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【摘要】 AC-DC开关电源系统由于具有效率高、体积小、功耗低、可靠性能高、输出电压范围大等优点,目前已被广泛应用于各类家用或工业电子设备当中。但由于其工作在高电压、大电流的开关状态下,电磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)性问题相当突出。传统的设计理念已无法适应用电设备高转换效率、低待机损耗、低电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)的发展趋势,这就造成了电磁兼容问题以及由电磁兼容问题引发一系列电路稳定性问题,越来越成为AC-DC设计工作的重心。在这种背景下,本文针对典型AC-DC开关电源系统的工作原理和电磁干扰产生机理进行深入研究,自下而上地解决AC-DC开关电源系统设计中的电磁兼容设计问题和稳定性设计问题,其中包含以下几方面创新性成果：1)针对AC-DC开关电源控制IC的交流特性,提出误差放大器和功率驱动电路这两个核心电路模块的改进措施,提出一种采用源端交叉耦合输入级的轨对轨型跨导运算放大器,在提高输出驱动能力的前提下,有效降低偏置电流输入和环路带宽,有效滤除高频干扰信号的影响；然后对功率驱动电路的平衡输出的意义进行探讨,提出一种能够有效平衡驱动能力、驱动延迟和死区时间的精简驱动电路结构,在满足驱动能力要求的前提下实现驱动噪声的有效降低。通过对控制环路中的这两个关键电路的改进,实现片内控制电路电磁兼容性能的整体提升。2)针对AC-DC控制策略的环路稳定性如何改进这一问题,提出了一种可自适应电感误差的补偿控制方法,避免电感误差造成的高频噪声和环路振荡风险；同时提出一种更精简、更高效的跳周期调制模式(Pulse Skipping Modulation, PSM)调制策略,将控制环路的误差放大器精简为误差比较器,缩减输出采样时间来回避噪声引入,达到从环路控制原理层面上提高整个环路的电磁兼容可靠性的目的。3)综合探讨版图布局中的衬底噪声抑制,从物理隔离、布局优化、布线优化和片上去耦结构四个方面论述如何抑制衬底耦合噪声,以一个功率因数校正芯片的版图布局为例进行分析,为在版图布局中各种噪声抑制手段的合理使用提供依据,保证芯片电路能够达到设计预期。4)研究AC-DC开关电源板级电路的噪声抑制方法,采用电磁带隙(Electromagnetic-bandgap, EBG)结构实现板级电路的EMI和高频开关噪声抑制的思路。针对现有EBG结构存在的一些不足,分别提出一种具有L型延伸结构的立体EBG结构和一种蛇形长导线的二维EBG结构,解决板级电路的EMI和高频开关噪声的抑制问题,保障信号通路,达到提高电路稳定性,减少电磁兼容问题的目的。本文系统研究了AC-DC开关电源系统在各个层面上的电磁兼容解决方案,研究结果均通过严格的仿真与实验验证,这对于实际AC-DC开关电源系统的设计工作,具有非常重要的指导意义。
【关键词】 AC-DC； 开关电源； 电磁兼容； 噪声； 稳定性；
作者简介 2-4
摘要 4-6
ABSTRACT 6-7
第一章 绪论 11-23
1.1 研究背景 11-16
1.1.1 开关电源系统的发展 11-12
1.1.2 AC-DC开关电源系统概述 12-14
1.1.3 AC-DC开关电源的发展方向 14-16
1.2 当前AC-DC开关电源系统存在的电磁兼容问题 16-18
1.3 论文的主要研究内容及安排 18-23
1.3.1 本文的选题意义 18-20
1.3.2 本文的主要研究内容 20-21
1.3.3 论文组织结构 21-23
第二章 AC-DC开关电源系统原理 23-39
2.1 引言 23
2.2 AC-DC系统原理 23-27
2.2.1 AC-DC开关电源系统的组成结构 23-24
2.2.2 AC-DC开关电源控制模式 24-27
2.3 AC-DC典型工作架构分析 27-32
2.3.1 升压型结构 27-31
2.3.2 反激式结构 31-32
2.4 AC-DC开关电源存在的电磁兼容问题 32-37
2.4.1 AC-DC开关电源中电磁兼容问题的三要素 32-37
2.4.2 AC-DC开关电源中电磁兼容问题的特点 37
2.5 本章小结 37-39
第三章 AC-DC系统中开关电源芯片的电磁兼容电路优化设计 39-57
3.1 引言 39-40
3.2 功率驱动电路的平衡输出设计 40-49
3.2.1 AC-DC芯片中的功率驱动器 40
3.2.2 推挽式驱动器 40-41
3.2.3 一种集成死区产生功能的推挽电路结构 41-46
3.2.4 仿真、测试及结果分析 46-48
3.2.5 小结 48-49
3.3 误差放大器交流特性研究以及电磁兼容优化思想 49-55
3.3.1 传统CMOS跨导运算放大器 49-50
3.3.2 源端交叉耦合对 50-52
3.3.3 采用轨对轨源端交叉耦合对的OTA结构 52-53
3.3.4 仿真结果与对比 53-55
3.3.5 小结 55
3.4 本章小结 55-57
第四章 AC-DC系统中开关电源芯片的环路稳定性增强方法 57-77
4.1 引言 57
4.2 可进行环路电感误差补偿的控制方法研究 57-64
4.2.1 电感误差检测原理说明 57-59
4.2.2 电路设计与实现 59-60
4.2.3 内部电感误差补偿电路的工作原理 60-62
4.2.4 仿真与验证 62-63
4.2.5 小结 63-64
4.3 高效率PSM控制策略研究 64-75
4.3.1 反激式电路中的PSM调制原理 64-65
4.3.2 DCM模式下PSR反激PSM变换器的EB模型 65-67
4.3.3 PSR反激PSM变换器调制度随负载变化规律分析 67-68
4.3.4 调制度自适应控制策略及分析 68-70
4.3.5 仿真分析与讨论 70-74
4.3.6 小结 74-75
4.4 本章小结 75-77
第五章 AC-DC开关电源芯片版图结构布局中的衬底噪声抑制 77-93
5.1 引言 77-78
5.2 通过物理隔离抑制衬底噪声 78-81
5.3 优化平面布局减小噪声影响 81-83
5.4 优化布线结构削弱噪声传播 83-88
5.5 合理的去耦结构实现电源噪声滤除 88-89
5.6 版图布局实例说明 89-91
5.7 本章小结 91-93
第六章 AC-DC系统中的板级EMI防护研究 93-113
6.1 引言
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