基于原边反馈的反激式AC-DC 开关电源芯片研究

吴启琴，沈克强，赵俊霞，孙小羊，孟永益

（1.三江学院，南京 210012；2.中国大唐集团，南京 210046）

开关电源又称为开关变换器，是一种将电能进行高频化转换的设备。开关电源技术的发展，使得线性稳压电源逐步被替代，开关电源在实际的工作过程中，是利用控制驱动电路来调整功率开关管的开与关的工作状态。开关电源是属于一种高效能的电源，该技术的推广运用促进了稳压电源的大力发展，因其具有变换效率高，功耗低等优势，现今运用的范围较广泛，已在电源市场上占据着主导地位，此外，其发展及运用不仅为国家节省了大量铜、钢材料和自然界中的不可再生资源，而且极大程度上降低了电源周边环境的温度，有助于改善设备的工作环境。

从20 世纪70 年代起，开关电源的设计不断推陈出新。在产品应用的初期，因开关频率低、可靠性差的缺点，所以限制了其使用范围，后期的开关电源就针对上述缺点对其性能不断加以改进。现今大功率场效应管（MOSFET）及绝缘栅晶体管（IGBT）等器件的崛起，为开关电源的高频化打下了良好的根基。后期的开关电源技术因高效率、绿色化、高可靠性和安全性的特性，所以运用到绝大部分的电子设备及产品中。由此可见，电源系统在电子信卢产业中起着关键性的作用。

对比于传统相控电源，AC-DC 变换器利用了开关管的高频整流电源特性，这属于技术上的发展，不但可以较为方便地获得不同等级的电压，而且还可替换掉相控电源中较重的高频变压器及滤波电容和电感，获得了质的飞跃。同时因采用高频功率转换技术及器件，使得电源装配的大小和重量在极大程度上获得减小，从而可以与电子产品的主机体积相匹配，并改善了电源的各项性能。因开关电源是现代AC-DC 变换器中的核心部件，所以人们对其要求也在不断提高，现今正以轻巧性、高频化、高可靠性和数字化等作为发展的趋势。

1 反激式AC-DC 转换器的系统研究与设计

本课题中的这款芯片具有恒压和恒流2 种工作模式，采用了原边反馈技术，省去光电耦合器件的使用，对整体电路进行了简化，从而缩小了体积且降低了成本。此款反激式AC-DC 转换器，交流电压输入值在85～265 V 之间，系统因采用PWM/PFM 调制方法，所以使其工作效率得到提升。在反激式AC-DC 电源芯片系统中又设计了多种保护电路，包括过温保护电路、欠压锁定电路等，从而使芯片处于正常的工作状态，进一步使电路的可靠性获得提升。此款芯片在智能手机、平板电脑及数码相机等电源适配器中运用较多。

1.1 反激式AC-DC 变换器的性能指标

此款芯片实现了恒流/恒压输出的功能，并处于不连续导通模式下工作，其中，反馈信号由辅助绕组来获取，而原边电感上的电流由检测电阻进行采样反馈。综上可知，2 种反馈无论是哪种，均不是从输出端直接进行获取，从而在输出信号方面的耗损得到降低，获得更精准的采样精度，其具体的性能指标见表1。

表1 反激式AC-DC 转换器的性能指标表

图1 的芯片系统框图共有6 个引脚，即VDD 引脚：电源输入脚，为芯片系统整体供电；RC 引脚：用来控制系统的最小工作周期即最大工作频率，还为反馈电压提供线补；FB 引脚：在辅助绕组上，输出电压值通过分压网络进行采样及反馈，得到VFB 值，并将其加至误差放大器的负相端；CS 引脚：对原边电流值进行检测，且其值对输出会产生很大程度的影响；ED 引脚：驱动控制开关管工作状态的引脚，当ED 为低电平时，原边电感处于励磁状态，ED 为高电平时，副边电感处于放电工作中；GND 引脚：芯片接地。

图1 反激式AC-DC 变换器的系统框图

1.2 反激式AC-DC 变换器的系统框图

此次设计的芯片系统主要分为3 大模块进行研究设计，分别为芯片内部基本电路设计，仿真、芯片中的保护电路设计与仿真和芯片内部功能电路研究与设计，其中芯片内部基本电路包括带隙基准电路、振荡器、参考电压产生电路及两级运放电路；另外，芯片中的保护电路包含过温保护电路、欠压锁定电路、复位置位电路及峰值电流检测电路；芯片内部功能电路含有RC 循环定时电路、线缆补偿电路、恒流恒压切换模块及谐振谷底检测电路，现对系统结构图中的部分功能块介绍如下。

