高效的單片AC/DC電源管理集成電路設(shè)計(jì)

唐順柏

（深圳市依崇微電子科技有限公司，廣東 深圳 518000）

1 單片AC/DC電源管理集成電路的特點(diǎn)

工業(yè)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)、軍事、消防、醫(yī)療、公安、市場活動(dòng)、學(xué)術(shù)科研等領(lǐng)域所用到的儀器或設(shè)備離不開電源，在諸多的電源之中，AC/DC開關(guān)電源的應(yīng)用十分廣泛。AC/DC電源的特點(diǎn)如下文所述。

（1）能耗比較低、工作效率高。工作在開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)電源工作效率在80%以上。

（2）電路自動(dòng)保護(hù)效果好。一旦出現(xiàn)故障或者短路，開關(guān)電源將會(huì)自動(dòng)斷電，故障出現(xiàn)的范圍不再擴(kuò)散，故障隱患受到牢牢控制。

（3）溫度受控。由于能耗較低，電源的溫度不會(huì)突然造成超出元器件所能承受的溫度，這也大大保護(hù)了電子設(shè)備的運(yùn)行溫度限制。

（4）輸入電壓可調(diào)節(jié)。電壓過高或過低都會(huì)影響到電子設(shè)備的使用效果與壽命，130～260 V范圍的電壓都是開關(guān)電源可調(diào)節(jié)的電壓范圍，可以達(dá)到優(yōu)秀的調(diào)節(jié)效果。

（5）開關(guān)電源都比較靈巧。AC/DC電源的高工作頻率可以讓電源能夠更輕巧小型化也是國際上電源持續(xù)追求的目標(biāo)。

開關(guān)電源作為穩(wěn)定、安全、高效、節(jié)能的代表性電源，是當(dāng)前以及未來持續(xù)性的潮流產(chǎn)品。開關(guān)電源雖已是市場的主流，但發(fā)展深化的空間仍然不小。

電力防范方面，通過降低電網(wǎng)側(cè)電流諧波，讓網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近。功率轉(zhuǎn)換的損耗，尤其是待機(jī)損耗，要繼續(xù)深挖如何降到更低，如通過提升電磁與裝置的兼容能力，提高能效。高頻、元件小型化、降噪和提升性能等技術(shù)的應(yīng)用。

脈沖寬度變調(diào)（Pulse Width Modulation，PWM）方式是單片AC/DC電源管理集成電路的主要方式。PWM不僅能監(jiān)測電路輸出的狀態(tài)，還能提供功率控制信號(hào)，在不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、逆變器、DC-DC 變換器等高功率電路之中普遍適用[1]。

2 單片AC/DC電源管理集成電路技術(shù)指標(biāo)分析

2.1 輸入?yún)?shù)

2.1.1 相 數(shù)

從降低主電路器件的電壓等級(jí)降低成本考慮，電源功率≤5 kW時(shí)通常使用單相輸入；但電源功率＞5 kW時(shí)，為了降低損耗，減小主電路中的電流，避免引起電網(wǎng)三相間的不平衡，選擇三相輸入。

2.1.2 輸入電壓

單相85～265 V的 范圍屬于國際通用范圍，輸入電壓指標(biāo)通常包含額定值和變化范圍2個(gè)方面內(nèi)容。輸入電壓變化范圍一般為±10%，考慮配線等因素有時(shí)也要求-15%～+10%。為防止浪費(fèi)，輸入電壓應(yīng)以滿足實(shí)際需要為宜。輸入電壓為直流時(shí)情況比較復(fù)雜，從24 ～600 V都有可能。國內(nèi)民用交流電源電壓三相 380 V、單相為 220 V。

2.1.3 輸入頻率

我國民用和工業(yè)用電的頻率均為50 Hz，航空、航天、船舶用電經(jīng)常采用400 Hz交流電（通常為115 V單相或三相電）。400 Hz交流電壓整流后的脈動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于工頻，因此整流電路所連接的濾波電容可以減小很多。

2.1.4 輸入電流

輸入電流包括額定輸入電流、最大輸入電流。額定輸入電流是指輸入電壓和輸出電壓、輸出電流在額定條件時(shí)的電流，最大值發(fā)生在輸入電壓下限和輸出電壓上限、輸出電流上限時(shí)。三相輸入時(shí)，各相電流有時(shí)會(huì)發(fā)生失衡現(xiàn)象，應(yīng)取平均值。

2.1.5 沖擊電流

沖擊電流是在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，輸入電流進(jìn)入穩(wěn)定情況之前的最大的瞬時(shí)電流，一般來說沖擊電流在20 ～30 A。

