抗干扰AC/DC开关电源芯片的研究与设计

杜　斌

(桂林长海发展有限责任公司军工事业部发射室，广西541000)



抗干扰AC/DC开关电源芯片的研究与设计

杜斌

(桂林长海发展有限责任公司军工事业部发射室，广西541000)

AC/DC开关电源转换器以其价格、效率、体积等优势在小功率电源领域得到了广泛应用。电脑、显示器、路由器、移动设备都离不开AC/DC开关电源[1]。经过数十年的发展，开关电源的功率、工作频率等都大幅提升，但是由于电源中的电流和电压不能突变，所以在交替过程中会产生功率损耗。研究表明，此损耗与频率成线性关系，因此电源工作频率越高，损耗也就更大。

近些年来，随着新能源技术的飞速发展，研发一种高效节能、使用年限长的电源芯片势在必行[2]。从需求来看，电源发展趋于智能化、集成化、数字化、微型化、高频化等方向[3]。本文基于AC/DC开关电源转换器的工作原理，设计了一种PFM型恒流恒压模式抗干扰AC/DC适配器。设计中发现误差放大器对整个电源芯片的精度影响很大，据此提出一种组合式的误差放大器。设置两条不同增益的误差放大电流，分别为40倍和400倍，将轻载到满载的电压输出降低到40 mV。减少了LEB结束与开关断开的时间差，使安全性能提高。经过试验测量，发现本电源芯片抗ESD能力达到10 kV，性能稳定。

图1　AC/DC开关电源电路结构Figure 1　Circuit structure of AC/DC switch power

1AD/DC开关电源工作原理

AC/DC开关电源输入信号为低频交流电压，输出信号为直流电压和电流，中间的转换过程通过整流电路和滤波器完成。由于开关电源极易受到干扰，一般都是隔离放置。电路内部还需要升压装置，故器件本身体积较大。

图2　电源芯片内部系统框架Figure 2　Inside system framework of power chip

其工作原理是[4]：交流信号首先经过桥式整流器和PFC功率校正器，再经过EMI滤波器变成类直流信号，随后经过升压装置进行耦合传输，开关导管完成信号输出。开关电源一次传递的能量由PFM控制开关的占空比确定，在输出端完成整流后实现AC/DC转换。其电路结构示意图见图1。

图3误差放大器电路

图4　改进的误差放大器电路图Figure 4　Circuit diagram of improved error amplifier

上述系统一般通过光耦合将输出的电压信号反馈给电源芯片，图1中的电压信号以原边反馈形式输出。电源芯片负责求出参考电压信号与反馈电源信号的误差，并通过误差放大器将其放大。此误差为控制系统工作频率和脉冲宽度的信号，直接决定占空比和传递能量的大小。

根据本文的相关要求，初步设置电流误差不超过10%，电压误差不超过5%，输出恒压电压的波动值小于0.2 V，电源转换效率不低于70%，电磁干扰裕量设置为6 dB，抗ESD能力达到8 kV以上。选用PFM型恒流恒压模式抗干扰AC/DC适配器，芯片内部系统框架见图2。

2芯片重要模块电路研究

芯片中至关重要的模块就是带隙基准电压源，其作为整个电路原始电压参考值，影响着整个系统的性能[5]。带隙基准电压源电路稳定后才能提供参考电压Vref，此电路的电压由VCC提供，变化范围在9 V ～18 V，工作环境欠佳。本文对其进行改进，将VCC的电压降低到 6 V。再通过高压管给芯片带隙基准电压源供电，这样可以使电压源较为稳定。改进之后，芯片核心电路不再需要高压管，会节省体积并降低制造成本。

低压线性差稳压源可以给芯片内部电路供电，并供给一些偏置装置。一般情况下，低压线性差稳压源的供电能力要求不低于2 mA，此为电路的满载电流。电流过低，低压线性差稳压源的电压将会降低，导致电路无法工作。

误差放大器可以提高输出电压精度，其系统电路见图3。

传统放大器的输出电压为：

(1)

图5　电源芯片典型应用电路连接Figure5　Typicalappliedcircuitconnectionofpowerchip

式中，VH为误差放大器的正端电位，V；Vref为误差放大器的负端电位，V；gm为跨导，S；R0为上电阻，Ω；VDC是DC端的电位，V。

表1　芯片系统板端实验数据Table 1　Test data of chip system plate terminal

为了增大芯片的控制范围，将输出电压的范围设置为1 V～5 V。重载时的输出电压取1 V，轻载时取5 V。将其进行折算，得到的输出电压偏差为：

(2)