基准电压为芯片系统中的误差放大器和参考电压产生电路等供给基准电压，同时为其余的单元电路供给偏置电压，来保障系统处于正常工作状态。

振荡器主要形成具有固定频率的方波波形，该方波将给芯片中的部分模块提供工作所需的频率，可通过分频模块或直接来供给。

前沿消隐电路是用来消除尖峰的。当开关管刚导通时，CS 上易产生一个电流尖峰，此尖峰电流的值与原边绕组中的多余能量及开关结点上的寄生电容数值相关，此尖峰电流在流经原边电流检测电阻，会在其上形成类似于毛刺的信号。而本文所采用的是峰值电流法控制开关管的关断，因此尖峰电流较大会使得峰值电流控制电路以为这时的电流已达峰值，进而使开关管产生误判断而处在关断工作态，所以需要将此尖峰电流屏蔽掉。

启动电路：当VDD 引脚上的电压到达预先设定值，那么启动电路便开始工作，产生控制信号使其他模块处于正常工作状态，其为常规电路。

斜坡检测电路：主要是用于检测消磁结束后反馈电压斜率发生变化的位置，同时还可表示谐振谷底的位置，其为常规电路。

RC 循环定时电路：对开关管的最小导通时间即最大工作频率起决定性作用。

线缆补偿电路：因AC-DC 变换器利用的是原边反馈，所以会存在线缆压降情况，此电路就是为了解决上述情况。电缆上的压降与负载上的电流值有关，线缆补偿电路中会产生随负载电流变化的电压，其对导线上所损耗的电压进行补偿。当系统处于恒流模式下，负载上流过的电流不变且其值很高，若是处于恒压状态下，负载上流过的电流会快速下降，那么系统线缆上必然会存在压降，进而会对系统输出电压的精度产生影响，而通过该电路来为电子电路中电线上损耗的电压给予偿还，使恒压输出精度获得提高。

恒流/恒压切换模块电路：恒流环路中的反相端接反馈的电流信号Vcc，同样恒压环路中的负反馈输入端接Vcv，而同相端各自接不同大小的参考电压，两误差放大器的输出连接在一起，作为芯片系统的控制电平Vcom。若Vcom 的值较大，则开关的导通时长就较长，反之则较短。当恒压环路采样到的信号VCV＜＜1.44 V，而此时相应的恒流环路采样到的信号VCC≈1.25 V，开关电源芯片将处在恒流状态下；当恒压环路采样到的信号VCV≈1.44 V，而此时相对应的恒流环路获取到的信号VCC＜＜1.25 V，可见，当前开关电源芯片处在恒压状态下。

谐振谷底检测电路：功率开关管断开时，副边电感上耦合的能量全部释放即其上电流降为零时，磁励电感、漏感和功率开关管漏极电容会形成LC 谐振电路，此时采用谐振谷底检测电路可较为精准地检测出谐振时的谷底位置，在此位置处使开关管工作在开通状态下，可极大程度上降低开关损耗，则系统整体效率将获得提升。

开关电源系统中还包括保护电路及控制电路等功能块。若电源电压相比于原先预定值低，此时在欠压锁定电路作用下，变换器电路将暂时停止工作，待电源电压比设定值高时，系统才会恢复正常工作，该电路的存在使芯片系统避免在电源电压过低情况下，输出错误信号。每个工作周期内，系统中原边采样电阻上流过的最大电流因峰值电流检测电路的存在而受限，从而避免了功率开关管中因流经过大的电流而毁坏。若是电路中的温度处于过高情况下，过温保护电路会暂时断开开关，直到再次给启动信号，系统才能处于正常工作中，从而使芯片在过温时不被损坏，起到保护电路的作用。当芯片正常工作时，对电路中的数字电路部分进行置位，当电源电压过低时，对电路起复位作用。此外，系统中的控制电路用于调控整个系统中各个单元模块的工作，并方便本芯片和其外围电路之间的协调工作。

