离线式开关电源芯片中部分子电路的分析与设计

论文摘要

单片式开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、外围电路简单、能构成高效率电源等优点,因而得到了广泛应用。国外的单片式开关电源芯片多采用BCD工艺制成,虽然性能优异,但却成本高昂。本文设计了一种离线式开关电源芯片,内部集成耐压700V的功率管,采用简单的开/关工作模式,工作频率为132kHz,最大输出功率约为15W,集成有保护电路。采用陈星弼教授的专利,不采用介质隔离或PN结隔离(BCD工艺)的方法而用普通CMOS工艺将高压功率器件与低压CMOS电路集成在一块硅片上的方法,使功率集成电路的成本大大降低。论文首先介绍了开关电源的基本原理,以及PWM、PFM等调制模式。然后,详细介绍了反激变换器,并着重介绍了简单的开/关调制模式在反激变换器中的应用。进而,给出了整体电路的功能块框图。最后,分析和介绍了芯片中的部分子电路,包括:电源噪声隔离电路、基准电压源启动前的状态锁定电路、带频率抖动的振荡器和限流电路。分析这些子电路模块的工作原理并推导相关的计算公式,并给出了仿真验证结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 开关电源（SMPS）的发展历史
• 1.3 开关电源的调制模式
• 1.4 选题依据与研究意义以及本文所做的工作
• 第二章 总体电路原理分析
• 2.1 离线式开关电源
• 2.2 反激（Fly Back）变换器
• 2.2.1 工作原理
• 2.2.1.1 储能阶段
• 2.2.1.2 能量转换阶段（反激阶段）
• 2.2.2 工作方式
• 2.2.2.1 非连续模式（Discontinuous Conduction Mode）
• 2.2.2.2 连续模式（Continuous Conduction Mode）
• 2.2.2.3 两种模式比较
• 2.3 总体电路
• 2.3.1 芯片采用的调制方式
• 2.3.2 总体电路设计
• 第三章 电源噪声隔离电路
• 3.1 设计需要
• 3.2 线性稳压器（Linear Regulator）的电源抑制（PSR）分析
• 3.3 本文采用的电源噪声隔离方法
• 3.4 具体电路设计
• 3.4.1 基准电压源
• 3.4.1.1 基本原理
• 3.4.1.2 本文使用的基准电压源
• 3.4.1.3 误差放大器的选择与频率补偿
• 3.4.1.4 基准电压源仿真验证
• 3.4.1.5 基准电压源中的修条（trim）
• 3.4.2 电荷泵电路
• 3.4.2.1 电荷泵基本原理
• 3.4.2.2 本文中采用的电荷泵
• 3.4.3 RC滤波电路
• 3.4.4 偏置电路
• 3.4.4.1 核心电路
• 3.4.4.2 对核心电路的改进
• 3.4.5 降压电路
• 3.4.5.1 原理分析
• 3.4.5.2 Buffer
• 3.5 电源噪声隔离电路的启动时序与仿真
• 第四章 开关管状态控制电路与保护电路
• 4.1 基准启动前的误动作消除
• 4.2 振荡器和频率抖动（Frequency jitter）
• 4.2.1 频率抖动抑制电磁干扰（EMI）
• 4.2.2 本文采用的振荡器和频率抖动
• 4.3 限流电路
• 4.3.1 检测电路的原理
• 4.3.2 限流电路
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 本文作者参与设计的部分版图
• 攻硕期间取得的研究成果
• 个人简历