2.1.6 漏電流

流經(jīng)輸入側(cè)地線的電流即是漏電流。在AC/DC電源中，通過電磁干擾（Electromaynetic Interference，EMI）濾波器的旁路電容泄漏的電流。漏電流規(guī)定在0.5 ～ 1 mA。

2.1.7 效率

效率是電源的重要技術(shù)指標(biāo),一般定義為電源輸出功率與電源輸入有功功率之比。影響電源效率的因素有頻次相關(guān)損耗、電路通路相關(guān)損耗、其他系統(tǒng)損耗等。

2.1.8 輸出功率因數(shù)

輸出功率因數(shù)是指在輸入電壓為額定值、輸出功率為額定值時(shí)，輸入相移功率因數(shù)和畸變因數(shù)（失真功率因數(shù)）的乘積，即

2.2 輸出參數(shù)

2.2.1 輸出電壓

額定值、可調(diào)節(jié)范圍是輸出電壓的主要指標(biāo)參數(shù)。可調(diào)節(jié)范圍的上限如果太高會(huì)影響到能耗浪費(fèi)，需要以接近額定值為宜。

2.2.2 輸出電流

額定值、過載倍數(shù)是輸出電流的主要指標(biāo)參數(shù)。電流輸出的下限需要進(jìn)行合理設(shè)置，避免部分電源不允許空載的設(shè)定。在多路輸出電源中，有的如果某一路輸出電流增加，則其他路的輸出電流會(huì)下降，對(duì)此要進(jìn)行說明。

2.2.3 穩(wěn)壓（穩(wěn)流）精度

正負(fù)誤差帶是穩(wěn)壓（穩(wěn)流）精度的主要呈現(xiàn)形式。精度可以用以下指標(biāo)考核。

（1）負(fù)載調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率是通過計(jì)算輸入電壓不變、輸出負(fù)載電流變化時(shí)衡量穩(wěn)定輸出電壓的能力。

（3）電源的輸出特性。電源具體應(yīng)用領(lǐng)域的工藝要求，與電源輸出特性密切相關(guān)，如有些場合要求恒壓限流、有些場合要求恒流限壓等。

（4）紋波。典型的輸出電壓紋波波形通常按頻帶可分為高頻噪聲、開關(guān)頻率紋波、低頻紋波這3類。對(duì)輸出電壓紋波的量化方法，通常有以下幾種。

（a）計(jì)算紋波系數(shù)，即輸出電壓交流成分總有效值與直流成分的比值。紋波系數(shù)不能反映幅值很高、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量及其影響。由于紋波包含的頻率成分從1赫茲以下到數(shù)十兆赫，頻帶極寬，很難精確計(jì)量。

（b）峰峰電壓值，計(jì)量紋波電壓的峰峰值，可以反映幅值很高、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量，但不能反映紋波有效值的大小，不夠全面。

（c）高頻噪聲、開關(guān)頻率、低頻分別計(jì)量幅值，此方式易用、易對(duì)比，且十分具體，易測量。

（5）動(dòng)態(tài)響應(yīng)。輸出電壓受外界因素干擾后再回到其穩(wěn)態(tài)值，會(huì)有一個(gè)超調(diào)量和恢復(fù)時(shí)間（有時(shí)，也可衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性）。超調(diào)量一般≤±5%U0、恢復(fù)時(shí)間5～10 ms（多臺(tái)并聯(lián)時(shí)，時(shí)間會(huì)長一些）?；謴?fù)時(shí)間的長短與電源開關(guān)頻率、電壓反饋環(huán)的響應(yīng)速度、電流瞬態(tài)變化幅度及輸出濾波電路的容量等因素有關(guān)。

（6）溫度系數(shù)。環(huán)境溫度升高1°，輸出電壓的變化量與輸出電壓之比為溫度系數(shù)，單位為1/℃。

2.3 附屬功能

2.3.1 過流保護(hù)

為防止過大電流負(fù)載導(dǎo)致電源損壞的一種自我安全保護(hù)功能，過流保護(hù)值一般是額定值的110%～130%。

2.3.2 過壓保護(hù)

為防止過大電壓負(fù)載導(dǎo)致電源損壞的一種自我安全保護(hù)功能，過壓保護(hù)值一般是額定值的110%～130%。

2.3.3 輸出欠壓保護(hù)

輸出電壓下降超出閾值時(shí)的一種停止電源的安全措施。

2.3.4 過熱保護(hù)

電源內(nèi)部溫度超出閾值，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，停止電源運(yùn)行。

2.3.5 接口

要確定電源輸入、輸出以及信號(hào)用端子的形狀、排列或連接器名稱，并要標(biāo)明所用端子號(hào)。電源輸入、輸出以及信號(hào)用端子要盡可能分開。