2 反激式AC-DC 变换器的系统设计

此款芯片是采用原边反馈技术进行工作的，所以芯片未使用光耦器件，减少了外围电路研发的工作量，同时该芯片控制系统更加的轻巧，相应地减低了其成本。此款开关电源芯片系统拥有较长的使用寿命、较高的可靠性和较强的稳定性等优势，此处采用的是电流控制模式，该芯片系统的具体电路原理如图2 所示。

由图2 可见，交流的输入电源信号首先会经由整流滤波后产生具有纹波的直流信号，在刚开始加入交流市电时，由于功率开关管Q 处在关断状态，此时之前产生的直流电压将经过R0 为C4 充电，若是C4 两端上的压降超过芯片工作的阈值电压，芯片内各个模块电路将处于正常工作状态。电路系统中的C1、C2 和L 构成了π 型LC 滤波电路。电路中Rcs 上的电压就可以反映原边电感电流的大小，此处的Rcs 值仅0.1 Ω。电路中的变压器是为了将前面产生的原边直流电压耦合到副边的输出端。辅助绕组Na 是为了在V0 发生变化时，对V0 值进行采样，并且利用R1 和R2 对其进行分压，进而产生反馈信号，此信号反映了输出信号的大小。电路系统中开关信号的占空比随着采样到的输出电压或电流的变化而变化，从而使输出趋于稳定。Q 处于导通工作，原边电感便进行能量存储，因为原边与副边的电感极性相反，所以二极管D7 工作在反偏截止，Cout 为Rout 供能，而VDD 引脚上的电压由C4 为其提供；若Q 工作在关断下，变压器原边电感将不再进行储能，感应电动势反向，此时Np 将之前存储的能量传递到Ns 和Na 上，此时D7 导通，副边电感进行放电，将能量传送给Cout 及Rout，对Cout 在之前开关导通时所消耗的能量给予补偿。

图2 AC-DC 反激式开关电源的系统工作原理图

系统中的RCD 吸收回路由R3、C3 和D5 组成，主要起到吸收原边的漏感能量，减小电磁干扰的作用。当功率管关断时，因初级侧电感的漏感中存储了一定的能量，其漏端电压会急速上升，所以需将漏感上的能量及时释放掉，否则会因功率管漏端过高的电压而致使功率管损坏。功率管漏端电压由RCD 吸收回路中的D5进行钳位，开关将工作在导通态，C3 上的能量由R3 进行释放。同时R3 的值比较大，可消耗大部分漏感能量，从而使开关管漏极尖峰电压降低，对开关管Q 起到保护作用。D8 和R4 是为了给开关管工作在导通状态时，其基极上提供电流，使其稳定的工作。Rc 和Cc组成了RC 循环定时电路，通过内部电路控制其充放电，进而将开关电源的工作频率进行改变，同时采样电容上的电压也将对电缆上消耗的电压进行补偿。输出端的整流滤波电路由D7 和Cout 组成，由此可获得较稳定的输出电压，其中D7 为整流二极管，Cout 为滤波电容。

2.1 反激式AC-DC 变换器的工作模式

此次设计的开关电源芯片处在断续导通的工作模式下，设原边线圈和副边线圈上的匝数分别为Np、Ns，其一个工作周期T 可划分为3 个工作区：开关管开通时间T1；退磁时间T2，即次级电流降为零；死区时间T3，即T2 后到开关管再次导通的时间。由此可见，Ns上的电流在开关管关断前就已降低到零。起始阶段中，开关管处在T1 工作状态，经过滤波整流后的输入直流电压为Vi，假设原边及副边电感值分别为Lp、Ls，此时Lp 上进行能量储存，Lp 上的电流Ip 将呈线性的增长趋势，而副边的D 处在截止工作态，所以原边电感上的峰值电流Ipeak 为

T1 阶段之后，开关管将关断，Lp 上之前所存的能量将传送给Ls，而Ls 上因电动势反向，使得二极管D导通工作，将能量传给输出电容及负载电阻，从而有Ls 上的电流Is 开始从最大值线性下降，因处于电流断续工作模式，所以Is 降至0 后还需经过一段时间，开关管才会再次导通。

此时输出电流为

在开关管导通时，存储在变压器上的能量为

在一个周期内，变压器中输入的能量将全部在输出端进行释放。假设开关电源的总周期为T，那么输出负载Rout 上消耗的功率P0 为

P0 又可通过输出电压与负载电阻的函数表达式为

整理可得

化简后得

又因为T1=T·D，T=1/f，其中D 为占空比，f 为开关电源系统的工作频率，所以输出电压受原边电感大小、输入电压值、开关电源的占空比大小、系统的工作频率及负载电阻变化的影响。由式（7）可知，负载电阻的变化和系统工作频率成反比关系，若是输入电压值和原边电感值固定不变，则需调节占空比，并通过系统的工作频率调整来使负载的变化得到调节，从而使输出电压稳定。

