用于AC／DC開關電源芯片的片內電源電路

摘要：本文設計了一種應用于AC／DC開關電源芯片的片內電源電路。該電路輸入電壓范圍110V～220V，輸出電壓穩(wěn)定在約5．8V。本電路僅在開關電源芯片中功率開關關斷的半周期，通過高壓JFET抽取外部電源電能給儲能電容充電，來維持輸出電壓的穩(wěn)定，具有輸入電壓范圍廣，電路結構簡單的特點。通過HSPICE仿真實驗，取得預期的效果。
關鍵詞：片內電源；AC／DC開關電源；低功耗

    片內電源電路是集成在半導體芯片內部的電源模塊。其作用主要是從外部電源(例如220V市電)中獲取電能，并把能量轉化芯片內部其它模塊可接受的穩(wěn)定直流電平，給內部其它模塊供電。目前，片內電源在紋波幅度、調整范圍、功耗等技術指標上還不能達到外部電源的水平，但是，片內電源具有設計指標靈活、成本低廉、可集成等外部電源不可比擬的優(yōu)勢。因此，片內電源將會成為未來電源的另一個發(fā)展方向。

1 電路結構及功能分析
    如上圖1所示，是本文設計的應用于AC／DC開關電源芯片的片內電源電路整體結構。Vin為片內電源電路的輸入端口，220V的交流電源經過半橋整流濾波后通過此端口輸入。BP為片內電源電路的輸出端口，輸出一恒定電壓Vout為AC／DC開關電源芯片的其它子模塊供電。Cate為AC／DC開關電源芯片中功率MOSFET柵驅動信號，為高時功率MOSFET導通，為低關斷。輸入檢測信號為本片內電源電路的欠壓保護信號，當Vin低于110V時片內電源停止工作對開關電源芯片進行保護。
    在AC／DC開關電源芯片工作過程中，每個時鐘周期對片內電源模塊輸出電壓Vout進行檢測，如果輸出電壓低于設計要求，并且開關電源芯片其它保護模塊輸出正常的情況下，在Gate為低的半周期對輸出端電容C0充電，直到輸出電壓滿足設計要求，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實現。充電控制部分包括：輸出電壓檢測模塊，數字邏輯控制模塊。模擬充電模塊包括高壓JFET，MN1，MN2，電阻R0，儲能電容C0。

    充電控制模塊是本電路設計的重點難點，其具體設計過程如下：
1．1 輸出電壓檢測模塊的設計
    輸出電壓檢測模塊電路如下圖2所示，BP端輸出電壓Vout經過電阻網絡分壓后產生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，與基準電壓進行比較。COM1輸出欠壓信號A5，欠壓為高，不欠壓為低。COM2輸出過壓信號A6，過壓為高，不過壓為低。COM3的輸出控制泄流支路，當Vout(BP電壓)高于7V時，給電容C0提供一條泄流通路，使BP電壓低于7V，對電路進行保護。

[!--empirenews.page--]
1．2 數字邏輯控制模塊的設計
    數字邏輯控制模塊電路如下圖3所示，A5，A6為輸出電壓檢測模塊對BP端口電壓檢測后輸出的欠壓信號，過壓信號；A7為A5，A6經過寄存器后產生的中間信號，X1為輸入電壓的檢測信號，正常為低，當輸入電壓過低(X1為高)時，片內電源停止工作對開關電源芯片進行保護。

    Gate為AC／DC開關電源芯片中功率管的柵控制信號，本片內供電模塊僅在功率管關斷的時間進行充電。Regulator為過壓欠壓邏輯單元模塊的輸出信號，它來控制模擬充電部分對儲能電容充電。片內電源在從上電到系統(tǒng)穩(wěn)定需要經過以下三種工作狀態(tài)：
    ①狀態(tài)1：儲能電容電壓Vout低于4．8V過壓欠壓電路的輸出A5=1，A6=0經過RS觸發(fā)器，得出A7=1，上支路的輸出為1于是Regulator信號輸出由上支路決定，始終為0。儲能電容從0充電會一直充至4．8V而不受各內部信號的影響。
    ②狀態(tài)2：儲能電容電壓Vout充至略大于4．8V。
    過壓欠壓電路的輸出A5，A6由狀態(tài)1的10轉換成00。此時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Regulator由下支路決定，若X1=1(輸入電壓Vin過低)，Regulator=1(不充電)；若X1=0(輸入電壓Vin正常)，則Regulator由Gate信號決定。所以儲能電容達到4．8V后，若X1信號為1，儲能電容將不再充電。若X1信號為0，儲能電容在功率管關斷周期充電，可充至5．8V。
    ③狀態(tài)3：儲能電容電壓由Vout由繼續(xù)升高，大于5．8V時。
    當狀態(tài)2最后一種情況Regulator由Gate決定，Vout充電至大于5．8V時。過壓欠壓電路的輸出A5，A6由狀態(tài)2的00轉換成01。經過RS觸發(fā)器A7信號要改變?yōu)?，下支路A7與X1的與非使得X1對Regulator無影響，A6經過反向器后的0信號使得Gate對Regulator也沒有了影響。此時Reg ulator輸出完全由A5，A6，A7來決定，輸出為1(不充電)，直到儲能電容的電壓回落至5．8V以下。

2 仿真結果
    仿真條件：本文采用CSMC 700V BCD工藝庫和HSPICE進行仿真，Vin電壓從0V上升到300V，然后維持穩(wěn)定。

    仿真結果如右圖4所示：當Vin從0V上升到300V的過程中，A5，A6狀態(tài)從10轉換到00再轉換到01，當芯片穩(wěn)定工作時其在00，01之間轉換從而維持輸出穩(wěn)定在5．8V，達到設計要求。

3 結束語
    本文設計了一種新型的片內電源電路，具有功耗低，輸入電壓范圍廣，電路結構簡單等特點。適用于各種開關電源芯片進行片內供電。通過電路仿真，本電路設計滿足設計要求。