抗干擾AC/DC開關(guān)電源芯片的研究與設(shè)計(jì)

杜斌

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司軍工事業(yè)部發(fā)射室，廣西 桂林 541000）

抗干擾AC/DC開關(guān)電源芯片的研究與設(shè)計(jì)

杜斌

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司軍工事業(yè)部發(fā)射室，廣西 桂林 541000）

近些年來，隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、使用年限長的電源芯片成為熱點(diǎn)。AC/ DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器源以其價(jià)格、效率和體積等優(yōu)勢(shì)在小功率電源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?；贏C/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，發(fā)現(xiàn)誤差放大器對(duì)整個(gè)電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40mV；并提出智能抗尖峰電路，減少了LEB結(jié)束與開關(guān)斷開的時(shí)間差，使安全性能提高；最后，對(duì)本芯片進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)抗ESD能力達(dá)到10 kV，芯片性能穩(wěn)定。希望對(duì)今后電源芯片設(shè)計(jì)提供參考。

抗干擾；電源芯片；智能；誤差放大

0 引言

AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器以其價(jià)格、效率和體積等優(yōu)勢(shì)在小功率電源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，電腦、顯示器、路由器和移動(dòng)設(shè)備都離不開AC/DC開關(guān)電源[1]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，開關(guān)電源的功率、工作頻率等都大幅地提升，但是，由于電源中的電流和電壓不能突變，交替過程中會(huì)產(chǎn)生功率損耗。研究表明，此損耗與頻率成線性關(guān)系，因此，電源的工作頻率越高，損耗也就越大。

近些年來，隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、使用年限長的電源芯片勢(shì)在必行[2]。從需求來看，電源發(fā)展趨于智能化、集成化、數(shù)字化、微型化和高頻化等方向[3]。本文基于AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)誤差放大器對(duì)整個(gè)電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，設(shè)置兩條不同增益的誤差放大電流，分別為40倍和400倍，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40mV。減少了LEB結(jié)束與開關(guān)斷開的時(shí)間差，使安全性能提高。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)本電源芯片抗ESD能力達(dá)到10 kV，性能穩(wěn)定。

1 AD/DC開關(guān)電源的工作原理

AC/DC開關(guān)電源輸入信號(hào)為低頻交流電壓，輸出信號(hào)為直流電壓和電流，中間的轉(zhuǎn)換過程通過整流電路和濾波器完成。由于開關(guān)電源極易受到干擾，一般都是隔離放置。電路內(nèi)部還需要升壓裝置，故器件本身的體積較大。

其工作原理是[4]：首先，交流信號(hào)經(jīng)過橋式整流器和PFC功率校正器，在經(jīng)過EMI濾波器的變成類直流信號(hào)；隨后，經(jīng)過升壓裝置進(jìn)行耦合傳輸，開關(guān)導(dǎo)管完成信號(hào)輸出。開關(guān)電源一次傳遞的能量由PFM控制開關(guān)的占空比確定，在輸出端完成整流后實(shí)現(xiàn)AC/ DC轉(zhuǎn)換。其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

上述系統(tǒng)一般通過光耦合將輸出的電壓信號(hào)反饋給電源芯片，圖1中的電壓信號(hào)以原邊反饋形式輸出。電源芯片負(fù)責(zé)求出參考電壓信號(hào)與反饋電源信號(hào)的誤差，并通過誤差放大器將其放大。此誤差為控制系統(tǒng)工作頻率和脈沖寬度的信號(hào)，直接決定占空比和傳遞能量的大小。

根據(jù)本文的相關(guān)要求，初步設(shè)置電流誤差不超過10%，電壓誤差不超過5%，輸出恒壓電壓的波動(dòng)值小于0.2 V，電源轉(zhuǎn)換效率不低于70%，電磁干擾的裕量設(shè)置為6 dB，抗ESD能力達(dá)到8 kV以上。選用PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器，芯片內(nèi)部系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖1 AC/DC開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)

圖2 電源芯片的內(nèi)部系統(tǒng)框架

2 芯片的重要模塊電路研究

芯片中至關(guān)重要的模塊就是帶隙基準(zhǔn)電壓源，其作為整個(gè)電路原始電壓參考值，影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能[5]。帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路穩(wěn)定后才能提供參考電壓V ref，此電路的電壓由VCC提供，變化范圍在9～18 V，工作環(huán)境欠佳。本文對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，將VCC的電壓降低到6 V，在通過高壓管給芯片帶隙基準(zhǔn)電壓源供電，這樣可以使電壓源較為穩(wěn)定。改進(jìn)之后，芯片核心電路不再需要高壓管，可以節(jié)省其體積并降低制造成本。

低壓線性差穩(wěn)壓源可以給芯片內(nèi)部電路供電，并供給一些偏置裝置。一般情況下，低壓線性差穩(wěn)壓源的供電能力要不低于2 mA，此為電路的滿載電流。電流過低，低壓線性差穩(wěn)壓源的電壓將會(huì)降低，導(dǎo)致電路無法工作。

