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Flyback型数字电源模拟关键电路的研究与设计

谢炜  
【摘要】:随着半导体等相关电子技术的突飞猛进,手机、平板等电子产品的消费量飞速增长,人们的消费习惯不断引导着技术突破的方向。电子产品推陈出新的速度令人咋舌,市场越来越大,自然刺激着相关设计者不断研究、创新。而各类电子产品若要稳健工作,电源的作用至关重要。电子设备的电源从线性稳压器到开关电源再到数字电源已成为不可逆的趋势。其内部模拟电路的表现对数字电源IC的整体性能至关重要,而模拟开关电源IC内部电路,如线性稳压器,带隙基准依然可以套用在数字电源IC中,但振荡器等电路的设计因其原本限制成为所有设计者们所面临的严峻挑战。本文首先归纳并阐述了电源IC从线性稳压器到开关电源再到数字电源的发展历史和研究现状,明确了数字电源会成为今后电子设备电源发展的必然趋势,并重点论述反激型拓扑;然后对其调制方式,原边反馈技术(PSR)和恒流控制模式进行了详细的描述和原理推导。针对现阶段数字电源内部模拟关键电路的不足,本文融合模拟电路与数字控制的特点,设计了一种具备温度自校准功能,高频率,低温漂,无须外接任何时间单元的片内振荡器;和一种适用于反激式变换器的低导通、关断延时的BJT功率管驱动电路。振荡器的设计以片内RC振荡器作为主体,集成的对温度变化高度敏感的环形振荡器输出时钟频率作为参考,通过数字自校准产生调节电容充电电流的校准信号,在芯片使用过程中实现温度自校准的功能,本文所设计的振荡器在较宽的温度范围和较大电压波动依然达到高稳定;驱动电路通过数字控制在导通初期以最大饱和基极电流加速功率管进入导通状态,导通期间智能匹配负载变化输出,临近关断时以最小饱和基极电流实现“预关断”功能,有效降低BJT功率管的导通和关断延时,且缩减系统成本。利用Cadence和HSPICE软件对本文所设计的振荡器和驱动电路进行仿真验证。仿真结果表明,在典型工艺角下,振荡器输出50%占空比的周期信号,且中心频率为10.1MHz,在-55℃-155℃的温度范围内,输出时钟信号的温度系数为49.5ppm/℃;在电源电压?10%波动的情况下,输出时钟频率最大漂移0.9%;驱动电路轻载时平均导通和关断延时为350.1ns、287.9ns,重载时平均导通和关断延时为326.9ns、326.7ns。所有指标均达到了设计要求。


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