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(电子科技大学IC设计中心,四川成都610054)
摘要:本文设计了一种应用于AC/DC开关电源芯片的片内电源电路。该电路输入电压范围110V~220V,输出电压稳定在约5.8V。本电路仅在开关电源芯片中功率开关关断的半周期,通过高压JFET抽取外部电源电能给储能电容充电,来维持输出电压的稳定,具有输入电压范围广,电路结构简单的特点。通过HSPICE仿真实验,取得预期的效果。
关键词:片内电源;AC/DC开关电源;低功耗
片内电源电路是集成在半导体芯片内部的电源模块。其作用主要是从外部电源(例如220V市电)中获取电能,并把能量转化芯片内部其它模块可接受的稳定直流电平,给内部其它模块供电。目前,片内电源在纹波幅度、调整范围、功耗等技术指标上还不能达到外部电源的水平,但是,片内电源具有设计指标灵活、成本低廉、可集成等外部电源不可比拟的优势。因此,片内电源将会成为未来电源的另一个发展方向。
1电路结构及功能分析
如上图1所示,是本文设计的应用于AC/DC开关电源芯片的片内电源电路整体结构。Vin为片内电源电路的输入端口,220V的交流电源经过半桥整流滤波后通过此端口输入。BP为片内电源电路的输出端口,输出一恒定电压Vout为AC/DC开关电源芯片的其它子模块供电。Gate为AC/DC开关电源芯片中功率MOSFET栅驱动信号,为高时功率MOSFET导通,为低关断。输入检测信号为本片内电源电路的欠压保护信号,当Vin低于110V时片内电源停止工作对开关电源芯片进行保护。
在AC/DC开关电源芯片工作过程中,每个时钟周期对片内电源模块输出电压Vout进行检测,如果输出电压低于设计要求,并且开关电源芯片其它保护模块输出正常的情况下,在Gate为低的半周期对输出端电容C0充电,直到输出电压满足设计要求,停止充电,从而使输出电压保持恒定。本功能由上图1所示的充电控制部分和模拟充电部分来实现。充电控制部分包括:输出电压检测模块,数字逻辑控制模块。模拟充电模块包括高压JFET,MN1,MN2,电阻R0,储能电容C0。
充电控制模块是本电路设计的重点难点,其具体设计过程如下:
1.1输出电压检测模块的设计
输出电压检测模块电路如下图2所示,BP端输出电压Vout经过电阻网络分压后产生3路输出D1,D2,D3,这三路输出分别输入到COM2,COM1,COM3三路比较器中,与基准电压进行比较。COM1输出欠压信号A5,欠压为高,不欠压为低。COM2输出过压信号A6,过压为高,不过压为低。COM3的输出控制泄流支路,当Vout (BP电压)高于7V时,给电容C0提供一条泄流通路,使BP电压低于7V,对电路进行保护。
![](https://www.soolun.com/img/pic.php?url=http://img.resource.qikan.cn/qkimages/dzyq/dzyq201204/dzyq20120406-1-l.jpg)
![](https://www.soolun.com/img/pic.php?url=http://img.resource.qikan.cn/qkimages/dzyq/dzyq201204/dzyq20120406-2-l.jpg)
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![](https://www.soolun.com/img/pic.php?url=http://img.resource.qikan.cn/qkimages/dzyq/dzyq201204/dzyq20120406-4-l.jpg)
1.2数字逻辑控制模块的设计
数字逻辑控制模块电路如下图3所示,A5,A6为输出电压检测模块对BP端口电压检测后输出的欠压信号,过压信号;A7为A5,A6经过寄存器后产生的中间信号,X1为输入电压的检测信号,正常为低,当输入电压过低(X1为高)时,片内电源停止工作对开关电源芯片进行保护。
Gate为AC/DC开关电源芯片中功率管的栅控制信号,本片内供电模块仅在功率管关断的时间进行充电。Regulator为过压欠压逻辑单元模块的输出信号,它来控制模拟充电部分对储能电容充电。片内电源在从上电到系统稳定需要经过以下三种工作状态:
