一种AC—DC转换芯片的设计

【摘要】设计了一种AC-DC转换芯片，电路内部集成了各种监控和保护功能，包括AC掉电检测，过功率保护，负电压保护，过压保护，欠压保护。内置高精确振荡器，提供准确的保护和监控所需的延迟时间。内置软启动电路，可以减小在上电过程中变压器的应力，防止变压器饱和。使用该电路可减少元件，提高系统的可靠性。

【关键词】脉宽调制；误差放大器；峰值采样保持

1.引言

随着信息技术的日新月异，IT设备已越来越深入我们的办公、生活，包括普通台式计算机、便携式计算机、工作站、网络台式计算机、网络终端设备，并且大部分办公楼已出现了拥有大量服务器、存储器的数据中心。IT设备带来的节能减排的话题已逐步受到专家的重视[1-2]。随着全球能源的紧张及对环保的要求，许多国家提出了对能源使用的要求，像美国的能源之星、德国的蓝天使标准、中国中标认证中心等对电源的转换效率、待机功耗等指标都提出了非常严格的要求，因此电源的发展方向应该是高效、低耗的绿色电源。目前许多用户已意识到不仅要关心电源的核定功率和实际输出功率，更要关心电源的交换效率。本文开发的芯片，采用高集成度，比传统结构电源线路省元器件。国际80PLUS能效标准将对高效大功率电源提出了更高的要求，会往85%高能效标准发展。

2.电路原理

2.1 电路内部原理结构图

图1为内部原理结构图，包括基准电路、误差放大器、峰值采样保持电路、过压保护电路、欠压保护电路、过功率保护电路等。

2.2 基准电路

带隙基准设计[3-4]，能够产生精度很高的基准电压，与工艺无关、具有确定温度特性的直流电压。内部比较点的电压就是由该带隙基准定的；所以这些电压的准确性直接影响整个电路的保护和检测点，否则对整个系统造成损坏或起不到作用，图2即为基准电路。

I107、R2、Q64、Q65、Q63组成启动电路，基准建立起来后不关闭。M72和M43组成电流偏置。R94、R95、R96、Q3、Q46组成带隙基准的主要电路。

RT1、RT2、RT3、RT4为修调电阻，由于：

所以全修调时，即RT1、RT2、RT3、RT4都放开的情况下：

都不修调时，即RT1、RT2、RT3、RT4都短接的情况下：

不修调哪个电阻相当于把这个电阻短接掉，在上面的式子中去掉相应的电阻值即可得到相应的电压值。

2.3 误差放大器设计

误差放大器将输出反馈电压与比较基准电压的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳压精度。[5]对误差放大器的基本要求是：低频增益要高，高频增益要低，下图3为误差放大器电路；设计的误差放大器采用跨导运放结构。MP1和MP2构成差分对输入级。MN1、MN2、MN3和MN4构成迟滞有源负载。MN5、MN6、MP3和MP4组成输出部分。gap_V08和VFB分别为误差放大器的同相和异相输入端，用表示两者的差值为。

设置差分输入对都工作在饱和状态，漏源电流和栅源电压的关系可以通过平方关系来表示。

由于MP1和MP2设计成几何尺寸完全相同的两个管子，所以发：

由于：

所以，在输出端有电流输出：

从这个结果可以看到，在小信号条件下，输出电流与输入电压之间有线性关系。当输入电压为零时，差分对的工作状态是平衡的。

所以：

此式表明，输出电流不仅与输入电压成正比，而且还与输入管的跨导成正比。

由于该误差放大器的输出电阻为：

所以：

那么该误差放大器的电压增益为：

为了保证系统的稳定性，在误差放大器的输出端接一个较大的电容C来进行整个芯片的稳定性补偿。如果负载电容C远远大于第一级输出端分布电容的总和，那么主极点就由负载电容C决定的。

其中P1为主极点，C为负载电容。R引入一零点，以提升带宽处相位。

单位增益频率为：

误差放大器的频率特性曲线如图4所示。仿真结果表明，开环增益为62dB，主极点在370Hz处，相位裕度为75.5度。

2.4 AC峰值采样保持电路

图5为峰值采样保持电路结构图，峰值采样保持电路由跟随器、采样电路和保持电路三部分组成。作用是把AC电压的情况在线反应出来。在起始时，电容复位，而后当有脉冲时，打开恒流源对电容充电，充电条件为当输入电压高于电容上电压时充电，这样就可以把输入的最高电压保存下来，后面跟跟随器，经时钟取样到电容上，而后与固定电压点比较，这样就可得到幅值是否偏低。

2.5 保护电路

电路集成了各种监控和保护功能，包括交流电掉电检测，过功率保护，负电压保护，过压保护，欠压保护，为电源好信号提供掉电信号。

3.芯片版图与测试结果

图6为芯片版图，采用BICMOS 0.8um工艺，面积大小为1.99×1.84（mm???2），双层铝双层多晶。该电路是基于BICMOS 0.8um工艺的模型，利用CADENCE Hspice对电路进行仿真，通过仿真验证和对电源系统测试，其结果达到了预期要求。测试设备主要是SI040043示波器、SI070047点源、自制电阻负载等，对10颗样品进行测试，测试结果如表1所示，从测试结果看完全达到设计要求。

表1 电路测试结果

电路参数 数值

3.3V过压感应（V） 4.07～4.11

5V过压感应（V） 6.02～6.11

12V过压感应（V） 14.12～14.37

3.3V欠压感应（V） 2.83～2.84

5V欠压感应（V） 4.33～4.35

12V欠压感应（V） 9.96～10.09

老化试验72小时 功能正常

输出电压短路试验 功能正常

4.结束语

本文设计了一种AC-DC转换芯片，使用该电路可减少元件，增加效率和系统的可靠性，可用于推挽式或半桥式拓扑结构电源系统。

参考文献

[1]周志敏，周纪海，纪爱华.单片开关电源[M].电子工业出版社，2004.

[2]王鸿麟等.现代通信电源[M].人民邮电出版社，1998.

[3]赛尔吉欧×佛朗哥著.刘树棠等译.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安交通大学出版社，2004.

[4]Paul R.Gray，Paul J.Hurst，Robert G.Meyer著.张晓林等译.模拟集成电路的分析与设计[M].高等教育出版社，2005.

[5]Hussain Alzaher and Mohammed Ismail.A CMOS Fully Balanced Differential Difference Amplifier and Its Applications[J].IEEE，VOL.48，NO.6，JUNE 2001：614-620.

作者简介：周宇坤（1984—），女，浙江慈溪人，工学硕士，主要从事电子信息工程技术、测试计量技术及仪器等研究。