一種集成軟啟動(dòng)功能的頻率抖動(dòng)技術(shù)

隨著開關(guān)電源開關(guān)頻率的不斷提高，其高頻開關(guān)信號(hào)中的大量諧波成分會(huì)通過傳輸線和空間電磁場(chǎng)向外傳播,從而會(huì)造成不可忽視的傳導(dǎo)和輻射干擾問題，因此，如何解決電磁干擾(EMI)已成為開關(guān)電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。頻率抖動(dòng)技術(shù)(FrequencyJitter)是一種從分散諧波干擾能量解決EMI問題的新方法。它是指開關(guān)電源的工作頻率并非固定不變,而是周期性地變化來減小電磁干擾的一種方法。

同時(shí)，在開關(guān)電源脈寬調(diào)制的啟動(dòng)階段，大的占空比會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，使得輸出電壓迅速升高，導(dǎo)致輸出電壓過沖，從而導(dǎo)致電源芯片的損壞。而軟啟動(dòng)電路則會(huì)在啟動(dòng)階段通過控制電感電流由小到大逐漸上升，使得輸出電壓穩(wěn)步變化，從而避免浪涌電流和過沖電壓的出現(xiàn)。

本文介紹的頻率抖動(dòng)技術(shù)并不是釆用復(fù)雜的分頻電路控制，而是利用對(duì)固定電容充放電所形成的電壓信號(hào)來改變振蕩器電容的充放電電流，從而改變振蕩器的頻率。在芯片剛開始啟動(dòng)的時(shí)候，也可以釆用對(duì)此固定電容進(jìn)行充電所產(chǎn)生的斜坡電壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。

1  信號(hào)產(chǎn)生電路的分析

集成有軟啟動(dòng)功能的頻率抖動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路如圖1所示。其中的信號(hào)產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生芯片剛上電時(shí)的軟啟動(dòng)電壓信號(hào)和軟啟動(dòng)結(jié)束后的頻率抖動(dòng)電壓信號(hào)。

在圖1所示的頻率抖動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路中,V_BLAS是恒流源的偏置電壓,CONTROL3在芯片剛開始工作時(shí)為高電平.CONTROL4在芯片正常工作時(shí)一直為高電平,CONTROL2在芯片正常工作的時(shí)候一直為低電平。所以，在芯片軟啟動(dòng)時(shí)，M₂導(dǎo)通，M₁和M₃是關(guān)斷的。由于M₂是一個(gè)倒比管(W/L=9/40),電流很小。又知M₉導(dǎo)通，L_m2會(huì)分成兩部分流到和從而使管的柵源電壓為一個(gè)較低的值。WCONTROL1為高，所以M₁₅、M₁₆關(guān)斷，M₁₂和M₁₃形成正常的電流鏡關(guān)系，其中(W/L)₁₂=45/10,(W/L)₁₃=9/22,從而使得鏡像到M₁₃的電流減小。所以，在芯片剛上電時(shí),對(duì)電容C₁充電的電流會(huì)非常的小,V_C1將從0.9V(電路上電過程會(huì)給C₁設(shè)定一個(gè)初始值)開始緩慢的上升，當(dāng)V_C1到達(dá)4.1V左右時(shí),軟啟動(dòng)結(jié)束。在這個(gè)過程中，C₁上所產(chǎn)生的緩慢上升的斜坡電壓信號(hào)即為軟啟動(dòng)電壓信號(hào)。

當(dāng)軟啟動(dòng)過程完成后，右邊的數(shù)字控制模塊將產(chǎn)生頻率抖動(dòng)功能所需的使能信號(hào)，此時(shí)CON-TROL1和CONTROLS將跳變?yōu)榈停琈₁₄(W/L=6/4)、M₁₅(W/L=6/4)和M₁₆(W/L=9/5)導(dǎo)通，使M₁₂和M₁₃的柵極電壓上升到Vcc左右以關(guān)斷M₁₂和M_13.此時(shí)電容C₁的充電通路被關(guān)斷，放電通路打開，C₁開始緩慢的放電，V_C1為下降的斜坡信號(hào)。由于M₁(W/L=10/12)和M₂(W/L=9/40)都導(dǎo)通，使M₇的電流增大，此時(shí)鏡像到M₁₁的電流也相應(yīng)增大,使頻率抖動(dòng)時(shí)的放電電流比軟啟動(dòng)時(shí)的充電電流大,故可滿足頻率抖動(dòng)更短周期的需要。當(dāng)控制電路檢測(cè)到V_C1下降到1.8V時(shí)，CONTROL1跳變?yōu)楦?。此時(shí)M₁₅和M₁₆關(guān)斷，故M₁₂和M₁₃再次導(dǎo)通，電容C₁的充電通路被導(dǎo)通，放電通路關(guān)斷，使V_C1為上升的斜坡信號(hào)。當(dāng)V_C1達(dá)到4.1V左右時(shí),CONTROL1再跳變?yōu)榈汀Ｈ绱搜h(huán)，就可在C₁上形成頻率抖動(dòng)信號(hào)。使用TSMC 0.50 μm CMOS工藝庫對(duì)信號(hào)產(chǎn)生電路進(jìn)行HSPICE仿真的仿真波形如圖2所示。