① 状态1:储能电容电压Vout低于4.8V。
过压欠压电路的输出A5=1,A6=0。
经过RS触发器,得出A7=1,上支路的输出为1。
于是Regulator信号输出由上支路决定,始终为0。储能电容从0充电会一直充至4.8V而不受各内部信号的影响。
② 状态2:储能电容电压Vout充至略大于4.8V。
过压欠压电路的输出A5,A6由状态1的10转换成00。此时RS触发器为保持状态,于是A7保持为1,上支路的输出由1变为0。此时Regulator由下支路决定,若X1=1(输入电压Vin过低),Regulator=1(不充电);若X1=0(输入电压Vin正常),则Regulator由Gate信号决定。所以储能电容达到4.8V后,若X1信号为1,储能电容将不再充电。若X1信号为0,储能电容在功率管关断周期充电,可充至5.8V。
③ 状态3:储能电容电压由Vout由继续升高,大于5.8V时。
当状态2最后一种情况Regulator由Gate决定,Vout充电至大于5.8V时。过压欠压电路的输出A5,A6由状态2的00转换成01。经过RS触发器A7信号要改变为0,下支路A7与X1的与非使得X1对Regulator无影响。A6经过反向器后的0信号使得Gate对Regulator也没有了影响。此时Regulator输出完全由A5,A6,A7来决定,输出为1(不充电),直到储能电容的电压回落至5.8V以下。
2仿真结果
仿真条件:本文采用CSMC 700V BCD工艺库和HSPICE进行仿真,Vin电压从0V上升到300V,然后维持稳定。
仿真结果如右图4所示:当Vin从0V上升到300V的过程中,A5,A6状态从10转换到00再转换到01,当芯片稳定工作时其在00,01之间转换从而维持输出稳定在5.8V,达到设计要求。
3结束语
本文设计了一种新型的片内电源电路,具有功耗低,输入电压范围广,电路结构简单等特点。适用于各种开关电源芯片进行片内供电。通过电路仿真,本电路设计满足设计要求。
参考文献
[1]方健 李肇基 张波等. PSoC-新一代SoC技术. 中国集成电路第50期. 2003.7
[2]张占松,蔡宣三. 开关电源的原理与设计. 北京:电子工业出版社 2000
[3]Phillip E.Allen. CMOS模拟集成电路设计(第二版). 电子工业出版社
[4]Data Sheet TNY264/266-268,Power Integration INC.
[5]张乃国. 电源技术[M]. 北京:中国电力出版社 1999
[6]“全球电源管理IC的发展趋势” 中国电源信息网
作者简介
管超(1988-),男,电子科技大学研究生,研究方向:功率集成技术。
摘要:本文设计了一种应用于AC/DC开关电源芯片的片内电源电路。该电路输入电压范围110V~220V,输出电压稳定在约5.8V。本电路仅在开关电源芯片中功率开关关断的半周期,通过高压JFET抽取外部电源电能给储能电容充电,来维持输出电压的稳定,具有输入电压范围广,电路结构简单的特点。通过HSPICE仿真实验,取得预期的效果。
关键词:片内电源;AC/DC开关电源;低功耗
片内电源电路是集成在半导体芯片内部的电源模块。其作用主要是从外部电源(例如220V市电)中获取电能,并把能量转化芯片内部其它模块可接受的稳定直流电平,给内部其它模块供电。目前,片内电源在纹波幅度、调整范围、功耗等技术指标上还不能达到外部电源的水平,但是,片内电源具有设计指标灵活、成本低廉、可集成等外部电源不可比拟的优势。因此,片内电源将会成为未来电源的另一个发展方向。
1电路结构及功能分析
如上图1所示,是本文设计的应用于AC/DC开关电源芯片的片内电源电路整体结构。Vin为片内电源电路的输入端口,220V的交流电源经过半桥整流滤波后通过此端口输入。BP为片内电源电路的输出端口,输出一恒定电压Vout为AC/DC开关电源芯片的其它子模块供电。Gate为AC/DC开关电源芯片中功率MOSFET栅驱动信号,为高时功率MOSFET导通,为低关断。输入检测信号为本片内电源电路的欠压保护信号,当Vin低于110V时片内电源停止工作对开关电源芯片进行保护。
