开关电源PWM控制器芯片设计
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开关电源PWM控制器芯片设计
文本预览
浙江大学
硕士学位论文
开关电源PWM控制器芯片设计
姓名：谢福波
申请学位级别：硕士
专业：电路与系统
指导教师：吴晓波
20060512浙江大学硕士学位论文
摘 要
随着电子信息产业的飞速发展和对节能要求的不断提高，现代
开关电源的应用日益广泛，发展迅速。
开关电源技术结合了开关变换器理论、集成电路和功率半导体
技术的先进成果，具有体积小、重量轻、效率高、可靠性好等显著
优点，己成为现代电源技术的主流。
论文在研究开关电源技术发展现状基础上，提出一种峰值电流
控制开关电源PwM控制芯片的设计。首先对芯片的工作原理和系
统构成进行了研究和分析，包括开关电源变换器的整个主回路和控
制回路。在系统设计完成之后，在1．5岫BCD工艺下分块设计了芯
片内部各个功能块，包括运算放大器，基准电压源，振荡器，比较器
和保护电路等，完成了具体电路的设计，给出了所有的电路图。各功
能块经Cadence Spectre仿真验证均已达到所定指标。以此构成的系
统亦已通过仿真验证，仿真结果与预期结果相符，表明电路的主要设
计功能已经实现。
最后，完成芯片的总体版图规划和部分版图的设计。
关键词：PWM控制，运算放大器，基准电压源，振荡器，比较器保
护电路BiCMoS工艺浙江人学硕士学位论文
ABSTRACT
As the rapid deVelOpment 0f eleclrOnic information industry
and the increasing demand of energy saVing。mOdern switching
pOwer suppIIes fOund wider and wider appIications and were
deVeloped rapidIy．
The technOIOgy 0f sw．tching pOwer supply cOmbined the
current resuIts of modem swItching cOnVerter theory．integrated
circuit and pOwer semiconductOr．It is featurjng sma¨Volume and
weight as we¨as high efficiency and reliabiIIty and becoming the
mainst陀am Of mOdem pOwer suppIy technOIOgy
Based on the research On mOdern pOwer supply technOIOgy，a
peak curnent mOde PWM contrO¨er Chip were propOsed．And its
principIes and system architecture were studied and anaIyzed，
which incIUdes its main lOOp and cOntrOI lOOp
Finished the system design， the functional bIOcks was
designed in 1．5Um BCD technOlogy，whlch included ampllfier
reference，osc川atOr，compa旧tor，fast 0Ver current prote酬on．And
aIl circuits were giVen．The functiOnal bIOcks were simuIated and
Verified by Cadence Specfre． The resuIts showed their
pe晌rmanCes met Spec weI|．And the system simuIatIOn aISO
shOwed that a¨ofdesired flJnctiOns were reaIized
Fina¨y，the floOrplan and part Of IayOutdesign was pnesented浙江大学顺士学位论文
KEIY WORDS： PWM control， amp|ifier， reference，0sc…atOr
cOmparatOr，fast 0Vercurrent protection BiCMOS process浙江大学硕士学位论文
率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压
经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器(PwM)，它
主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路
目前己集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。控制电路用来调整高频开关
元件的开关时问比例，以达到稳定输出电压的目的。
开关电源的功率调整器件处于开关工作状态。作为开关而言，导通时，压降
很小，几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，所以开关电源
的功率转换效率可达80％以上。开关电源的滤波电感的体积和重量也因为工作频
率提高而减小，所需的滤波电容也减小。“1
图l—l
1．3本文的主要工作
20多年来，集成开关电源沿着集成化方向发展，首先是对开关电源的核心单
