【正文】 代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 35 參考文獻 [1]朱正涌 .半導體集成電路 [M].北京：清華大學出版社， 2021 [2]李成章 .電源 [M].北京：電子工業(yè)出版社 .2021 [3]葉慧貞，楊興洲 .開關(guān)穩(wěn)壓電源 [M].北京：國防工業(yè)出版社， 2021 [4]慕丕勛，馮桂林 .開關(guān)穩(wěn)壓電源原理與實用技術(shù)：科技出版社， 2021 [5]李愛文 .現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應用 [M].北京：科學出版社， 2021 [6]陳星弼 .功率 MOSFET與高壓集成電路 [M].南京：東南大學出版社， 2021 [7]李偉華 .VLSI設計基礎 [M].西安：電子工 業(yè)出版社， 2021 [8]王志功，沈永朝 .集成電路設計基礎 [M]，北京：電子工業(yè)出版社， 2021 [9]李靖 .中國開關(guān)電源市場的分析 [J].電工技術(shù)雜志， 2021 [10]俞阿龍 .電流控制 PWM開關(guān)電源 [M].電聲技術(shù)， 2021 [11]江金光，王耀南 .高精度帶隙基準電壓源的實現(xiàn) [N].半導體學報 .2021 [12]吳建輝 .CMOS模擬集成電路設計與分析 [M].北京：科學出版社， 2021 [13][M].IEEEtransactionsoncircuitandsystems,2021 [14][M].I,May1992 [15][J].： Wiley [16][M].北京：電子工業(yè)出版社，2021 [17][M]. 西安 ：西安 交通大 學出版社 .2021 。他們孜孜不倦的工作作風和無私奉獻的精神使我受益匪淺，畢生受用。馮老師務實、認真和對學生從學習、生活等負責的工作態(tài)度及為人師表，給我留下了深刻的印象，也同時鞭撻我，能夠不斷地向馮老師學習和請教。 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 34 致 謝 本文是在馮雪老師諄諄教導和鼓勵下完成的。由于便攜設備的增多，要求效率更高、集成度更高的電源控制芯片加以配合。 本文第四章內(nèi)容介紹了芯片的外圍電路應用，著重講到了芯片在開關(guān)電源保護電路中的應用和芯片電路在單端反激式開關(guān)電源中的應用。首先介紹了 PWM 工作方式的基本原理，然后分析電路結(jié)構(gòu)，將整體電路劃分為子功能塊，給出功能框圖。并對芯片在開關(guān)電源中的應用電路做了詳細的分析，文中所做的工作包括在了解開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀基礎上，對電路原理進行分析、提出了系統(tǒng)與電路的設計方案。 芯片 是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅(qū)動晶體管和 MOSFET，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點，在 100W 以下的開關(guān)電源中有很好的應用前景?；诘蛪骸⒐牡?、大電流的特點，有利于提高電源的效率，其反向恢復時間短，有利于減少高頻噪聲 ， 在大功率的整流電路中，四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 32 次級整流橋電路存在較大雜散電 感，輸出整流管在換流時，由于電路中存在寄生振蕩，整流管會承受較大的尖峰電壓，尖峰電壓的存在提高了對整流二極管的耐壓要求，也將帶來額外的電路損耗。利用 TL43l 可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(diào)整。此電路具有短路過流、過壓、欠壓三重保護。由于輸入電壓超過了 芯片 的工作，為了避免意外，用 D10 穩(wěn)壓管限定 芯片 的輸入電壓，否則將出現(xiàn) 芯片 被損 壞的情況。