用于AC／DC開(kāi)關(guān)電源芯片的片內(nèi)電源電路

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于AC／DC開(kāi)關(guān)電源芯片的片內(nèi)電源電路。該電路輸入電壓范圍110V～220V，輸出電壓穩(wěn)定在約5．8V。本電路僅在開(kāi)關(guān)電源芯片中功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷的半周期，通過(guò)高壓JFET抽取外部電源電能給儲(chǔ)能電容充電，來(lái)維持輸出電壓的穩(wěn)定，具有輸入電壓范圍廣，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。通過(guò)HSPICE仿真實(shí)驗(yàn)，取得預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞：片內(nèi)電源；AC／DC開(kāi)關(guān)電源；低功耗

    片內(nèi)電源電路是集成在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的電源模塊。其作用主要是從外部電源(例如220V市電)中獲取電能，并把能量轉(zhuǎn)化芯片內(nèi)部其它模塊可接受的穩(wěn)定直流電平，給內(nèi)部其它模塊供電。目前，片內(nèi)電源在紋波幅度、調(diào)整范圍、功耗等技術(shù)指標(biāo)上還不能達(dá)到外部電源的水平，但是，片內(nèi)電源具有設(shè)計(jì)指標(biāo)靈活、成本低廉、可集成等外部電源不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，片內(nèi)電源將會(huì)成為未來(lái)電源的另一個(gè)發(fā)展方向。

1 電路結(jié)構(gòu)及功能分析
    如上圖1所示，是本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用于AC／DC開(kāi)關(guān)電源芯片的片內(nèi)電源電路整體結(jié)構(gòu)。Vin為片內(nèi)電源電路的輸入端口，220V的交流電源經(jīng)過(guò)半橋整流濾波后通過(guò)此端口輸入。BP為片內(nèi)電源電路的輸出端口，輸出一恒定電壓Vout為AC／DC開(kāi)關(guān)電源芯片的其它子模塊供電。Cate為AC／DC開(kāi)關(guān)電源芯片中功率MOSFET柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)，為高時(shí)功率MOSFET導(dǎo)通，為低關(guān)斷。輸入檢測(cè)信號(hào)為本片內(nèi)電源電路的欠壓保護(hù)信號(hào)，當(dāng)Vin低于110V時(shí)片內(nèi)電源停止工作對(duì)開(kāi)關(guān)電源芯片進(jìn)行保護(hù)。
    在AC／DC開(kāi)關(guān)電源芯片工作過(guò)程中，每個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)片內(nèi)電源模塊輸出電壓Vout進(jìn)行檢測(cè)，如果輸出電壓低于設(shè)計(jì)要求，并且開(kāi)關(guān)電源芯片其它保護(hù)模塊輸出正常的情況下，在Gate為低的半周期對(duì)輸出端電容C0充電，直到輸出電壓滿足設(shè)計(jì)要求，停止充電，從而使輸出電壓保持恒定。本功能由上圖1所示的充電控制部分和模擬充電部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。充電控制部分包括：輸出電壓檢測(cè)模塊，數(shù)字邏輯控制模塊。模擬充電模塊包括高壓JFET，MN1，MN2，電阻R0，儲(chǔ)能電容C0。

    充電控制模塊是本電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)難點(diǎn)，其具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下：
1．1 輸出電壓檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)
    輸出電壓檢測(cè)模塊電路如下圖2所示，BP端輸出電壓Vout經(jīng)過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后產(chǎn)生3路輸出D1，D2，D3，這三路輸出分別輸入到COM2，COM1，COM3三路比較器中，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。COM1輸出欠壓信號(hào)A5，欠壓為高，不欠壓為低。COM2輸出過(guò)壓信號(hào)A6，過(guò)壓為高，不過(guò)壓為低。COM3的輸出控制泄流支路，當(dāng)Vout(BP電壓)高于7V時(shí)，給電容C0提供一條泄流通路，使BP電壓低于7V，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。