2.2 芯片外围部分器件的选择

外围图参考图2，电容Cbs 是耦合电容，其作用是在初始化阶段时将FB 脚电压抬升至1.84 V，此直流电压由内部的偏置电路提供。因电容Cbs 上的电荷量保持不变，从而使得FB 脚的电压大于零，有利于电路的处理。此外，Cbs 的耦合作用使得FB 引脚电压随着Na上电压的变化而变化，一般Cbs 的取值为47nF±20%；采样电阻Rcs 一般都较小，此处选择的是100 mΩ；分压电阻R1 是R2 的40 倍，一般R2 为115～135 Ω，R1 为4.6～6.4 kΩ；Cc 一般取220 pF～2.2 nF，Rc 取60～70 kΩ，具体值根据应用的情况及实际制作的误差进行调整。

输出滤波电容Cout 的选取：在反激式拓扑结构中，输出电容可进行能量的存储。若是开关管处于导通工作时，输出电容可为负载供电，从电容的储能功能进行分析，由能量守恒定律可知

又因T1=T·D，T=1/f，所以可化简为

此次设计综合考虑后所取的Cout 范围为200～400 uF。

3 系统整体电路仿真验证

本文完成了具有恒流、恒压输出的反激式AC-DC变换器的设计，并基于上华CSMC0.5 μm 和TT 工艺，在27 ℃，输入交流电压220 V 条件下，通过添加外围电路对本文所设计的芯片进行全仿真来验证其整体性能和输出特性。

3.1 芯片引脚波形仿真与验证

由图3 可知，FB 脚反馈输出电压包含3 种工作状态：原边充电、副边放电及原边谐振；CS 脚反映原边电流的值，其值是朝负值方向增大；ED 脚用来调节开关管的开通与关断，当其为低电平时，处于正常开通状态，反之则关断；RC 脚实现定时功能和线缆补偿功能，由图3 可知芯片各引脚可正常工作。此外，在刚开始工作期间，开关的周期较大，输出电平开始逐渐抬升，而伴随着工作时间的增长，输出值将逐渐趋于稳定。由于频率的不断变化，开关管的导通时间也会随着工作过程的进行而不断发生变化，从而实现了PWM/PFM 混合调制。

图3 芯片引脚仿真波形图

3.2 系统恒流性能的仿真与验证

按照芯片的设计要求，负载从0.5 Ω 到5 Ω 时，电路工作处在恒流模式。若负载超过5 Ω 后，系统则处在恒压工作中。本次设计选择负载等于2.1 Ω 时，对芯片的系统进行恒流环路仿真验证，仿真波形图如图4 所示。

图4 系统恒流模式下输出波形图

从图4 中可以看出：给电路加了2.1 Ω 的负载之后，系统电路的输出电压从开始的不断增大到最终稳定在约2.19 V，因为输出滤波电容的作用，所以输出的电压值会发生波动，其纹波为0.09 V，相当于输出电流为1.04 A，输出电流的纹波为0.03 A，纹波约为输出的±2.9%，满足系统恒流的指标要求。

3.3 系统恒压性能的仿真与验证

选择负载等于50 Ω 时，对芯片的系统进行恒压环路仿真验证。从图5 中可以看出：系统电路的输出电压从开始的不断增大到最终稳定在约5.01 V，输出电压的纹波接近0.19 V，纹波约为输出的±3.8%，满足系统恒压的设计指标要求。

图5 系统恒压模式下输出波形图

3 结论

本文所设计的一款反激式AC-DC 变换器，输入交流电压范围为85～265 V，内建5 MHz 频率的振荡器，其系统的工作效率通过电流控制型PWM/PFM 调制方式得到提高。本次芯片系统设计采用的是CSMC 0.5 μm工艺，基于Cadence 平台进行电路设计与仿真，然后对该电路进行了仿真验证，此款开关电源系统不再使用光耦器件，进而节约了成本。本文最后对开关电源系统的整体电路进行了仿真验证，结果符合设计指标要求。