pwm芯片电路设计及在开关电源中的应用(编辑修改稿)

pwm芯片电路设计及在开关电源中的应用(编辑修改稿)内容摘要：

滞后比较器实现。 欠压锁 定中的滞后比较器如图 31 所示，非倒向端连接供电电源 VCC，倒向端的 的电压是由基准电压源提供。 输出端 VOUT 与电压调节器连接。 启动时的时序：比较器输出电压的有无，由 VDD 电压的高低控制，只有VDD 大于 + 时比较器输出高电位，基准电压 +5VR 才有输出，芯片才能正常工作。 一旦正常工作后， VDD 小于 时也能正常工作，我们称 为启动电压。 关闭时的顺序：随着 VDD 电压的下降，当 VDD 的电压小于 时，又会出现欠压保护，这时比较器输出低电位，没有 +5VR 电压输出，这样导致后面没有脉冲输 出，电源就不能正常工作。 123 V o u t V i n 1V i n 2 图 31 欠压锁定置换比较器 基准电压源 带隙基准电压源 基准源电路广泛的应用于各种模拟集成电路，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。 内部稳压源电路提供稳定的偏置电压或作为基准电压。 一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定，而且这个直流电平应该对电源电压和温度不敏四川理工学院本科毕业（设计）论文 12 感。 由于基准源的精度与温度有关，提高精度必须降低温度系数。 带隙基准可以再 0— 70℃的温度范围内有 10ppm/℃的温度。 图 32 给出了带隙基准的原理。 由室温下温度系数为 ℃的 pn节二极管 产生电压 BEV。 同时也产生一个热电压 tV ，其与绝对温度成正比，室温下的温度系数为+℃。 如果电压 tV 乘以常数 K 加上电压 BEV ，则输出电压为： tBEBEF KVVV  （ 31） 双极性晶体管中的集电极电流密度的关系： )V/Ve x p ()WB/nqD(J tBEponC  （ 32） 其中： CJ =集电极电流密度 pon =基区电子平衡浓度 nD =电子的平均扩散常数 平衡浓度 ： A21po N/nn  （ 33） 其中： )V/Ve x p (DTn tGO321  （ 34） D 是与温度无关的常数， GOV 时带隙电（ ） 得到下面集电 极电流密度的方程式： )V/)VVe x p ((DT)WN/qD(J tGOBE3BAnC  )/)VVe x p ( (AT tGOBEr  （ 35） 在上式中，与温度不相关的常数合并成单一的常数 A。 由于 Dn 依赖于温度，温度系数 r 稍微偏离 3。 因此 BEV 的关系式为： 代信敏： PWM 芯 片设计及在开关电源中的应用 13 )J/Jl n ()q/kT()T/Tl n ()q/r k T()T/T(VT/VV COC00B E O0BE  (36) BEV 与温度的关系为： )q/k)((T/)VV(TT|dT/dV 0GOBE0BE  (37) 300K 时， BEV 关于温度的变化约为 ℃。 BEV 提供负温度系数的基准电压。 BEV 提供温度系数的基准电压。 )J/Jl n ()q/kT(VVV 2C1C2BE1BEBE  (38) )J/Jl n ()T/V(D/Vd 2C1CttBE  (39) 为了在 T0 时达到零温度系数， BEV 和 BEV 的变量加起来必须为 0 V beKVt 发生器Vt123相加器V r e f = V b e + K V tTT 图 32 带隙基准电路图 普通可调直流基准源 TL431 的介绍 TL43l 是 — 36V 可调式精密并联稳压器。 它属于一种具有电流输出能力的可调基准电压源。 其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。 阴极工作电压 VKA 的允许范围是 2． 50～ 36V，极限值为37V。 阴极工作电流 IKA=l～ 100mA TL431 主要包括 4 部分：①误差放大器 A，其同相输入端接取样电压 VREF，四川理工学院本科毕业（设计）论文 14 反相输入端则接内部 2． 50V 基准电压 Vref，并且设计的 VREF=VRRef；②内部2． 50V(准确值为 2． 495V)基准电压源 Vref；③ NPN 型晶体管 VT，在电路中起调节负载电流的作用；④保护二极管 VD，能防止因 K— A 间电源极性接反而损坏芯片。 其内部电路结构如图 33 所示。 AVT VDAKV R E FV r e f 图 33 TL431 内部原理电路 TL431 的电路图形符号和基本接线如图 34 所示。 R3R2R1AKVO+_Vi 图 34 TL431 的电路图形符号和基本接线如图 它相当于一只可调齐纳稳压管，输出电压由外部精密电阻 R1 和 R2 来设定，有公式：   211 RRVVV R E FKAO （ 310） 图中 R3 是 IKA 的限流电阻。 选取 R3 阻值的原则是，当输入电压 Vi 为最小值时必须保证 100mA≥ IKA≥ 1mA，以便使 TL431 能正常工作。 TL431 的稳压原理可分析如下：当由于某种原因致使 Vo 升高时，取样电压vref 也随之升高，使 VREFVref，比较器输出高电平，令 VT 导通， Vo ↓。 