恒流或恒压输出应用的离线式AC-DC控制器

论文摘要

近年来,随着消费电子产品强劲的需求,它们对于电源模块的要求也越来越高。电源模块通常为功能模块提供恒定的电压或恒定的电流,以保证它们稳定的工作。恒压或恒流输出应用较为广泛,如电池充电经历恒流充电和恒压充电过程等。交流-直流（AC-DC）开关电源转换器是一种利用半导体功率器件作开关,通过控制开关的开通与关断,将交流电能转变成直流电能的电路。它具有转化效率高、功耗低、小型化以及宽输入范围等优点,符合电子产品对电源模块的要求。而AC-DC控制器是AC-DC开关电源转换器的核心,设计时需要兼顾转换效率、面积、功耗和稳定性等方面的考虑。本文基于恒压或恒流输出应用提出了离线式、高稳定性AC-DC转换器的设计,并在此基础上设计了核心的AC-DC控制器芯片。该芯片采用TSMC公司40V CMOS高压混合工艺来设计和实现。控制器驱动外部NPN晶体管的射极,并与变压器串联构成反激式拓扑,系统通过变压器和光耦实现离线式的要求。控制器芯片采用一个控制逻辑电路来实现重载时PWM（Pulse-widthModulation）工作模式和轻载时PSM（Pulse-skipping Modulation）工作模式,在不增加额外电路开销的基础上提高转换效率。同时,控制器电路采用频率抖动技术来减小EMI和斜坡补偿来稳定开环。通过系统建模与仿真,验证了控制器能在两种模式下实现5.0V恒压和1.0A恒流输出的要求。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 插图与附表
• 1.引言
• 1.1 电源管理芯片市场前景
• 1.2 电源管理芯片分类
• 1.3 电源管理芯片性能要求
• 2.开关电源原理
• 2.1 开关电源拓扑结构
• 2.1.1 Buck转换器
• 2.1.2 Boost转换器
• 2.1.3 Buck-Boost转换器
• 2.1.4 反激式转换器（Flyback Converter）
• 2.1.5 正激式转换器（Forward Converter）
• 2.2 开关电源控制环路
• 2.2.1 电压模式控制
• 2.2.2 峰值电流模式控制
• 2.2.3 平均电流模式控制
• 2.2.4 迟滞型控制模式
• 2.3 开关电源调制方式
• 2.3.1 脉冲宽度调制（PWM调制）
• 2.3.2 脉冲频率调制（PFM调制）
• 2.3.3 跳周调制（PSM调制）
• 2.4 AC-DC转换器的原理和性能指标
• 2.4.1 工作原理
• 2.4.2 主要性能指标
• 3.AC-DC转换器系统结构分析与仿真
• 3.1 AC-DC转换器系统结构
• 3.2 AC-DC转换器电路分析
• 3.2.1 启动电路
• 3.2.2 共源共栅结构
• 3.2.3 反激式变压器
• 3.2.4 反馈环路
• 3.2.5 斜坡补偿
• 3.3 AC-DC转换器工作过程
• 3.3.1 工作模式转换
• 3.3.2 PWM的工作模式
• 3.3.3 PSM的工作模式
• 3.4 AC-DC转换器系统仿真
• 3.4.1 变压器建模
• 3.4.2 仿真
• 4.AC-DC控制器电路分析与仿真
• 4.1 AC-DC控制器芯片系统结构
• 4.2 AC-DC控制器电路模块与仿真
• 4.2.1 时钟电路
• 4.2.2 斜坡电流
• 4.2.3 带隙电压基准
• 4.2.4 电流基准
• 4.2.5 Gm跨导放大器
• 4.2.6 驱动电路
• 4.2.7 VDD电源模块
• 4.2.8 电压预调整电路
• 4.2.9 短路打嗝保护
• 4.3 AC-DC控制器小结
• 5.总结与展望
• 参考文献
• 作者简介与在研期间科研成果