高效率、低功耗的离线式开关电源控制器芯片的设计与实现

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1、浙江大学硕士学位论文摘要摘要近年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电源管理芯片需求的增长，同时也带来了新的机遇和挑战。开关电源以体积小、重量轻和效率高等特点被广泛应用于手机、电脑、数码相机等几乎所有的电子设备。开关电源控制器的低功耗、高电能转换效率是设计者不断追求的目标。本课题针对开关电源中的离线式控制器进行研究，目的是设计一款高效率、低功耗的通用离线式开关电源控制器芯片。本论文提出了一种基于峰值电流模式的离线式开关电源控制器芯片。它采用脉冲宽度调制(PWM，PulseWidthModulation)和脉冲跨周期调制(PSM，P

2、ulseSkippingModulation)结合的方法，在反馈电压处于3．35～4．75V时采用脉冲宽度调制，按时钟下降沿开启、峰值电流关断的方式周期性地输出控制波形，以保证重载时系统的高效率和小纹波。在反馈电压处于4．75—5．5V时采用脉冲跨周期调制，停止输出控制波形，使功率开关管处于关断状态，直到反馈电压小于4．75V为止，从而减小了功率开关管的开关损耗，保证了轻载时的高效率。为了降低系统的电磁干扰(ElectroMagneticInterference，EMI)，采用频率扩展的方法，将功率开关管开关瞬间迅速变化的电压和

3、电流的高次谐波平坦化。本芯片采用引脚复用策略，只有三个引脚，结构简单，应用方便。此外，芯片还具有过压保护、欠压保护、短路保护、内部电流死区控制、内部斜坡补偿等功能，可靠性高。芯片采用TSMC公司的0．6InnBCD信号工艺实现。仿真结果表明，芯片可实现脉冲宽度调制和脉冲跨周期调制及相互之间的平稳转换。用于锂电池充电器时，可实现恒压充电和恒流充电及两种模式之间的平稳过渡。用于电源适配器时，具有良好的输出电压调整率和负载调整率。芯片最高转换效率可达98％。论文第一章首先介绍了课题的研究背景、现状、发展趋势和意义，然后对论文的主要工作

4、和整体结构进行了说明，最后对论文的创新点进行了总结。第二章详细叙述了论文的研究内容，着重分析了离线式开关电源的拓扑结构、控制模式、功耗来源和电磁干扰，并对现有技术进行了总结和比较。第三章介绍芯片的系统设计，描述了片外系统的工作原理、稳定性分析、芯片的工作模式以及斜坡补偿分析和设计。第四章给出了芯片各个模块的具体实现。第五章对芯片的相关性能进行了系统仿真和版图设计。第六章总结了论文的研究工作，并对该芯片的发展提出了进一步的展望。关键词：离线式开关电源；高效率；脉冲宽度调制；脉冲跨周期调制；频率扩展浙江大学硕士学位论文Abstrae

5、tAbstractInrecentyears，rapiddevelopmentofportableelectronicproductsprovidesalargenumberofnewdemandsforpowermanagement；italsobringsnewopportunitiesandchallenges．Thanksforsmallersize，lighterweightandhigherefficiency，switchingpowersupplieshavebeenwidelyusedinalmostallth

6、eelectronicequipment，suchascomputerandcommunicationequipment．LowerpowerandhigherefficiencyhavebeenconstantlytheobjectivesofICdesigners．ThetopicofthisthesisistOdesignahighefficiency，lowpoweroff-linepowersupplycontrollerforgeneraluse．Anoff-linepowersupplycontrollerbase

7、donpeakcurrentmodewithpulsewidthmodulmion(PWM)andpulseskippingmodulation(PSM)ispresented．ThechipoperatesatPWMmodewhenfeedbackvoltageisbetween3．35--4．75V，inwhichpowerMOStransistorisonandoffaccordingtoclockfallingedgeandpeakcurrent，ensuringhighefficiencyandsmallripplev

8、oltage．Whenfcedbackvoltageisbetween4．75-5．5V，thechipentersPSMmode，inwhichpowerMOStransistorisremainoffuntilfeedbackvoltageisbelow4．