2.4 絕 緣

2.4.1 絕緣電阻

在電源輸入端子和殼體間、輸入端子和輸出端子間，一般用500 V兆歐表測，電阻要大于50 MΩ。輸出端子和殼體間用100 V兆歐表測，電阻要大于10 kΩ。

2.4.2 絕緣耐壓

要符合各種安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3 單片高效AC/DC電源管理集成電路的組成分析

單片高效AC/DC電源管理集成電路由誤差放大器、PWM比較器、振蕩器、基準(zhǔn)電壓源、軟啟動(dòng)電路、上電復(fù)位電路以及其他一些保護(hù)電路模塊共同組成[2]。

3.1 誤差放大器

誤差放大器是一個(gè)放大誤差和調(diào)節(jié)功率回路穩(wěn)定性的模塊。輸出信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間的誤差即由誤差放大器放大。將誤差信號(hào)與比較器進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換為數(shù)字邏輯信號(hào)，調(diào)整占空比。

3.2 PWM比較器

PWM比較器即PWM調(diào)制電路，同相端、反相端兩者的信號(hào)相比較后輸出波形，這些波形脈沖寬度不同，而后再次采樣，再比較，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)電路。為了對(duì)比參考該電路，在同相端或反相端，有一個(gè)固定的參考波形。

3.3 振蕩器

振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，直流電能轉(zhuǎn)換成一定頻率的交流電能，即為振蕩電路。

3.4 基準(zhǔn)電壓源

基準(zhǔn)電壓源為串聯(lián)穩(wěn)壓電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)化器提供基準(zhǔn)電壓，也是大多數(shù)傳感器的穩(wěn)壓或激勵(lì)源。同時(shí)，基準(zhǔn)電壓源還可以作為標(biāo)準(zhǔn)電池、儀器校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和精密電流源。在電壓調(diào)節(jié)器中，基準(zhǔn)源提供一個(gè)已知的電壓值，將其與輸出進(jìn)行比較，以獲得用于調(diào)節(jié)輸出電壓的反饋。

3.5 軟啟動(dòng)電路

由于電路中存在電容，電壓的突然增加會(huì)產(chǎn)生大量的暫態(tài)電流，因此一般電源會(huì)串聯(lián)電阻，延時(shí)，然后短路這個(gè)電阻，這個(gè)過程會(huì)限制暫態(tài)電流，該形式的電路即為軟啟動(dòng)電路。

3.6 上電復(fù)位電路

單片機(jī)或?yàn)楦唠娖綇?fù)位，或?yàn)榈碗娖綇?fù)位。以5 V單片機(jī)為例，上電過程實(shí)際上是一個(gè)緩慢爬升的過程，耗時(shí)數(shù)微秒或毫秒。爬升時(shí)，單片機(jī)不能正常工作，復(fù)位電路需要延遲程序的正常執(zhí)行，直到電壓穩(wěn)定，即為上電復(fù)位。

4 HSPICE仿真分析

目前常用的集成電路仿真工具是Cadence公司的spectre仿真器或者Synopsys公司的HSPICE仿真器。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，普遍地認(rèn)為spectre可以更加細(xì)膩地反映電路特性，而HSPICE可以獲得更快的仿真速度，對(duì)于普通應(yīng)用，兩者仿真體驗(yàn)基本無差別。Linux系統(tǒng)中HSPICE仿真器沒有圖形化界面[3]。

HSPICE是一款電子設(shè)計(jì)軟件，HSPICE的收斂性強(qiáng)，具備較高的仿真經(jīng)度和眾多模型。誤差放大器、PWM控制器及其他相關(guān)模塊通過HSPICE來驗(yàn)證，采用多種仿真方法，上述兩模塊可得到準(zhǔn)確的分析和調(diào)整，最終完成整體設(shè)計(jì)[4]。

4.1 獲取電路網(wǎng)表

HSPICE仿真中電路原理圖是以網(wǎng)表的形式表示的，不是圖形輸入界面，用戶可以自己寫電路網(wǎng)表，也可以在Cadence原理圖的基礎(chǔ)上獲取電路的CDL網(wǎng)表。

4.2 修改電路網(wǎng)表

從網(wǎng)表中可以看到，其實(shí)網(wǎng)表只是原理圖的另一種表現(xiàn)形式，生成的網(wǎng)表中并沒有激勵(lì)電壓源相關(guān)的內(nèi)容，這是因?yàn)槭褂玫碾妷涸吹腃DF文件中并沒有定義抽取網(wǎng)表時(shí)的輸出信息，所以自然不會(huì)有輸出，不過我們可以自己動(dòng)手把激勵(lì)加進(jìn)去，同時(shí)還需要添加仿真模型、一些HSPICE的仿真設(shè)置內(nèi)容等。實(shí)際中，子電路定義的部分是否注釋對(duì)仿真運(yùn)行沒有影響。

