应用于计算机的低噪声开关电源电路设计.doc

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1、应用于计算机的低噪声开关电源电路设计doi:10.3969/j.issn.1003-353x.2009.06.026集成电路设计与开发DesignendDevelopmentoflC应用于计算机的低噪声开关电源电路设计陶霞菲(浙江建设职业技术学院,杭州311231)摘要:设计了一种应用于计算机的低噪声开关电源电路,通过调节PWM占空比来达到系统稳定输出的目的,同时通过内部保护电路来监控和保护3.3V/5V/12V输出电压.根据计算机电源系统对该电路以及内部模块电路进行了介绍和分析.仿真和测试结果表明,采用该开关电源控制电路组成的系统在提高电路性能的同时,可以有效提高系统的稳定性和抗噪性,具有输

2、出电压精度高,输出纹波小,低噪声,安全可靠等特点.关键词:脉宽调制;误差放大器;低噪声;开关电源电路;保护电路中图分类号:TM56文献标识码:A文章编号:1003353X(2009)06061504LowNoiseSwitchPowerCircuitDesignforComputerApplicationTaoXiafei(Zh4iangCollegeofConstruction,Hangzhou311231,China)Abstract:Alownoiseswitchpowercircuitforcomputerpowersupplywasdesigned.Itcanprovidetheou

3、tputvoltagebyregulatingrippleofPWMsignalstodriveatransformer,andabuiltinprotectioncircuitwasusedtosuperviseandprotectthe3.3V/5V/12Voutputs.Theswitchpowercircuitandtheintemalmodulecircuitwereintroducedandanalyzedbasedonthecomputerpowersupplysystem.ThesimulationandexperimentalresultsshowthatthisPWMcon

4、trolcircuitcaneffectivelyimprovethesystemstabilityandantinoise.Thissystemhasthecharacteristicsofhighoutputprecision,littleoutputripple,lownoise,safetyete.Keywords:PWM;erroramplifier;lownoise;switchpowercircuit;protectioncircuitEEACC:2570K0引言1电路功能与原理计算机电源常用的控制方式是脉宽调制(PWM)控制方式.开关电源使用的元器件少,电路的集成度高,可以解决

5、电路复杂,可靠性差的问题.计算机电源是计算机必不可少的重要组成部分,其性能的优劣直接关系到整个计算机系统的安全性和可靠性.随着电源设备的日趋复杂,所服务的电子设备越来越重要和昂贵,要求电源必须具备高可靠性.需要增加一些保护措施来提高可靠性,常用的保护措施有:过热保护,过流保护,过压保护,抗干扰措施,瞬间电压保护等之j.本文设计了一种应用于计算机电源的脉宽调制控制电路,通过调整PWM信号占空比来调整输出电压,同时能够通过该电路监控和保护输出电压.本文首先介绍了电路功能和原理,接着对主要模块进行分析,最后进行了测试验证.0|20091.1电路功能该电路是用于计算机的电源管理电路,通过调整驱动变压器

6、的PWM输出信号来实现调整输出电压.它能监控和保护3.3V/5V/12V输出电压.内部集成了两个旁路稳压器431来稳定3.3v和5V独立电源.该电路有以下功能:PWM输出信号产生电路,AC掉电检测,过功率保护,负电压保护,过压保护,欠压保护,为PG(电源好信号)信号提供掉电信号,PG信号和电源故障锁定,远程开关控制,PWM控制电路和软启动可设定等.1.2电路内部原理结构图图1为内部原理结构图.电路由PWM信号产生电路,431稳压电路,过压保护,欠压保护,欠压检测,过功率保护,负电压保护,PSON远程控SemiconductorTechnologyVo1.34No.6615陶霞菲:应用于计算机的

7、低噪声开关电源电路设计制等组成.PSON_-圜圃团:OPP过功率保护II二=UVACLACi,电检测NVP负压保护逻辑与延迟爱LJFB2OPlOP2图1内部原理结构图Fig.1Internalstructureprinciple下面对内部主要功能模块的电路进行介绍和分析.1.2.1基准电路基准电路|3的主要作用是产生随电压和温度变化小的基准电压.高电源抑制比和低温度系数是设计带隙基准电路紧扣带隙的两个最基本的特性.带隙基准电路结构图如图2所示.图2带隙基准电路结构图Fig.2Bandgapstructure启动电路由管子M.,M2,M3,M4组成.两个pnp管和运放组成带隙电路的核心.Q和Q的

