)的輸入級(jí)。因?yàn)檎袷幤鞣烹姇r(shí)下降速度比較快，所以比較器 1 的延時(shí)需要盡量小。輸出用推挽結(jié)構(gòu)。在輸出端，可吸入和供出的電流式偏置電流的 8 倍，增大了擺率。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 18 V ou tV r e fCT 0. 75 VV bi a s 圖 38 比較器 1電路圖 比較器 2 的電路圖如圖 39 所示，其共模輸入電壓是 3V，因此采用 NMOS差分對(duì)作輸入級(jí) V r e fCT3VV bi a sV ou t 2 圖 39 比較器 2電路圖 放電電流源的電路圖如圖 310 所示，使用 PTAR 電流源，經(jīng)過(guò)兩路放大，得到大電流放電。 mA8R/2lnV*10*15I tea r gd is c h ?? (312) V r e fCT 圖 310 放電電流源電路圖 代信敏： PWM 芯片設(shè)計(jì)及在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用 19 電壓誤差放大器 電壓誤差放大器的正向端是電壓調(diào)節(jié)器輸出的 電壓。這是一個(gè)經(jīng)典的運(yùn)算放大器。需要 90dB 的增益和 的增益帶寬積。 如圖 311 所示，電壓誤差放大器由運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和輸出極組成。運(yùn)算跨導(dǎo)放大器是無(wú)輸出緩沖極的運(yùn)算放大器。除輸入和輸出節(jié)點(diǎn)外，此放大器的其余所有節(jié)點(diǎn)都是低租節(jié)點(diǎn)。 Q1 和 Q2 是 對(duì)稱(chēng)的 NPN 管作為輸入差分對(duì)， M2 和 M1是對(duì)稱(chēng)的 PMOS 晶體管。 PMOS 晶體管 M M2 的小信號(hào)電流由下式給出： dFB1Q1dM2dM i2/V*giI ???? (313) M3 與 M1 對(duì)稱(chēng)， M2 與 M4 對(duì)稱(chēng)，所以： 1dM2dM3dM4M iiii ????? (314) 運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出電壓為： )r//r(i2V 6o4odout ? (315)