4.3 激勵(lì)文件

為了更好地配置仿真設(shè)置和仿真激勵(lì)文件，往往把電路網(wǎng)表和激勵(lì)源保存在不同的文件中，使用include語句將電路網(wǎng)表調(diào)入激勵(lì)文件。

示例如下，反相器電路抽成CDL網(wǎng)表保存為inv.cdl，而仿真激勵(lì)和仿真器設(shè)置寫在inv_sim.sp文件中，inv_sim.sp文件就好比圖形界面仿真中的建立的仿真原理圖，在其中調(diào)用被仿真電路的實(shí)例。inv_sim.sp文件內(nèi)包含所有激勵(lì)源、反相器實(shí)例調(diào)用、仿真器設(shè)置、仿真模型文件等。

4.4 運(yùn)行仿真

準(zhǔn)備好以上文件，并將文件放在同一目錄下，在該目錄下打開終端，使用命令（直接在CDL網(wǎng)表中添加激勵(lì)源等設(shè)置）：“hspice inv_sim.netlist ＞ inv_sim.outlog”或者使用命令（CDL網(wǎng)表與激勵(lì)源在不同文件）：“hspice inv_sim.sp ＞ inv_sim.outlog”。

前者命令是運(yùn)行HSPICE并仿真電路，后面的命令是將仿真信息保存到inv_sim.outlog文件中，這樣用戶可以通過查看該文件了解仿真過程，仿真器的輸出信息，以及電路的詳細(xì)工作狀態(tài)等。如果運(yùn)行過程中出錯(cuò)，該文件會(huì)記錄報(bào)錯(cuò)信息，供用戶檢查。

4.5 查看仿真波形

HSPICE運(yùn)行仿真結(jié)束后，使用Synopsys公司的Wave viewer查看波形文件，在終端中輸入：wv，啟動(dòng) Wave viewer，然后在菜單欄選擇：File-＞Import Waveform File，索引到仿真運(yùn)行的文件夾內(nèi)，選擇仿真結(jié)果文件，就可以像其他波形查看軟件一樣操作波形。

5 工藝與版圖設(shè)計(jì)簡述

5.1 版圖布局

版圖布局需要遵從充分利用、提高成品占比的原則，版圖的布局按照0.6μm的BiCMOS工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)。

基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)在版圖中央；基準(zhǔn)電壓源的周圍分布各種電路，這樣信號(hào)傳輸距離較短；PWM比較器和誤差放大器，考慮集中在同一區(qū)域；為了降低數(shù)字電路噪聲造成的影響，數(shù)字電路和模擬電路進(jìn)行隔離；在模擬電路模塊的附近，設(shè)置模擬信號(hào)輸入口。

5.2 版圖設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

模擬電路以性能強(qiáng)、速度塊、匹配性好為目標(biāo)，所以版圖設(shè)計(jì)與芯片的正常運(yùn)行息息相關(guān)。誤差放大器和PWM比較器，一是應(yīng)注意兩者信號(hào)的連接線一致、導(dǎo)線距離降到最短，做到差分輸入盡可能匹配，二是為減小制版誤差，盡可能采用大尺寸器件,同時(shí)，對(duì)稱電阻需平行排列。為解決芯片溫差失調(diào)問題，對(duì)于功耗稍大的輸出管來說，應(yīng)用熱設(shè)計(jì)方式遠(yuǎn)離輸入元件，比較合理的設(shè)計(jì)是布置在差分輸入對(duì)管對(duì)稱軸線的兩側(cè)[5]。

6 結(jié) 論

本文闡述了單片AC/DC電源特點(diǎn)，詳細(xì)分析了集成電路技術(shù)指標(biāo)與組成，將HSPICE仿真文件創(chuàng)建與運(yùn)行、工藝與版圖設(shè)計(jì)布局與注意事項(xiàng)進(jìn)行解析，最終將單片高效AC/DC電源管理集成電路設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了完整呈現(xiàn)。AC/DC集成電路的設(shè)計(jì)，需要不斷加強(qiáng)高端創(chuàng)新人才的引入，推進(jìn)研發(fā)和評(píng)價(jià)平臺(tái)建設(shè)，構(gòu)建以龍頭企業(yè)為主導(dǎo)的產(chǎn)學(xué)研深度融合產(chǎn)業(yè)生態(tài)。