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1．2 數(shù)字邏輯控制模塊的設(shè)計(jì)
    數(shù)字邏輯控制模塊電路如下圖3所示，A5，A6為輸出電壓檢測(cè)模塊對(duì)BP端口電壓檢測(cè)后輸出的欠壓信號(hào)，過(guò)壓信號(hào)；A7為A5，A6經(jīng)過(guò)寄存器后產(chǎn)生的中間信號(hào)，X1為輸入電壓的檢測(cè)信號(hào)，正常為低，當(dāng)輸入電壓過(guò)低(X1為高)時(shí)，片內(nèi)電源停止工作對(duì)開(kāi)關(guān)電源芯片進(jìn)行保護(hù)。

    Gate為AC／DC開(kāi)關(guān)電源芯片中功率管的柵控制信號(hào)，本片內(nèi)供電模塊僅在功率管關(guān)斷的時(shí)間進(jìn)行充電。Regulator為過(guò)壓欠壓邏輯單元模塊的輸出信號(hào)，它來(lái)控制模擬充電部分對(duì)儲(chǔ)能電容充電。片內(nèi)電源在從上電到系統(tǒng)穩(wěn)定需要經(jīng)過(guò)以下三種工作狀態(tài)：
    ①狀態(tài)1：儲(chǔ)能電容電壓Vout低于4．8V過(guò)壓欠壓電路的輸出A5=1，A6=0經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器，得出A7=1，上支路的輸出為1于是Regulator信號(hào)輸出由上支路決定，始終為0。儲(chǔ)能電容從0充電會(huì)一直充至4．8V而不受各內(nèi)部信號(hào)的影響。
    ②狀態(tài)2：儲(chǔ)能電容電壓Vout充至略大于4．8V。
    過(guò)壓欠壓電路的輸出A5，A6由狀態(tài)1的10轉(zhuǎn)換成00。此時(shí)RS觸發(fā)器為保持狀態(tài)，于是A7保持為1，上支路的輸出由1變?yōu)?。此時(shí)Regulator由下支路決定，若X1=1(輸入電壓Vin過(guò)低)，Regulator=1(不充電)；若X1=0(輸入電壓Vin正常)，則Regulator由Gate信號(hào)決定。所以儲(chǔ)能電容達(dá)到4．8V后，若X1信號(hào)為1，儲(chǔ)能電容將不再充電。若X1信號(hào)為0，儲(chǔ)能電容在功率管關(guān)斷周期充電，可充至5．8V。
    ③狀態(tài)3：儲(chǔ)能電容電壓由Vout由繼續(xù)升高，大于5．8V時(shí)。
    當(dāng)狀態(tài)2最后一種情況Regulator由Gate決定，Vout充電至大于5．8V時(shí)。過(guò)壓欠壓電路的輸出A5，A6由狀態(tài)2的00轉(zhuǎn)換成01。經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器A7信號(hào)要改變?yōu)?，下支路A7與X1的與非使得X1對(duì)Regulator無(wú)影響，A6經(jīng)過(guò)反向器后的0信號(hào)使得Gate對(duì)Regulator也沒(méi)有了影響。此時(shí)Reg ulator輸出完全由A5，A6，A7來(lái)決定，輸出為1(不充電)，直到儲(chǔ)能電容的電壓回落至5．8V以下。

2 仿真結(jié)果
    仿真條件：本文采用CSMC 700V BCD工藝庫(kù)和HSPICE進(jìn)行仿真，Vin電壓從0V上升到300V，然后維持穩(wěn)定。

    仿真結(jié)果如右圖4所示：當(dāng)Vin從0V上升到300V的過(guò)程中，A5，A6狀態(tài)從10轉(zhuǎn)換到00再轉(zhuǎn)換到01，當(dāng)芯片穩(wěn)定工作時(shí)其在00，01之間轉(zhuǎn)換從而維持輸出穩(wěn)定在5．8V，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一種新型的片內(nèi)電源電路，具有功耗低，輸入電壓范圍廣，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。適用于各種開(kāi)關(guān)電源芯片進(jìn)行片內(nèi)供電。通過(guò)電路仿真，本電路設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。