高效的單片AC/DC電源管理集成電路設計

唐順柏

（深圳市依崇微電子科技有限公司，廣東 深圳 518000）

1 單片AC/DC電源管理集成電路的特點

工業農業、經濟基礎建設、軍事、消防、醫療、公安、市場活動、學術科研等領域所用到的儀器或設備離不開電源，在諸多的電源之中，AC/DC開關電源的應用十分廣泛。AC/DC電源的特點如下文所述。

（1）能耗比較低、工作效率高。工作在開關狀態的開關電源工作效率在80%以上。

（2）電路自動保護效果好。一旦出現故障或者短路，開關電源將會自動斷電，故障出現的范圍不再擴散，故障隱患受到牢牢控制。

（3）溫度受控。由于能耗較低，電源的溫度不會突然造成超出元器件所能承受的溫度，這也大大保護了電子設備的運行溫度限制。

（4）輸入電壓可調節。電壓過高或過低都會影響到電子設備的使用效果與壽命，130～260 V范圍的電壓都是開關電源可調節的電壓范圍，可以達到優秀的調節效果。

（5）開關電源都比較靈巧。AC/DC電源的高工作頻率可以讓電源能夠更輕巧小型化也是國際上電源持續追求的目標。

開關電源作為穩定、安全、高效、節能的代表性電源，是當前以及未來持續性的潮流產品。開關電源雖已是市場的主流，但發展深化的空間仍然不小。

電力防范方面，通過降低電網側電流諧波，讓網側功率因數接近。功率轉換的損耗，尤其是待機損耗，要繼續深挖如何降到更低，如通過提升電磁與裝置的兼容能力，提高能效。高頻、元件小型化、降噪和提升性能等技術的應用。

脈沖寬度變調（Pulse Width Modulation，PWM）方式是單片AC/DC電源管理集成電路的主要方式。PWM不僅能監測電路輸出的狀態，還能提供功率控制信號，在不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、逆變器、DC-DC 變換器等高功率電路之中普遍適用[1]。

2 單片AC/DC電源管理集成電路技術指標分析

2.1 輸入參數

2.1.1 相 數

從降低主電路器件的電壓等級降低成本考慮，電源功率≤5 kW時通常使用單相輸入；但電源功率＞5 kW時，為了降低損耗，減小主電路中的電流，避免引起電網三相間的不平衡，選擇三相輸入。

2.1.2 輸入電壓

單相85～265 V的 范圍屬于國際通用范圍，輸入電壓指標通常包含額定值和變化范圍2個方面內容。輸入電壓變化范圍一般為±10%，考慮配線等因素有時也要求-15%～+10%。為防止浪費，輸入電壓應以滿足實際需要為宜。輸入電壓為直流時情況比較復雜，從24 ～600 V都有可能。國內民用交流電源電壓三相 380 V、單相為 220 V。

2.1.3 輸入頻率

我國民用和工業用電的頻率均為50 Hz，航空、航天、船舶用電經常采用400 Hz交流電（通常為115 V單相或三相電）。400 Hz交流電壓整流后的脈動頻率遠高于工頻，因此整流電路所連接的濾波電容可以減小很多。

2.1.4 輸入電流

輸入電流包括額定輸入電流、最大輸入電流。額定輸入電流是指輸入電壓和輸出電壓、輸出電流在額定條件時的電流，最大值發生在輸入電壓下限和輸出電壓上限、輸出電流上限時。三相輸入時，各相電流有時會發生失衡現象，應取平均值。

2.1.5 沖擊電流

沖擊電流是在設計范圍內，輸入電流進入穩定情況之前的最大的瞬時電流，一般來說沖擊電流在20 ～30 A。

2.1.6 漏電流

流經輸入側地線的電流即是漏電流。在AC/DC電源中，通過電磁干擾（Electromaynetic Interference，EMI）濾波器的旁路電容泄漏的電流。漏電流規定在0.5 ～ 1 mA。

2.1.7 效率

效率是電源的重要技術指標,一般定義為電源輸出功率與電源輸入有功功率之比。影響電源效率的因素有頻次相關損耗、電路通路相關損耗、其他系統損耗等。

2.1.8 輸出功率因數

輸出功率因數是指在輸入電壓為額定值、輸出功率為額定值時，輸入相移功率因數和畸變因數（失真功率因數）的乘積，即

2.2 輸出參數

2.2.1 輸出電壓

額定值、可調節范圍是輸出電壓的主要指標參數?？烧{節范圍的上限如果太高會影響到能耗浪費，需要以接近額定值為宜。

2.2.2 輸出電流

額定值、過載倍數是輸出電流的主要指標參數。電流輸出的下限需要進行合理設置，避免部分電源不允許空載的設定。在多路輸出電源中，有的如果某一路輸出電流增加，則其他路的輸出電流會下降，對此要進行說明。