式中，R1为下电阻，Ω；NS、Naus为电感，见图3。

由式(2)可知，传统芯片轻载与满载变化过程会出现0.2 V的电压差。为了克服这个问题，提出一种复合放大电路，其包含快、慢两条增益电路。在负载迅速变化时，快速通路作用；当系统接近稳定时，慢速通路作用。这样两个增益通路共同作用实现了电源芯片的高精度输出，从而保证了系统的稳定性。改进的误差放大器电路见图4。

3芯片系统测试

对AC/DC开关电源转换器芯片各个部分进行设计之后，最终得到的电源芯片含有5个pin脚，其典型应用电路连接见图5。

由图5可以看出，整个芯片所需要的电量都是由电容C提供。OUT是输出脚，可以控制开关管的连接与断开。对芯片系统进行测试，结果见表1。

为了满足不同国家的需求，芯片系统电压选择了90 V和264 V两种初始条件。从表1中的数据分析，线损补偿大约为10%，基本接近设计目标9%。整个系统补偿过程为类似线性补偿，最大波纹出现在电流为1050 mA时，为160 mV，小于200 mV的设计值。系统的转换效率约为74%，达到高效的要求。电源芯片抗干扰裕量为7.6 dB，大于设计值6 dB。气隙放电模式的系统能抵抗10 kV的ESD干扰。经测试，本芯片系统满足各项设计指标。

4结论

随着新能源技术的飞速发展，研发一种高效节能、寿命长的电源芯片势在必行。本文基于AC/DC开关电源转换器的工作原理，设计了一种PFM型恒流恒压模式抗干扰AC/DC适配器。讨论了带隙基准电压源、低压线性差稳压源、误差放大器等模块。设计中发现误差放大器对整个电源芯片的精度影响很大，据此提出一种组合式的误差放大器，设置两条不同增益的误差放大电流，分别为40倍和400倍，将轻载到满载的电压输出降低到40 mV。减少了LEB结束与开关断开的时间差，使安全性能提高。经过试验测量，发现本电源芯片抗ESD能力达到10 kV，最大波纹为160 mV，电源芯片抗干扰裕量为7.6 dB，且性能稳定。希望为今后AC/DC开关电源转换器的设计制造提供帮助。

参考文献

[1]邹爱萍. Buck型DCDC开关电源芯片工作原理分析[J]. 电源技术应用,2013(05):125-126.

[2]许幸,何杞鑫,王英. 新型高效同步整流式DC-DC开关电源芯片的设计[J]. 电子器件,2006(03):643-646.

[3]常昌远,姚建楠,谭春玲,等. 一种PWM/PFM自动切换的DC-DC芯片[J]. 应用科学学报,2007(04):433-436.

[4]应建华,张姣阳,方超. AC/DC开关电源中温度补偿电流源的设计[J]. 半导体技术,2007(11):980-983.

[5]周浬皋,李冬梅. 一种高动态性能数字DC-DC算法建模与芯片设计[J]. 电子器件,2010(04):399-402.

编辑杜敏

摘要：随着新能源技术的飞速发展，研发一种高效节能、使用年限长的电源芯片成为热点。基于AC/DC开关电源转换器的工作原理，发现误差放大器对整个电源芯片的精度影响很大。据此提出一种组合式的误差放大器，设置两条不同增益的误差放大电流，将轻载到满载的电压输出降低到40 mV。减少了LEB结束与开关断开的时间差，使安全性能提高。对本芯片进行试验测试，发现抗ESD能力达到10 kV，芯片性能稳定。

关键词：抗干扰；电源芯片；智能；误差放大

Research and Design of Anti-jamming AC/DC Switch Power Chip

Du Bin

Abstract：As rapid development of a new type power source technique, the highly efficient and energy saving power chip with longer life time has been researched and developed popularly. Based on working principle of AC/DC switch power transducer, it was found that error amplifier affected precision of the total power chip greatly, a combined error amplifier has been brought up in terms of this situation and further two sets of error amplified current with different increment have been designed to decrease voltage output to 40 mV from light load to full load that time difference between LEB end and switch cutoff has been reduced to raise security. ESD resistance of the chip was up to 10 kV and its property was stable by testing.

Key words：anti-jamming; power chips; intelligence; error amplifier

作者简介：杜斌(1983—)，男，助理工程师，设计师，研究方向为开关电源设计、电源芯片应用、电磁干扰等。

收稿日期：2014—08—26

中图分类号：TN6

文献标志码：A