從圖2中的仿真波形可以看出，V_C1從0.9V上升到4.1V用了17ms,軟啟動(dòng)完成后,V_C1為三角波信號(hào)，它將以高(4.1V)低(1.8V)閾值振蕩,其周期為3ms左右。

2  信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的分析

本系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。此電路可將圖1所示電路產(chǎn)生的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具體相關(guān)信號(hào)，如將軟啟動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為芯片工作模式控制信號(hào)，從而使外圍電感電流由小到大逐漸上升。同理,在軟啟動(dòng)結(jié)束后，再把頻率抖動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為振蕩器頻率的控制信號(hào)，以使振蕩器輸出頻率在一定范圍內(nèi)周期性變化。

當(dāng)軟啟動(dòng)開始時(shí)，由于外圍輸出電壓還未建立，沒有反饋信號(hào)到芯片內(nèi)部,V_C1經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的信號(hào)即為此時(shí)的反饋信號(hào)。軟啟動(dòng)數(shù)字控制模塊在軟啟動(dòng)開始時(shí)刻將輸出高電平以使M₇導(dǎo)通。由于V_C1電壓緩慢升高，又由于V_BIAS1、V_BIAS2是恒流源的固定偏置，所以，I_M5細(xì)逐漸減小,鏡像到M₆、M₈的電流也逐漸減小。而因V_BIAS1是恒流源，所以I_RQD逐漸增大。I_RQD即為直接控制軟啟動(dòng)的電流信號(hào)，在軟啟動(dòng)過程中，I_RQD將是影響功率管柵信號(hào)的主要因素，因?yàn)榇诵盘?hào)將改變芯片的工作模式(柵信號(hào)工作頻率范圍)，而且I_ZDQ的變化很微弱。

隨著V_C1緩慢升高，I_RQD逐漸增大，17ms軟啟動(dòng)可通過使柵信號(hào)從低頻PWM模式(30kHz)起，到變頻PFM模式再到全頻PWM模式(130kHz)逐漸改變，從而使漏極峰值電流和開關(guān)頻率呈線性從最小值增加到最大值的緩慢過程。這不僅能有效地將輸出MOSFET,鉗位電路和輸出整流器在啟動(dòng)時(shí)的電流和電壓應(yīng)力降至最低。而且還有助于使輸出過沖達(dá)到最小,故可以防止啟動(dòng)期間的變壓器飽和。

當(dāng)軟啟動(dòng)結(jié)束時(shí),V_C1上升到4.1V,軟啟動(dòng)數(shù)字控制電路經(jīng)檢測(cè)運(yùn)算后將輸出低電平,M₇被關(guān)斷。此時(shí)由于外圍反饋信號(hào)環(huán)路已經(jīng)建立，故其工作模式完全由外圍反饋信號(hào)決定。在軟啟動(dòng)結(jié)束時(shí)V_C1為4.1V,此時(shí)V_C1開始緩慢下降到1.8V,從而使I_M5逐漸增大,經(jīng)過M₅和M₈以及M₉和M₁₀鏡像后，I_ZDQ也會(huì)增大,I_ZDQ即是直接控制頻率抖動(dòng)的電流信號(hào)。在V_C1從4.1 V降到1.8V的過程中，振蕩器的頻率將從125kHz上升到135kHz。當(dāng)V_C1下降到1.8V后，它又會(huì)緩慢上升到4.1V,同時(shí)使I_ZDQ逐漸減小，所以，振蕩器的頻率將從135kHz降到125kHz。同樣，使用TSMC 0.50 μm CMOS工藝庫對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行HSPICE仿真的仿真波形如圖4和圖5所示。

圖4所示為軟啟動(dòng)時(shí)的功率管柵信號(hào)波形圖。從圖中可以看出，當(dāng)V_C1在1V時(shí)，功率管柵信號(hào)頻率在30kHz左右,此時(shí)芯片工作在低頻PWM模式；隨著V_C1逐漸上升，當(dāng)V_C1在1.7V時(shí),功率管柵信號(hào)的頻率在69kHz左右，此時(shí)芯片工作在PFM模式；當(dāng)V_C1上升到4.1V時(shí)，功率管柵信號(hào)的頻率在125kHz左右,此時(shí)芯片工作在全頻PWM模式。圖5為頻率抖動(dòng)的仿真波形圖,V_C1在4.1V時(shí),功率管柵信號(hào)的頻率在125kHz左右,V_C1在1.8V時(shí)，功率管柵信號(hào)的頻率在135kHz左右。頻率抖動(dòng)范圍為±5kHz。

3  結(jié)論

本文對(duì)帶軟啟動(dòng)功能的頻率抖動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了簡單介紹，分析了頻率抖動(dòng)和軟啟動(dòng)電壓信號(hào)產(chǎn)生電路的工作原理。同時(shí)也分析了電壓信號(hào)是怎么轉(zhuǎn)換成具體控制信號(hào)的。同時(shí)使用TSMC0.50fimCMOS工藝庫進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明，其與分析設(shè)計(jì)的結(jié)果基本一致。