元一控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PwM)控制器集成电
路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相继推出一批P1I『M芯片，典
型产品有Mc3520，SG3524，uC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达lMHz
的高速P删、PFM(脉冲频率调制)芯片，典型产品有uCl825、uCl864。
本文的主要工作是设计开关电源的控制芯片，该集成电路采用PwM工作方式，
需要较少的外部元件即能构成完整的开关电源，工作频率50l(Hz，并具有过流保
护功能。浙江大学硕士学位论文
第一章介绍开关电源的背景、现状和发展趋势，同时介绍了开关电源的原
理，并对本文的章节进行安排。
第二章介绍开关电源控制电路的原理和基本结构。
第三章介绍控制电路各个子电路原理，所设计的具体电路和功能仿真。
第四章介绍工艺流程，器件结构，子电路的版图。
第五章总结该电路的设计工作。
第二章PwM控制芯片的原理
2．2 PWM控制芯片原理
电流控制的PwM技术是一种新颖的控制技术，1967年由美国BOsE公司提出。该
技术有不同路线方案来实现，其共同特点是：利用电感电流的反馈直接去控制功
率开关的占空比，以实现峰值电流对电压反馈的跟踪。
图2—1
如图2—1所示，反馈电路由两部分组成：输出电压u。经采样电路(未画出)
得到反馈电压U，反馈到误差放大器的反向端，基准电压u。加至误差放大器同向
端，构成常规的电压反馈，即电压外环：由电阻R。上检测得到的电流反馈信号U。
和误差放大器的输出u。分别加至P州比较器同向端和反向端，构成了电流内环。
P删比较器输出加至触发器的R端，时钟振荡器从S端向锁存器输出一系列恒定
频率的时钟信号。当功率管导通时，随着电流的增大电流检测信号u；也同时增
大，直到同U。电压相等时P州比较器输出高电平，使锁存器输出转为低电平，
功率管关断。时钟振荡器输出的稳定时钟信号通过锁存器控制着三极管的通断。
4浙江大学硕十学位论文
由此可以看出，由于引入了电流反馈，对输出电压有前馈调节作用，提高了系统
的动态响应。由于电感电流直接跟随误差电压的变化，输出电压就可以很容易的
得到控制。电流内环还使开关电源变换器易于实现并联运行，有利于实现变换器
的模块设计。电流控制PwM技术有很多优点，如电压调整率好：回路稳定性好，
负载响应快：功耗小：有较好的并联能力等等。“1
电流型控制分为峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制。
(1)峰值电流控制
峰值电流控制是最常用的电流型控制方式。以Buck变换器为例，峰值
电流型控制系统原理框图如图2—2。每1个开关周期丌始，由时钟信
号CLK经过触发器，驱动开关VF导通，当电流i。，的检测信号峰值达到
硕士学位论文
开关电源PWM控制器芯片设计
姓名：谢福波
申请学位级别：硕士
专业：电路与系统
指导教师：吴晓波
20060512浙江大学硕士学位论文
摘 要
随着电子信息产业的飞速发展和对节能要求的不断提高，现代
开关电源的应用日益广泛，发展迅速。
开关电源技术结合了开关变换器理论、集成电路和功率半导体
技术的先进成果，具有体积小、重量轻、效率高、可靠性好等显著
优点，己成为现代电源技术的主流。
论文在研究开关电源技术发展现状基础上，提出一种峰值电流
控制开关电源PwM控制芯片的设计。首先对芯片的工作原理和系
统构成进行了研究和分析，包括开关电源变换器的整个主回路和控
制回路。在系统设计完成之后，在1．5岫BCD工艺下分块设计了芯
片内部各个功能块，包括运算放大器，基准电压源，振荡器，比较器
和保护电路等，完成了具体电路的设计，给出了所有的电路图。各功
能块经Cadence Spectre仿真验证均已达到所定指标。以此构成的系
统亦已通过仿真验证，仿真结果与预期结果相符，表明电路的主要设
计功能已经实现。
最后，完成芯片的总体版图规划和部分版图的设计。
关键词：PWM控制，运算放大器，基准电压源，振荡器，比较器保
护电路BiCMoS工艺浙江人学硕士学位论文
ABSTRACT
As the rapid deVelOpment 0f eleclrOnic information industry
and the increasing demand of energy saVing。mOdern switching
pOwer suppIIes fOund wider and wider appIications and were
deVeloped rapidIy．
The technOIOgy 0f sw．tching pOwer supply cOmbined the
current resuIts of modem swItching cOnVerter theory．integrated
circuit and pOwer semiconductOr．It is featurjng sma¨Volume and
weight as we¨as high efficiency and reliabiIIty and becoming the
mainst陀am Of mOdem pOwer suppIy technOIOgy
Based on the research On mOdern pOwer supply technOIOgy，a
peak curnent mOde PWM contrO¨er Chip were propOsed．And its