8、单位面积比为8:1,带隙输出电压为g.p=(1+t2)VTln8+BEl式中:VT=kT/q为热电动势;VBEl为Ql的BE结电压.通过Hspices仿真,其结果为:Vcc=5V,温度为一40120,温度系数为1810./C,脚在32.5kHz时为36.5dB.1.2.2误差放大器设计误差放大器结构采用PMOS管作为输入管,在保证低噪声的同时提高了相位裕度.从整个系统考虑,该误差放大器的要求是低输出阻抗,带宽窄,616半导体技术第34卷第6期高输入阻抗,这些特点有利于实现闭环控制.误差放大器的作用是检测输出电压,当输出电压变化时,反应到误差放大器的负端IN,然后对PWM的占空比进行调整,最后对

9、系统的输出电压进行调整.图3为设计的误差放大器结构图.R的作用是为了限制误差放大器的开闭环增益,提高系统的瞬态响应速度.经过仿真,误差放大器的开环增益为65dB,一3dB带宽为550Hz,单位增益带宽为1.05MHz,相位裕度为90.图3误差放大器结构图Fig.3Erroramplifierstructure1.2.3脉宽调制输出信号产生电路脉宽调制输出信号产生电路包括误差放大器,振荡器,PWM比较器,计数器和输出管.输出采样电压和参考电压通过误差放大器比较输出误差电压信号,该电压再通过PWM比较器与振荡器产生的锯齿波进行比较产生出相应的脉宽调制信号,从而控制开关管的占空比,达到调节输出电压的

10、目的.PWM输出的是脉宽随采样电压变化的脉冲.当输出电压很小时,由于误差放大器的负端IN是从输出电压端反馈回来的,会使IN端电压远远小于,此时占空比达到最大值,接着输出电压升高继而占空比变小,这一过程通过负反馈使输出电压稳定,反之亦然.图4为PWM输出信号产生电路图,输出驱动图4PWM输出信号产生电路结构图Fig.4PWMoutputsignalcircuit2009年6月一T附陶霞菲:应用于计算机的低噪声开关电源电路设计采用的结构是推挽拓扑,漏极输出;图5为PWM输出电路的仿真波形.8.05?O2?Ol?O9.06.0娄3.00.09.06?03_O0.05006007008o0t/tts图

11、5PWM输出信号仿真波形图Fig.5PWMoutputsignalsimulation1.2.4保护电路保护电路包括过压保护,欠压保护,欠压检测,过功率保护,负电压保护等.保护电路的主体是通过比较器来起作用的.每个比较器的比较点不同,可设置各种保护.1.2.4.1过压保护当V33,V5,V12端电压高于过压保护点时,如果UVAC(AC掉电检测脚)为高,即交流电压正常时,PG为低,输出锁定,必须重新上电才能恢复;当UVAC为低,PG为低,输出不锁定,当低于过压保护点时,OP1(PWM输出端)和OP2又正常输出.1.2.4.2欠压保护当V33,V5,V12(分别为3.3,5,12V电压检测端)电压

12、低于欠压保护点时,如果UVAC为高,此时已经过流,PG为低,输出锁定,须重新上电才能恢复;如果UVAC为低,PG为低,认为此时不一定过流(可能由于输入AC较低而引起欠压或是负载太重引起欠压),输出不锁定,会出现突发模式,防止损坏电路;但当高于该欠压保护点时,OP1和OP2又正常输出.1.2.4.3欠压检测当V33,V5,V12端电压低于欠压检测点时,PG为低,告知计算机电源有问题发生.1.2.4.4过功率保护当OPP(过功率检测输入端)电压高于过功率点时,过功率事件发生,直接关掉输出,但不锁定输出.这样会出现过段时间后电压又降到过功率点以下,又有输出,再次发生过功率保护,这种现象反复出现会损坏

13、电路.如果采用在较高比较点时,May2009不直接关断而是直接降低PWM的占空比来降低和限制输出功率,可以防止电路烧坏.1.2.4.5负电压保护当NVP(负电压检测脚)电压高于负电压保护点时,如果UVAC为高,PG为低,输出锁定,必须重新上电才能恢复;如果UVAC为低,PG为低,输出不锁定,会出现突发模式,防止损坏电路;但当低于负电压保护点时,OP1和OP2又正常输出.2测试结果该电路采用0.8/zmCMOS工艺流片验证.图6是计算机电源系统原理图,把设计的电路用到系统中进行测试.通过对电源系统的测试分析,结合表1结果,该电路的设计完全达到预期要求.图6电源系统原理图Fig.6Schemati