2.2.3 穩壓（穩流）精度

正負誤差帶是穩壓（穩流）精度的主要呈現形式。精度可以用以下指標考核。

（1）負載調整率。負載調整率是通過計算輸入電壓不變、輸出負載電流變化時衡量穩定輸出電壓的能力。

（3）電源的輸出特性。電源具體應用領域的工藝要求，與電源輸出特性密切相關，如有些場合要求恒壓限流、有些場合要求恒流限壓等。

（4）紋波。典型的輸出電壓紋波波形通常按頻帶可分為高頻噪聲、開關頻率紋波、低頻紋波這3類。對輸出電壓紋波的量化方法，通常有以下幾種。

（a）計算紋波系數，即輸出電壓交流成分總有效值與直流成分的比值。紋波系數不能反映幅值很高、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量及其影響。由于紋波包含的頻率成分從1赫茲以下到數十兆赫，頻帶極寬，很難精確計量。

（b）峰峰電壓值，計量紋波電壓的峰峰值，可以反映幅值很高、有效值卻很小的尖峰噪聲的含量，但不能反映紋波有效值的大小，不夠全面。

（c）高頻噪聲、開關頻率、低頻分別計量幅值，此方式易用、易對比，且十分具體，易測量。

（5）動態響應。輸出電壓受外界因素干擾后再回到其穩態值，會有一個超調量和恢復時間（有時，也可衡量系統穩定性）。超調量一般≤±5%U0、恢復時間5～10 ms（多臺并聯時，時間會長一些）?；謴蜁r間的長短與電源開關頻率、電壓反饋環的響應速度、電流瞬態變化幅度及輸出濾波電路的容量等因素有關。

（6）溫度系數。環境溫度升高1°，輸出電壓的變化量與輸出電壓之比為溫度系數，單位為1/℃。

2.3 附屬功能

2.3.1 過流保護

為防止過大電流負載導致電源損壞的一種自我安全保護功能，過流保護值一般是額定值的110%～130%。

2.3.2 過壓保護

為防止過大電壓負載導致電源損壞的一種自我安全保護功能，過壓保護值一般是額定值的110%～130%。

2.3.3 輸出欠壓保護

輸出電壓下降超出閾值時的一種停止電源的安全措施。

2.3.4 過熱保護

電源內部溫度超出閾值，發出報警信號，停止電源運行。

2.3.5 接口

要確定電源輸入、輸出以及信號用端子的形狀、排列或連接器名稱，并要標明所用端子號。電源輸入、輸出以及信號用端子要盡可能分開。

2.4 絕 緣

2.4.1 絕緣電阻

在電源輸入端子和殼體間、輸入端子和輸出端子間，一般用500 V兆歐表測，電阻要大于50 MΩ。輸出端子和殼體間用100 V兆歐表測，電阻要大于10 kΩ。

2.4.2 絕緣耐壓

要符合各種安全標準規定。

3 單片高效AC/DC電源管理集成電路的組成分析

單片高效AC/DC電源管理集成電路由誤差放大器、PWM比較器、振蕩器、基準電壓源、軟啟動電路、上電復位電路以及其他一些保護電路模塊共同組成[2]。

3.1 誤差放大器

誤差放大器是一個放大誤差和調節功率回路穩定性的模塊。輸出信號與基準信號之間的誤差即由誤差放大器放大。將誤差信號與比較器進行比較，轉換為數字邏輯信號，調整占空比。

3.2 PWM比較器

PWM比較器即PWM調制電路，同相端、反相端兩者的信號相比較后輸出波形，這些波形脈沖寬度不同，而后再次采樣，再比較，形成閉環控制系統電路。為了對比參考該電路，在同相端或反相端，有一個固定的參考波形。

3.3 振蕩器

振蕩器是一種能量轉換裝置，直流電能轉換成一定頻率的交流電能，即為振蕩電路。

3.4 基準電壓源

基準電壓源為串聯穩壓電路、A/D和D/A轉化器提供基準電壓，也是大多數傳感器的穩壓或激勵源。同時，基準電壓源還可以作為標準電池、儀器校準標準和精密電流源。在電壓調節器中，基準源提供一個已知的電壓值，將其與輸出進行比較，以獲得用于調節輸出電壓的反饋。

3.5 軟啟動電路

由于電路中存在電容，電壓的突然增加會產生大量的暫態電流，因此一般電源會串聯電阻，延時，然后短路這個電阻，這個過程會限制暫態電流，該形式的電路即為軟啟動電路。

3.6 上電復位電路

單片機或為高電平復位，或為低電平復位。以5 V單片機為例，上電過程實際上是一個緩慢爬升的過程，耗時數微秒或毫秒。爬升時，單片機不能正常工作，復位電路需要延遲程序的正常執行，直到電壓穩定，即為上電復位。

