一款恒压恒流反激式AC-DC控制器的研究与设计

发布时间：2020-06-03 23:14

【摘要】：随着集成电路的快速发展,越来越多的便携式电子设备进入了民用市场,所以为这些电子设备提供能量的电源管理芯片市场也在不断地扩大。原边反馈反激式AC-DC转换器由于低功耗、所需外围元器件少和能有效实现输入输出电隔离的优点,在便携式电子设备中备受青睐。针对便携式设备对充电器、适配器的性能需求,本文设计了一款高精度的恒压恒流反激式AC-DC控制器芯片。本文设计的AC-DC芯片采用原边反馈结构从而省略光耦器件和TL431,简化了外围电路的体积和成本。芯片采用PFM方案,在全负载范围内工作在DCM模式,具有高精度的恒流恒压输出功能。本文首先对反激式AC-DC的基本理论进行了分析,并决定了芯片的整体框架和设计指标。然后详细阐述了对恒流恒压精度产生影响的因素,最后采用高精度的控制方法。在完成了带隙基准电压模块、振荡器模块、退磁时间检测模块、恒流控制模块、恒压控制模块等子模块的电路设计和仿真后,对整个系统进行了仿真,最后对部分子模块进行了版图设计。在恒流控制中,采用二倍的退磁时间作为开关周期,这种恒流控制方式的输出电流不受原边电感值的影响,不需要原边电感补偿电路,能够实现精确的恒流控制。在恒压控制中,在退磁时间的2/3处对输出电压进行精确地采样,并且采用电荷泵产生阶梯下降波,与误差放大器的输出进行比较以控制系统的截止时间,这种方法能够获得大的截止时间和开关周期,使系统在轻载下也能获得稳定的输出电压,扩大了系统的负载调节范围。内置了线缆压降补偿电路,通过对开关周期进行计数、存储和编码来控制恒流源阵列的导通和关断,生成与开关周期成正比的补偿电流,注入反馈引脚的分压电阻上,以补偿实际应用中充电线缆上存在的压降,提高了系统的恒压输出精度。最终,搭建了应用于12V/1A的外围拓扑,基于Dongbu 0.18μm BCD工艺,使用Cadence spectre工具,对整个系统的恒流恒压功能进行仿真。实验结果表明,芯片能够实现正确的恒流恒压功能转换。恒流控制时的输出电流为1.3A,预留了0.3A的裕量,可通过原边电感电流检测电阻进行调节,输出电流纹波为25mA。恒压控制时的输出电压为12V,输出电压纹波为20mV,系统的恒压输出线性调整率为±1.4%,负载调整率为±1.5%,恒压输出精度为±2.5%,具有良好的恒压输出性能。仿真结果表明此控制芯片能够实现高精度的恒压恒流控制,满足设计要求。
【图文】：

层礁,低电平,高电平

冲生成电路仿真如图 4.8 所示。当电压 VC为低电平时，M17G为高电平，VE为高电平；当 VC刚跳为高电平时，M16 打开 C2 充电，C2 上的电压 VD线性上升，所以在电压 VD还没有H一直为高，VG也将保持原来的高电平，在这段时间内，VE到阈值电平时，VH翻转为低电平，将 VG置为低电平，，使 VE又在 VC上升沿时，VE产生了低电平脉冲，其中电容 C2 的值决过调节 C2 的大小，使低电平脉冲脉宽为 600ns。

直波形,脉冲,电路,退磁

充放电电流为 3.5μA，电容 C1 的值为 1.68pF。振荡器的频率为 698kHz，满足设计要求。振荡器仿真图4.3 退磁时间检测模块设计与仿真退磁时间的检测非常重要，在恒压模式中，需要在系统的退磁时间内对输出电压进行采样；在恒流模式中，采用退磁时间的二倍作为系统的开关周期，即退磁时间控制着系统在恒流模式时的开关频率。所以，准确检测退磁时间对系统实现精确的恒流恒压控制起着关键的作用。退磁时间检测电路设计退磁时间内，辅助绕组上的电压与副边绕组上的电压成比例关系。辅助绕组上的电压在功率管开启时与输入电压成正比例且为负电压，在退磁阶段与输出电压成比例且为正电压，在截止阶段内几乎为零。然而，由于功率开关管存在寄生电容，在退
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN402;TN792

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