principIes and system architecture were studied and anaIyzed，
which incIUdes its main lOOp and cOntrOI lOOp
Finished the system design， the functional bIOcks was
designed in 1．5Um BCD technOlogy，whlch included ampllfier
reference，osc川atOr，compa旧tor，fast 0Ver current prote酬on．And
aIl circuits were giVen．The functiOnal bIOcks were simuIated and
Verified by Cadence Specfre． The resuIts showed their
pe晌rmanCes met Spec weI|．And the system simuIatIOn aISO
shOwed that a¨ofdesired flJnctiOns were reaIized
Fina¨y，the floOrplan and part Of IayOutdesign was pnesented浙江大学顺士学位论文
KEIY WORDS： PWM control， amp|ifier， reference，0sc…atOr
cOmparatOr，fast 0Vercurrent protection BiCMOS process浙江大学硕士学位论文
率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压
经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽度调制器(PwM)，它
主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路
目前己集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。控制电路用来调整高频开关
元件的开关时问比例，以达到稳定输出电压的目的。
开关电源的功率调整器件处于开关工作状态。作为开关而言，导通时，压降
很小，几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，所以开关电源
的功率转换效率可达80％以上。开关电源的滤波电感的体积和重量也因为工作频
率提高而减小，所需的滤波电容也减小。“1
图l—l
1．3本文的主要工作
20多年来，集成开关电源沿着集成化方向发展，首先是对开关电源的核心单
元一控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PwM)控制器集成电
路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相继推出一批P1I『M芯片，典
型产品有Mc3520，SG3524，uC3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达lMHz
的高速P删、PFM(脉冲频率调制)芯片，典型产品有uCl825、uCl864。
本文的主要工作是设计开关电源的控制芯片，该集成电路采用PwM工作方式，
需要较少的外部元件即能构成完整的开关电源，工作频率50l(Hz，并具有过流保
护功能。浙江大学硕士学位论文
第一章介绍开关电源的背景、现状和发展趋势，同时介绍了开关电源的原
理，并对本文的章节进行安排。
第二章介绍开关电源控制电路的原理和基本结构。
第三章介绍控制电路各个子电路原理，所设计的具体电路和功能仿真。
第四章介绍工艺流程，器件结构，子电路的版图。
第五章总结该电路的设计工作。
第二章PwM控制芯片的原理
2．2 PWM控制芯片原理
电流控制的PwM技术是一种新颖的控制技术，1967年由美国BOsE公司提出。该
技术有不同路线方案来实现，其共同特点是：利用电感电流的反馈直接去控制功
率开关的占空比，以实现峰值电流对电压反馈的跟踪。
图2—1
如图2—1所示，反馈电路由两部分组成：输出电压u。经采样电路(未画出)
得到反馈电压U，反馈到误差放大器的反向端，基准电压u。加至误差放大器同向
端，构成常规的电压反馈，即电压外环：由电阻R。上检测得到的电流反馈信号U。
和误差放大器的输出u。分别加至P州比较器同向端和反向端，构成了电流内环。
P删比较器输出加至触发器的R端，时钟振荡器从S端向锁存器输出一系列恒定
频率的时钟信号。当功率管导通时，随着电流的增大电流检测信号u；也同时增
大，直到同U。电压相等时P州比较器输出高电平，使锁存器输出转为低电平，
功率管关断。时钟振荡器输出的稳定时钟信号通过锁存器控制着三极管的通断。
4浙江大学硕十学位论文
由此可以看出，由于引入了电流反馈，对输出电压有前馈调节作用，提高了系统
的动态响应。由于电感电流直接跟随误差电压的变化，输出电压就可以很容易的
得到控制。电流内环还使开关电源变换器易于实现并联运行，有利于实现变换器
的模块设计。电流控制PwM技术有很多优点，如电压调整率好：回路稳定性好，
负载响应快：功耗小：有较好的并联能力等等。“1
电流型控制分为峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制。
(1)峰值电流控制
峰值电流控制是最常用的电流型控制方式。以Buck变换器为例，峰值
电流型控制系统原理框图如图2—2。每1个开关周期丌始，由时钟信
号CLK经过触发器，驱动开关VF导通，当电流i。，的检测信号峰值达到