誤差放大器可以提高輸出電壓精度，其系統(tǒng)電路如圖3所示。

傳統(tǒng)放大器的輸出電壓為：

VEA=（VH-Vref）×gm×R0+VDC（1）式 （1）中：VH——誤差放大器的正端電位，V；

Vref——誤差放大器的負(fù)端電位，V；

gm——跨導(dǎo)，S；

R0——上電阻，Ω；

VDC——DC端的電位，V。

為了增大芯片的控制范圍，將輸出電壓的范圍設(shè)置為1～5 V，重載時(shí)的輸出電壓取1 V，輕載時(shí)取5 V。將其進(jìn)行折算，得到的輸出電壓偏差為：

式 （2）中：R1——下電阻，Ω；

NS、Naus——電感，如圖3所示。

圖3 誤差放大器的電路圖

說明傳統(tǒng)芯片輕載與滿載變化過程會(huì)出現(xiàn)0.2 V的電壓差。為了克服這個(gè)問題，提出一種復(fù)合放大電路，其包含快、慢兩條增益電路。在負(fù)載迅速變化時(shí)，快速通路作用；當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)定時(shí)，慢速通路作用。這樣兩個(gè)增益通路的共同作用而實(shí)現(xiàn)了電源芯片的高精度輸出，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。改進(jìn)的誤差放大器電路如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的誤差放大器電路圖

3 芯片系統(tǒng)的測(cè)試

對(duì)AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器芯片各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，最終得到的電源芯片含有5個(gè)pin腳，其典型的應(yīng)用電路連接如圖5所示。

由圖5可以看出，整個(gè)芯片所需要的電量都是由電容C提供。OUT是輸出腳，可以控制開關(guān)管的連接與斷開。對(duì)芯片系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

為了滿足不同國家的需求，芯片系統(tǒng)電壓選擇了90 V和264 V兩種初始條件。從表1中的數(shù)據(jù)分析，線損補(bǔ)償大約為10%，基本接近設(shè)計(jì)目標(biāo)9%。整個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)償過程為類似線性補(bǔ)償，最大波紋出現(xiàn)在電流為1 050 mA時(shí)，為160 mV，小于200 mV的設(shè)計(jì)值。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率約為74%，達(dá)到高效的要求。電源芯片抗干擾裕量為7.6 dB，大于設(shè)計(jì)值6 dB。氣隙放電模式的系統(tǒng)能抵抗10 kV的ESD干擾。經(jīng)測(cè)試，本芯片系統(tǒng)滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

圖5 電源芯片的典型應(yīng)用電路連接

表1 芯片系統(tǒng)板端的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、壽命長的電源芯片勢(shì)在必行。本文基于AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器。討論了帶隙基準(zhǔn)電壓源、低壓線性差穩(wěn)壓源、誤差放大器等字模塊。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)誤差放大器對(duì)整個(gè)電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，設(shè)置兩條不同增益的誤差放大電流，分別為40倍和400倍，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40 mV。減少了LEB結(jié)束與開關(guān)斷開的時(shí)間差，使安全性能提高。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)本電源芯片抗ESD能力達(dá)到10 kV，最大波紋為160 mV，電源芯片抗干擾裕量為7.6 dB，且性能穩(wěn)定。希望為今后AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)制造提供幫助。

[1]鄒愛萍.Buck型DCDC開關(guān)電源芯片工作原理分析[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013（5）：125-126.

[2]許幸，何杞鑫，王英.新型高效同步整流式DC-DC開關(guān)電源芯片的設(shè)計(jì) [J].電子器件，2006，29（3）：643-646.

[4]常昌遠(yuǎn)，姚建楠，譚春玲，等.一種PWM/PFM自動(dòng)切換的DC-DC芯片 [J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25（4）：433-436.

[5]應(yīng)建華，張姣陽，方超.AC/DC開關(guān)電源中溫度補(bǔ)償電流源的設(shè)計(jì) [J].半導(dǎo)體技術(shù)，2007，32（11）：980-983.

[6]周浬皋，李冬梅.一種高動(dòng)態(tài)性能數(shù)字DC-DC算法建模與芯片設(shè)計(jì) [J].電子器件，2010，33（4）：399-402.

Introduction to Anti-jamm ing AC/DC Sw itching Power Supp ly Chip Research and Design

DU Bin
（Guilin Changhai Development Co.，Ltd.，Guilin 541000，China）

In recent years,with the rapid development of new energy technology，to develop a high efficiency， energy-saving，long service life power chips become a hot spot.With the advantages on price，volume and efficiency，AC/DC switching power supply converter source has been widely applied in the field of small power sources.Based on the working principle of AC/DC switching power supply converter，it is found that the error amp has a great influence on the precision of the power chip.A combined error amplifier is proposed accordingly，which could reduce the output voltage of the light load to full load to 40 mV.And an intelligent peak suppression circuit is presented to reduce the time delay between the LEB end and the switch is off and improve the safety performance.Finally，the chip is tested， and it is found that its resistance to ESD is up to 10 kV，and the performance is stable.

anti-interference；power chips；intelligent；error amplifier

TN 86；TN 402

：A

：1672-5468（2015）01-0057-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.01.012

2014-08-25

杜斌 （1983-），男，廣西桂林人，桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司軍工事業(yè)部發(fā)射室助理工程師，設(shè)計(jì)師，主要從事開關(guān)電源設(shè)計(jì)、電源芯片應(yīng)用和電磁干擾等方面的研究工作。