在AC/DC开关电源芯片工作过程中,每个时钟周期对片内电源模块输出电压Vout进行检测,如果输出电压低于设计要求,并且开关电源芯片其它保护模块输出正常的情况下,在Gate为低的半周期对输出端电容C0充电,直到输出电压满足设计要求,停止充电,从而使输出电压保持恒定。本功能由上图1所示的充电控制部分和模拟充电部分来实现。充电控制部分包括:输出电压检测模块,数字逻辑控制模块。模拟充电模块包括高压JFET,MN1,MN2,电阻R0,储能电容C0。
充电控制模块是本电路设计的重点难点,其具体设计过程如下:
1.1输出电压检测模块的设计
输出电压检测模块电路如下图2所示,BP端输出电压Vout经过电阻网络分压后产生3路输出D1,D2,D3,这三路输出分别输入到COM2,COM1,COM3三路比较器中,与基准电压进行比较。COM1输出欠压信号A5,欠压为高,不欠压为低。COM2输出过压信号A6,过压为高,不过压为低。COM3的输出控制泄流支路,当Vout (BP电压)高于7V时,给电容C0提供一条泄流通路,使BP电压低于7V,对电路进行保护。
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1.2数字逻辑控制模块的设计
数字逻辑控制模块电路如下图3所示,A5,A6为输出电压检测模块对BP端口电压检测后输出的欠压信号,过压信号;A7为A5,A6经过寄存器后产生的中间信号,X1为输入电压的检测信号,正常为低,当输入电压过低(X1为高)时,片内电源停止工作对开关电源芯片进行保护。
Gate为AC/DC开关电源芯片中功率管的栅控制信号,本片内供电模块仅在功率管关断的时间进行充电。Regulator为过压欠压逻辑单元模块的输出信号,它来控制模拟充电部分对储能电容充电。片内电源在从上电到系统稳定需要经过以下三种工作状态:
① 状态1:储能电容电压Vout低于4.8V。
过压欠压电路的输出A5=1,A6=0。
经过RS触发器,得出A7=1,上支路的输出为1。
于是Regulator信号输出由上支路决定,始终为0。储能电容从0充电会一直充至4.8V而不受各内部信号的影响。
② 状态2:储能电容电压Vout充至略大于4.8V。
过压欠压电路的输出A5,A6由状态1的10转换成00。此时RS触发器为保持状态,于是A7保持为1,上支路的输出由1变为0。此时Regulator由下支路决定,若X1=1(输入电压Vin过低),Regulator=1(不充电);若X1=0(输入电压Vin正常),则Regulator由Gate信号决定。所以储能电容达到4.8V后,若X1信号为1,储能电容将不再充电。若X1信号为0,储能电容在功率管关断周期充电,可充至5.8V。
③ 状态3:储能电容电压由Vout由继续升高,大于5.8V时。
当状态2最后一种情况Regulator由Gate决定,Vout充电至大于5.8V时。过压欠压电路的输出A5,A6由状态2的00转换成01。经过RS触发器A7信号要改变为0,下支路A7与X1的与非使得X1对Regulator无影响。A6经过反向器后的0信号使得Gate对Regulator也没有了影响。此时Regulator输出完全由A5,A6,A7来决定,输出为1(不充电),直到储能电容的电压回落至5.8V以下。
2仿真结果
仿真条件:本文采用CSMC 700V BCD工艺库和HSPICE进行仿真,Vin电压从0V上升到300V,然后维持稳定。
仿真结果如右图4所示:当Vin从0V上升到300V的过程中,A5,A6状态从10转换到00再转换到01,当芯片稳定工作时其在00,01之间转换从而维持输出稳定在5.8V,达到设计要求。
3结束语
本文设计了一种新型的片内电源电路,具有功耗低,输入电压范围广,电路结构简单等特点。适用于各种开关电源芯片进行片内供电。通过电路仿真,本电路设计满足设计要求。
参考文献
[1]方健 李肇基 张波等. PSoC-新一代SoC技术. 中国集成电路第50期. 2003.7
[2]张占松,蔡宣三. 开关电源的原理与设计. 北京:电子工业出版社 2000
[3]Phillip E.Allen. CMOS模拟集成电路设计(第二版). 电子工业出版社
[4]Data Sheet TNY264/266-268,Power Integration INC.
[5]张乃国. 电源技术[M]. 北京:中国电力出版社 1999
[6]“全球电源管理IC的发展趋势” 中国电源信息网
作者简介
管超(1988-),男,电子科技大学研究生,研究方向:功率集成技术。