濾波后的交流電壓經(jīng) D1～ D4 橋式整流以及電解電容 C C2 濾波后變成 3lOV 的脈動直流電壓，此電壓經(jīng) R1 降壓后給 C8 充電，當 C8 的電壓達到芯片 的啟動電壓門檻值時， 芯片 開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由腳 6 輸出推動開關(guān)管工作。 代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 31 V r e fC om p V D DV t hCS O U TR t / C t G N D12345 678910CC 11R 13R 12R 10R8R9R 11R7R?R E S 2R3R?R E S 2R6R5R7C 12C9S1D9D8C8C?C A PP C 8 17C7U11234D 1 D 4C 13C 14C 15L1C 1622 0V A22 0V B2A / 2 50 V10 m H 2 A+ C1+ C2D5D6D7C4L2Rf+ C5 + C6+ 24 VG N D 圖 43 芯片在單端反激式開關(guān)電源中的應用圖 如圖 43 所示交流電由 C1 L C15 以及 C1 C13 進行低通濾波，其中C1 C15 組成抗串模干擾電路，用于抑制正態(tài)噪聲； C1 C1 L1 組成抗共模干擾電路，用于抑制共態(tài)噪聲干擾。以下對各個模塊的原理和功能進行分析。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應特性。 芯片電路在單端反激式開關(guān)電源中的應用 這是 一款 AC220V 輸入， DC24V 輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。 V E B3VC2V r e f10R t / C t5Vi9Vo7I c s444R1R2R3R4R5R6R7R8R9R 10R 11R 12R 13R 13R 15R 14C1C2C6C7C8C9C 10T1Q1O P 1C1 C 10C9D1D3D2S1D5N2 O P 1R 15R 16V0G N DG N D交流 22 0V光耦 圖 42 芯片在開關(guān)電源保護電路的中的應用圖 經(jīng)過 實驗 電路 仿真 ，其采樣信號的波形緊緊跟隨檢測電阻的電壓波形，沒有出現(xiàn)非常大的尖峰電壓。這樣做的好處是，跳過了 芯片 的內(nèi)部放大器，從而把反饋信號的傳輸時間縮短了一半，使電源的動四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 30 態(tài)響應變快。如果把反饋信號接到 芯片 的電壓反饋端，則反饋信號需連續(xù)通過兩個高增益誤差放大器，傳輸時間增長。 3)反饋電路改用 TL43l 加光耦來控制。采用無感電阻后，其阻抗不會隨著頻率的增加而增加。 2）取樣電阻改用無感電阻。因此，即使系統(tǒng)工作在占空比大于 50％或連續(xù)的電感電流條件下，系統(tǒng)也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。濾波電容使輸出的紋波進一步減小，晶體管導通的時間越長，傳遞到負載的能量越多，輸出電壓就越高。 PWM 控制芯片輸出周期一定、高電平存在時間可調(diào)的驅(qū)動脈沖信號。鋸齒波振蕩電路產(chǎn)生周期性的鋸齒波，其周期取決于 5 腳外接的 RC 網(wǎng)絡。電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號經(jīng) 3 腳送到內(nèi)部的誤差比較放大器，與內(nèi)部的基準電壓進行比代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 29 較，產(chǎn)生的誤差信號送到脈寬調(diào)制電路，完成脈沖寬度的調(diào)制，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。在啟動電源的作用下，芯片開始工作，脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)7 腳輸出驅(qū)動外接的開關(guān)功率管工作。第十腳為內(nèi)部基準電壓輸出端，基準電壓如圖所示為振蕩器的外部 RC 電路提供5V 的基準電壓。