电源基础知识——《用于开关电源的集成电路控制器》

用于开关电源的集成电路控制器

人们对于开关模式电源转换的想法可以追溯到20世纪30年代。一个早期的设计是在摩托罗拉车载收音机中，它是利用振动式机械开关来实现的，将汽车电池6V升压后给车载真空电子管收音机工作。然而，在接下来的40年里，除了少数几个应用之外，这项技术并没有成为主流。虽然工程师们知道开关电源的效率要比包含60Hz体积庞大变压器的线性电源高得多，但是这项技术也受到许多因素的制约:所需要的元器件数量太多，设计难度增加，生产成本高，以及由于高频快速开关可能导致的电磁干扰。所以只有那些对体积小型化比较热衷的应用场合，如军事和航空航天工业中，才采用开关电源设计。他们愿意花费更多的金钱和精力来解决开关电源方案带来的一系列挑战， 因此，成为在20世纪60年代早期的开关电源方案采用者。

但当Silicon General于1975年推出SG1524 (第一款PWM控制芯片)后，一切都发生了改变。这款芯片将许多不同开关电源拓扑所需的所有控制电路集成到一个硅基器件上，其概况图如图3.17所示。虽然在今天看来，这款产品非常简单和基础，但这是一个划时代的产品，它引发了电源设计领域的革命，以及集成电源控制器的爆炸式增长。

   历史故事:在设计SG1524时所面临的挑战之一是开关电源的控制同时需要模拟和数字功能，但是当时的大多数IC制造公司在其模

拟和数字IC产品中使用了不同的制造工艺。所以SG1524也成为首批成功投入量产的“数模混合”芯片之一。

图3.17    SG1524于1975年设计出来，它是第一个集成了所有主要控制功能的用于开关电源的集成电路产品

受电子产品市场急剧扩大的驱动，再加之每个电子系统似乎对电源要求各不相同，这样的结果就是数百家半导体公司推出了数以千计的集成电源控制器产品，这是一个数十亿美元的巨大市场。时至今日，当今电源设计者所面临的挑战，与其说是设计过程，不如说是为特定应用场合选择最佳控制器的过程。选择特定控制器注意因素包括:

●如果选择通用控制器可能成本会更低，但这可能需要额外的电路来完成整个设计，进而复杂度和成本都增加;

●针对特定拓扑设计的控制器可能更便于应用;

●集成了更多所需功能的控制器，虽然集成度高了，但可能导致性能调整变得困难;

●具有更多模拟可编程能力的控制器，由于有更多的外部连接，这会需要更大的芯片封装尺寸;

●控制器的集成度对最终电源设计有很大的影响。

最后一点十分重要。半导体行业现在可以将大量电子元件封装到一个 IC之中，而当集成后的IC成本变得极为低廉时，人们的需求就变得简单多了，那就是将越来越多的电源功能模块集成到一个IC中。业界的产品发展推动了三个明显不同层次的集成:

(1)简单集成控制功能:小信号元件很容易以极低的成本进行集成，而随着元件数量不断增加的控制电路被集成到IC中，从之前的数百个元件，慢慢增加到数千个的器件数量。

(2)集成了功率驱动器:驱动MOSFET功率开关需要很高的栅极电流，从而导致驱动器中的高功耗;这两个因素都增加了IC设计的难度和成本，本书将其作为一种技术包含在这里，但不做过多强调。

(3)集成功率开关器件:虽然这种集成改进可以大大帮助电路设计人员，但IC制程方面的难度却是相当大的，因为:

a.大电流需要多个单元并联，这会导致更大的芯片晶圆面积。

b.分立式功率开关管的制造工艺要比集成电路所需的工艺便宜得多，而在集成情况下，所有的元器件必须使用一样的高成本工艺。

c. 分立式功率MOSFET的漏极电流从芯片晶圆底部垂直传导出来，但在集成电路中，电气隔离需要漏极电流横向流到芯片顶部的连接上，这是一个更长和更高阻抗的路径，开关管导通电阻增加。

d.在一个简单控制器中，引脚上只需要流经微小的电流，但是，如果将功率器件封装进去，引脚必然会承受大电流，甚至很高的电压，这样对封装尺寸(晶圆面积)、绝缘提出了更高的要求。

e.与控制电路相比，分立功率器件可以在更高的结温下工作，控制电路更容易受到热引起的漏电流和温度梯度的影响。

f. 最后，由于芯片里面集成了大电流的功率器件，所以大电流瞬变的寄生耦合可能会干扰同一个封装里其他较敏感的控制电路。

尽管有这些担忧，但是半导体设计人员还是克服了上述问题，已经独创整性地成功研制出来了一系列产品， 这些产品集成了硅芯片所能做的一切。图3.18即是一个例子，这是一个高度集成的DC/DC变换器芯片，其电流可达10A。从芯片剖面图也可以看到其实现过程中所面临的挑战，该IC晶圆左侧三分之一的区域包括 了超过一千个以 上的小信号元件，而剩余区域则为两个功率MOSFET。

图3.18   该IC裸片显示了早期的DC/DC转换器设计的布局，其包含两个10A功率开关器件，以及包含有超过一千个小信号元件组成的控制电路

                                               功能:

                                               -控制电路                     -功率开关管                 -热关机保护

                                              -辅助电源                      -P.G信号监测               -死区时间控制

                                              -欠压锁定                      -电流检测                     -同步整流

                                              -软启动                          -电流限流                    -前沿消隐

图3.19   这是一个完整 的DC/DC转换器控制芯片框图，芯片集成了许多功能

目前电路集成的另一个研究方向是，将开关电源需要的能量存储元件也集成到芯片之中，这是另一个更高维度的集成。一个真正完整的DC/DC转换器至少需要一个电感和输出电容，但将它们完全集成到控制芯片中更具挑战性。因为所有能量存储元件有固有的尺寸(而且随着功率增大，其尺寸一般相对来说也变大）。形成电容需要利用电介质分在不同的表面区域，形成一个电感则需要一定体积的磁性材料， 而这些要求至今为止都与半导体制造工艺不兼容。

虽然制造成本较高，但是将电感和电容在半导体封装上已经实现了集成。可以想象的是，随着技术的进步，特别是在更高的开关频率下，这些挑战可能会有着更为实际的解决方案出现。

尽管有着许多限制，行业在控制电路集成方面所取得的进展和成就是惊人的。如图3.19所示，这是图3.18中DC/DC 转换器芯片的框图，可以看到，它包含了许多电源功能，由大约一千个单独的元件构成，这些元件构成的模块

即是我们现在广泛称之的“控制器”。

这只是当今可用无数集成电源控制芯片中的一个而已， 芯片的高度集成化后又引出了本书下一章内容——开关电源拓扑，其也是开关电源中比较主要的研究课题。即使在现在，电源拓扑似乎也有一系列新的需求和解决方案。

参考文献

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