反之，代信敏： PWM 芯 片设计及在开关电源中的应用 15 Vo 下降→ VREFVref→比较器再次翻转，输出变成低电平→ VT 截止→ Vo 上升。 这样循环下去，从动态平衡的角度来看，就迫使 V。 趋于稳定，达到了稳压目的，并 VREF=Vref。 芯片 TL431 主要是在开关电源 芯片中作的直流稳压基准为内部一些器件提供基准电源。 在芯片电路中，内部应用的直流基准电压主要有 ,3V 和。 则TL431 的电阻比例计算并设置如下： 据公式 315 且在电路中 VREF= 可得 , ： R1/R2=62/25，在内部电路图中体现为 R1=62 ,R2=25 ： R1/R2=11/25，在内部电路图中体现为 R1=11 ,R2=25 3V： R1/R2=1/5，在内部电路图中体现为 R1=10 ,R2=50 ：因为 TL431 能产生的最小基准电压为 ，因此在电路图中先将R1 处短路，产生 的基准电压后，再进行电阻分压，此时的外接电阻为 R3和 R4，输出电压从 R3 处引出，则电阻设置为 R3=3 ,R4=7。 电压调节器 电压调节器是一种被广泛使用的器件，其输入是不稳定的直流电压，输出可作为其他电路的供电电压。 依靠这种方式，电压源的波动可从本质上被消除，其结果通常提高由此类电源驱动的电路的性能。 图 35 是电压调节器的原理图。 稳定电压 VR 由带隙基准源产生。 稳定电压加在高增益放大器的非倒相输入端，并与由电阻 R1 和 R2 采样的输出电压比较。 这是一个串联 — 并联反馈结构，对大环路增益，有 2R/)2R1R(*VRV r e f  (311) 四川理工学院本科毕业（设计）论文 16 改变 R1/R2 的比例可以改变输出电压。 图 35 所示的放大器为高性能放大器。 特别重要的性能是低漂移和低失调，它们能使输出电压 refV 尽可能的稳定。 串联 — 并联反馈电路使电压调节器有较高的输入阻抗，减小了负载效应。 电压调节器要求输出阻抗较小。 123R2R1V D DVRV r e f 图 35 电压调节器 振荡器 振荡器原理 振荡器部分需要产生一个设 定开关频率的时钟信号。 本设计选定了外接 RC的振荡器形式，电路如图 36 所示。 RtSRQV r e f2 .5 V0 .7 5 V123123 图 36 振荡器时钟信号电路 用一个电阻 Rt 通过 Vref 给电容充电，用两个比较器把电容上的电压和两个参考电压相比较，参考电压分别设为 和。 用一个电流源连在电容上代信敏： PWM 芯 片设计及在开关电源中的应用 17 起放电开关的作用。 当电容电压超过 时，电容通过电流源放电。 当电容电压低于 时， MOS 管关断，电流源不起作用，电容继续被 Vref 充电。 电流源放电电流很大，放电时间相对于一个时钟周期是非常短的。 这样电容上的电压就是一个有 峰 峰值的 锯齿波。 RS 触发器的输出就是时钟信号，时钟周期约等于充电时间而电容电压 RCt/  计算可得充电时间约为。 电容的放电时间必须足够短，才能达到最大的占空比。 该设计中最大占空比要达到 99%，因此放电时间必须低于一个时钟周期的 1%。 振荡器电路 RS 触发器的电路图如图 37 所示，当 R 输入电压为 5V 时，输出跳变到低电平；同理，当 S 输入电压为 5V时，输出跳变到高电平。 N P N P2 两个反相器组成的正反馈电路起到锁定、稳 定信号的作用，带有毛刺、不太稳定的经我们在输出端还需添置一个反相器，从而保证输入输出逻辑的正确性。 P1 P2N1 N2G N DRSV r e fQ 图 37 RS触发器电路图 比较器 1 的电路图如图 38 所示，其共模输入电压是。 因此采用 PMOS差分对的输入级。 因为振荡器放电时下降速度比较快，所以比较器 1 的延时需要尽量小。 输出用推挽结构。 在输出端，可吸入和供出的电流式偏置电流的 8 倍，增大了摆率。 四川理工学院本科毕业（设计）论文 18 V ou tV r e fCT 0. 75 VV bi a s 图 38 比较器 1电路图 比较器 2 的电路图如图 39 所示，其共模输入电压是 3V，因此采用 NMOS差分对作输入级 V r e fCT3VV bi a sV ou t 2 图 39 比较器 2电路图 放电电流源的电路图如图 310 所示，使用 PTAR 电流源，经过两路放大，得到大电流放电。 mA8R/2lnV*10*15I tea r gd is c h  (312) V r e fCT 图 310 放电电流源电路图 代信敏： PWM 芯 片设计及在开关电源中的应用 19 电压误差放大器 电压误差放大器的正向端是电压调节器输出的 电压。 这是一个经典的运算放大器。 需要 90dB 的增益和 的增益带宽积。 如图 311 所示，电压误差放大器由运算跨导放大器和输出极组成。 运算跨导放大器是无输出缓冲极的运算放大器。 除输入和输出节点外，此放大器的其余所有 节点都是低租节点。 Q1 和 Q2 是对称的 NPN 管作为输入差分对， M2 和 M1是对称的 PMOS 晶体管。 PMOS 晶体管 M M2 的小信号电流由下式给出： dFB1Q1dM2dM i2/V*giI  (313) M3 与 M1 对称， M2 与 M4 对称，所以： 1dM2dM3dM4M iiii  (314) 运算跨导放大器的输出电压为： )r//r(i2V 6o4odout 。