4 HSPICE仿真分析

目前常用的集成電路仿真工具是Cadence公司的spectre仿真器或者Synopsys公司的HSPICE仿真器。兩者各有優缺點，普遍地認為spectre可以更加細膩地反映電路特性，而HSPICE可以獲得更快的仿真速度，對于普通應用，兩者仿真體驗基本無差別。Linux系統中HSPICE仿真器沒有圖形化界面[3]。

HSPICE是一款電子設計軟件，HSPICE的收斂性強，具備較高的仿真經度和眾多模型。誤差放大器、PWM控制器及其他相關模塊通過HSPICE來驗證，采用多種仿真方法，上述兩模塊可得到準確的分析和調整，最終完成整體設計[4]。

4.1 獲取電路網表

HSPICE仿真中電路原理圖是以網表的形式表示的，不是圖形輸入界面，用戶可以自己寫電路網表，也可以在Cadence原理圖的基礎上獲取電路的CDL網表。

4.2 修改電路網表

從網表中可以看到，其實網表只是原理圖的另一種表現形式，生成的網表中并沒有激勵電壓源相關的內容，這是因為使用的電壓源的CDF文件中并沒有定義抽取網表時的輸出信息，所以自然不會有輸出，不過我們可以自己動手把激勵加進去，同時還需要添加仿真模型、一些HSPICE的仿真設置內容等。實際中，子電路定義的部分是否注釋對仿真運行沒有影響。

4.3 激勵文件

為了更好地配置仿真設置和仿真激勵文件，往往把電路網表和激勵源保存在不同的文件中，使用include語句將電路網表調入激勵文件。

示例如下，反相器電路抽成CDL網表保存為inv.cdl，而仿真激勵和仿真器設置寫在inv_sim.sp文件中，inv_sim.sp文件就好比圖形界面仿真中的建立的仿真原理圖，在其中調用被仿真電路的實例。inv_sim.sp文件內包含所有激勵源、反相器實例調用、仿真器設置、仿真模型文件等。

4.4 運行仿真

準備好以上文件，并將文件放在同一目錄下，在該目錄下打開終端，使用命令（直接在CDL網表中添加激勵源等設置）：“hspice inv_sim.netlist ＞ inv_sim.outlog”或者使用命令（CDL網表與激勵源在不同文件）：“hspice inv_sim.sp ＞ inv_sim.outlog”。

前者命令是運行HSPICE并仿真電路，后面的命令是將仿真信息保存到inv_sim.outlog文件中，這樣用戶可以通過查看該文件了解仿真過程，仿真器的輸出信息，以及電路的詳細工作狀態等。如果運行過程中出錯，該文件會記錄報錯信息，供用戶檢查。

4.5 查看仿真波形

HSPICE運行仿真結束后，使用Synopsys公司的Wave viewer查看波形文件，在終端中輸入：wv，啟動 Wave viewer，然后在菜單欄選擇：File-＞Import Waveform File，索引到仿真運行的文件夾內，選擇仿真結果文件，就可以像其他波形查看軟件一樣操作波形。

5 工藝與版圖設計簡述

5.1 版圖布局

版圖布局需要遵從充分利用、提高成品占比的原則，版圖的布局按照0.6μm的BiCMOS工藝規劃設計。

基準電壓源設計在版圖中央；基準電壓源的周圍分布各種電路，這樣信號傳輸距離較短；PWM比較器和誤差放大器，考慮集中在同一區域；為了降低數字電路噪聲造成的影響，數字電路和模擬電路進行隔離；在模擬電路模塊的附近，設置模擬信號輸入口。

5.2 版圖設計注意事項

模擬電路以性能強、速度塊、匹配性好為目標，所以版圖設計與芯片的正常運行息息相關。誤差放大器和PWM比較器，一是應注意兩者信號的連接線一致、導線距離降到最短，做到差分輸入盡可能匹配，二是為減小制版誤差，盡可能采用大尺寸器件,同時，對稱電阻需平行排列。為解決芯片溫差失調問題，對于功耗稍大的輸出管來說，應用熱設計方式遠離輸入元件，比較合理的設計是布置在差分輸入對管對稱軸線的兩側[5]。

6 結 論

本文闡述了單片AC/DC電源特點，詳細分析了集成電路技術指標與組成，將HSPICE仿真文件創建與運行、工藝與版圖設計布局與注意事項進行解析，最終將單片高效AC/DC電源管理集成電路設計方法進行了完整呈現。AC/DC集成電路的設計，需要不斷加強高端創新人才的引入，推進研發和評價平臺建設，構建以龍頭企業為主導的產學研深度融合產業生態。