14、cofpowersystem测试条件:输入交流电压为220V,输出功率为200W,3.3,5,12V端的负载电流分别为8,10,10A.表1电源系统测试结果Tab.1Testresultsofpowersystem参数测试值PWM_厂0t/kHz32.47+3.3V端3.28输出电压/v+5V端4.9812v端12.25+3.3V端24.5输出纹波/mV+5V端25.312V端95.2图7是在PSON远程控制的作用下,延迟30ms输出的波形.PSON为1是关闭输出,PSON为0是正常输出.SemiconductorTechnologyVo1.34No.6617陶霞菲:应用于计算机的低噪声开关电

15、源电路设计:一一,-II图7远程控制情况下的启动过程Fig.7Startingprocessatremotecontrol图8是OPl,OP2正常输出的PWM波形.输出频率为65kHz.3结论图8正常情况下PWM输出波形图Fig.8PWMoutputwaveatnormal本文设计了一种应用于计算机的低噪声脉宽调制控制电路,能够通过该电路监控和保护3.3V,5V,12V输出电压.对该电路,系统以及内部模块电路进行了详细的介绍和分析,由仿真和测试结果可知:采用该电路组成的系统具有输出电压精度高,输出纹波小,噪声小,安全可靠等特点.参考文献:1张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计M.北京:电子工业

16、出版社,2005.2周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用M.北京:人民邮电出版社,2003.3ALLENPE,HOLBERGDR,CMOSanalogcircuitdesignM.England:OxfordUniversityPress,Inc.,2002.4RAZAVIB.DesignofanalogCMOSintegratedcircuits【Mj.America:McGrawHill,2001.(收稿日期:2008.11.05)作者简介:陶霞菲(1977一),女,讲师,研究方向为计算机网络技术,计算机系统和计算机基础教学.(上接第578页)参考文献:1CARLSSONJM,HEL

17、LsINGB,DOMINGOSHS,eta1.TheeffectsofdopingagrainboundaryinZn0withvariousconcentrationsofBijJ.SurfSci,2003,532535:35l一358.2CLARKEDR.VaristorceramicsJj.JAmCeramSoc,1999,82(3):485.502.j3KNCM.SlidingmodecontroloflinearsystemsthmismatcheduncertaintieslJJ.Automatica,1995,31(2):303307.4DIAOCC.CHIENSF,YANGCF

18、,eta1.ThenonlinearcharacteristicsofdifferentadditivesaddedV,O.ZnOvaristorlJj.KeyEngMater,2o08,368372:493496.50NREABROYW,SIRIKULRATN.EffectsofcobaltdopingonnonlinearityofzincoxidelJj.MaterSciEngB,2006,13O:1O8一l13.j6S0UZAFL,G0MESJW,BUENOPR,eta1.EffectoftheadditionofZnOseedsontheelectricalproprietiesof

19、ZnObasedvaristors【JJ.MaterChemPhys,2003,80:5l2-5l6.I7lNAHMCW,SHINBC,PARKJA,eta1.EffectofCoOonnonlinearelectricalpropertiesofpraseodymia.basedZnOvaristorslJJ.MaterLett,2006,60:164-167.8HONGYW,KIMJH.TheelectricalpropertiesofMn3O4一dopedZnOJ.CeramInt,2004,30:1301-1306.9JHANJP,SENOSAMR,MANTASPQ.Varistorb

20、ehaviourofMndopedZnOceramicslJJ.JEurCeramSoc,2002,22(9.10):l6531660.10LIUC,YUNF,MORKOCH,eta1.FerromagnetmofZnOandGaN:areviewJ.JMaterSic:MaterElectron,2005,16(9):555618半导体技术第34卷第6期121314597.IMAIY.WATANABEA.ComparisonofelectronicstructuresofdopedZn0byvariousimpurityelementscalculatedbyafirst-principle

21、pseudopotentialmethodlJJ.JMaterSic:MaterElectron,20o5,15:743.749.焦正宽,曹光旱.磁电子学M.杭州:浙江大学出版社,2oo5:356.358.MATTHIASM.G0NZAL0A.ELBIOD.GlobalversuslocalferromagnetisminamodelfordilutedmagneticsemiconductorsstudiedwithMonteCarlotechniquesJ.PhysRevB,2oo2,65(24):241202.0HN0H,CHIBAD.MArSUKURAF,eta1.ElectricfieldcontrolofferromagnetismlJJ.Nature,2000,408:944946.(收稿日期:200810.22)作者简介:王立惠(1975一),男,甘肃庆阳人,博士,主要研究方向为功能材料,复合材料;甘国友(1965一),男,江西丰城人,博士,教授,主要研究方向为功能材料,复合材料;孙加林(1957一),男,河北人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为功能材料,复合材料;严继康(1972一),男,四川营山人,博士,副教授,主要研究方向为功能材料,复合材料.2009年6月