第九腳為電源電壓 VDD 輸入端。第五腳為振蕩器的外接 RC 電路的連接端，在第五腳處輸入鋸齒波電壓。第三腳輸入電壓負反饋。 11029583746R1C1R2R3R4V R 1VDDC2RTCTQ1GDST300V初級次級+ 5 V R負反饋電路振蕩器外接RC電路 圖 41 芯片外部應用電路 如圖所示為芯片的外部部分連接圖，第一腳為內(nèi)部基準輸入電壓提供端。 PWM_out 輸出合適的脈寬調(diào)制波形，使開關(guān)電源輸出穩(wěn)定。在開關(guān)電壓輸出 outV 達到預期設計的 5V前， PWM 控制器芯片輸出占空比接近于 1 的脈沖，使 outV 快速上升。然后振蕩器開始輸出振蕩波形。 outV 是開關(guān)電源的輸出。所以用滯后比較器，也是為了防止在它們跨越們坎時，有不確定的狀態(tài)，從而達到保護的目的 [4]。 第 9 腳電源電壓 VDD 供給端 ,它的工作電壓必須在正常工作范圍內(nèi)芯片才能正常工作，在第 9 腳內(nèi)部接有一個穩(wěn)壓管 ZD1，其穩(wěn)壓電壓為 36V,為內(nèi)部的器件 提供安全的電壓環(huán)境，當 VDD 超過了穩(wěn)壓管的電壓時，將會被箝位。 代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 25 第 7 腳為芯片的輸出端，當?shù)?9 腳所接的滯后比較器輸出高電平時，基準電壓才能輸出，第 7 腳才有脈沖輸出。 RS 觸發(fā)器的輸出就是時鐘信號，時鐘周期約等于充電時間而電容電壓 RCt/ ??? 計算可得充電時間約為 ? 。當電容電壓低于 時， MOS 管關(guān)斷，電流源不起作用，電容繼續(xù)被輸入電壓充電。用一個電流源連在電容上起放電開關(guān)的作用。 第 4 腳為電流傳感端，電流比較器輸出電壓的高低，是由它的兩個輸入端電壓共同決定的，電流比 較器的輸出電壓的變化，能控制 PWMLatch 的 Q 反輸出脈沖寬度的變化。因為第 2 腳加在誤差放大器的負端，那么誤差放大器就是反向輸出，所以第 1 腳與第 2 腳電壓的變化相反。 第 2 腳位誤差放大器的輸出端，誤差放大器的輸出電壓信號，在內(nèi)部經(jīng)過兩個二極管 D1 和 D2 降下壓后，又由電阻 R3 和 R4 進行分壓，由于 R3 電阻的阻值是 R4 阻值的兩倍，最后剩下 1/3 的電壓家在電流比較 器的反向輸入端，并且還有穩(wěn)壓管 ZD2 箝位，該輸入端電壓的最高電壓不超過一定值。 第 1 腳為內(nèi)部直流基準源的輸入電壓 Vi，要求輸入 Vi 當然要大于輸出 Vo中的最大值，即大于 36V。 代信敏： PWM 芯片設計及在開關(guān)電源中的應用 23 圖 316 過流保護電路輸出 圖 317 表明當輸入電壓超過閾值時，電路能在 35ns 后啟動。 V o u tV b i a s1VV r e f1 1 2 u 1 3 uP1 P2P3 P4P5 P6 P7M1 M2 M3 圖 315 過流保護電路 圖 316 表明，當 CS 電壓逐漸升高直到大于 時， outV 輸出高電平；當CS 電壓逐漸降低直到小于 時， outV 輸出低電平。此時輸出 電壓為 0V。由 P6 提供的 13uA偏置電流經(jīng)過 P3 流到 M2。P2 漏極電壓升高， P1 漏極電壓降低。過流保護電路實現(xiàn)其作用。 P1 電流為 112u,P2 關(guān)斷。 P4 晶體管導通， P3 關(guān)斷。 當 CS 電壓上升接近 時， P2 晶體管的電流減小， P1 晶體管的電流增大。 P1 電流為 62u,P2 電流為 50u。 P3 導通， P4 關(guān)斷。 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 22 當 CS 電壓遠小于 1V 時， P1 處于飽和區(qū)， P2 處于三極管區(qū)。如下例，當輸入（ CS）大于 時，輸出高電平；當輸入（ CS）小于 時，輸出低電平。當電流檢測達到 1V 閾值時，不管電壓誤差放大器輸出，過流保護電路在 35ns 內(nèi)關(guān)斷輸出。這兩個電壓之和形成電平移位電壓 [1]。當比較器處于放大區(qū)中點時，輸入極 P1和 P2 通過相同的電流。 COMP 是電壓誤差放大器