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一种基于隔离电源的CMOS整流电路的设计

2020-03-21 23:34电源管理 人已围观

简介隔离电源已广泛应用于医疗、矿井、安防和军事等领域,对于电源的安全性和可靠性,以及信号传输的稳定性和准确性都有了更高的保障。基于空芯微型薄膜片式变压器的隔离电源具有...

  隔离电源已广泛应用于医疗、矿井、安防和军事等领域,对于电源的安全性和可靠性,以及信号传输的稳定性和准确性都有了更高的保障。基于空芯微型薄膜片式变压器的隔离电源具有隔离性能好、磁抗扰度高、体积小、可单片集成等优点,但其转换效率始终不高。因此,如何提高隔离电源的转换效率是当前重点研究的问题。2011年,B.Chen等人提出一种使用微型 变压器的全集成的隔离式DC-DC转换器,采用肖特基二极管作为整流器件,在满足输入/输出为5 V/5 V的条件下,其转换效率为33%;2018年,尹珑翔等人提出了基于片上变压器的隔离电源,同样采用肖特基二极管做为整流器件,在输入/输出为3.3 V/5 V的条件下,转换效率为35.6%。本文介绍了一种应用于隔离电源的 CMOS整流电路,其较高的电压转换效率与功率转换可以提高电源系统的转换效率。
  

  1肖特基桥式整流电路与常用CMOS整流电路

  
  1.1 肖特基桥式整流电路
  
  大多数隔离电源中采用肖特基桥式整流电路,它利用二极管的单向导通特性,即只允许电流在1个方向流动并阻止反向漏电,以达到将交流转换成直流的目的。电压转换效率(VCE)和功率转换效率(PCE)是整流电路的2个重要参数,它们受电路拓扑、二极管器件参数、输入信号频率和幅度以及输出负载条件的影响。电压转换效率VCE是输出直流电压VDC和输入电压幅度峰值|VAC|的比值,将其定义为:
  
  公式1
  
  其中,V DO是沿整个整流电路导通路径的总电压降。功率转换效率是输出功率与输入功率的比值。我们将整流器的功率转换效率表示为:
  
  公式2
  
  其中,IOUT是输出的直流电流,IIN是总输入电流。
  
  从公式推导中可以看出,VDO对于VCE和PCE影响是很大的,要获得更好的整流特性,应降低VDO的值。
  
  实际应用中,通常采用正向导通压降较低的肖特基二极管来实现,但肖特基二极管具有较大的反向漏电流。在全波整流电路中,导通的每半个周期内存在2个固定的肖特基二极管的正向导通压降,这样的损耗会影响功率转换效率,并且降低直流输出的电压值。同时,考虑到制作肖特基二极管的工艺与标准CMOS工艺的兼容性较差,故形成了采用CMOS结构来取代肖特基二极管实现整流电路的趋势。
图1 利用自举技术来降低PMOS管的有效阈值电压
  图1 利用自举技术来降低PMOS管的有效阈值电压
 
  采用二极管连接的晶体管(DCT)实现CMOS整流器是较为广泛的选择,其有效导通电压接近MOS管的阈值电压,小于通用PN结二极管,但大于肖特基二极管的阈值电压。因此,要实现高的PCE和VCE,必须对二极管连接的MOS结构进行阈值消除。图1(a)所示为差分驱动的CMOS整流器,由4个MOS管构成,在两个分支电路中,每个NMOS管与另一个PMOS管交叉连接到交流输入。当输入电压小于输出电压时,PMOS管上存在反向漏电,从而降低了功率转换效率。可以利用反向漏电为耦合电容C1、C2进行充电,以减小输入/输出之间 的瞬时电压差,抑制反向电流,提高转换效率。同时, 栅极交叉耦合的结构相较于二极管连接结构,其电压摆幅大大提高。但由于PMOS管阈值电压的存在,该结构无法实现良好的电压转换率。
  
  为了获得更好的电压转换效率,利用自举技术来降低PMOS管的有效阈值电压,如图1(b)所示。由M3、M5、M7、C1和M4、M6、M8、C2构成自举二极管,利用较小的自举电容C1/C2来降低主传输路径上M2/M4 晶体管的有效阈值电压,相比一般DCT结构具有更低的有效阈值电压。从而可在较低电压环境下应用,并且具有较宽的电压输出范围。
  
  如图1(b)所示,在电源VAC的正半周期,二极管连接 的晶体管M5在VAC逐渐增大的阶段产生辅助路径以对输出电容CL充电,直到:
  
  公式3
  
  在对输出节点充电时,自举电容C1也通过二极管连接的晶体管M7充电,并且C1两端的电压上升为:
  
  公式4
  
  将M3管的栅极-源极电压定义为:
  
  公式5
  
  在M3管的栅极-源极电压 VSG2 到达其阈值电压 VTH2之前,M3将始终保持截止状态;当 VSG3大于 VTH3 时,M3管将开始导通,并对输出节点进行充电。此时有:
  
  公式6-7
  
  从式(7)中可以看出,M2管的有效阈值电压得到了降低。
  

  2改进的整流电路

  
  2.1 结构分析
  
  在前文提及的基于自举技术的CMOS整流器的结构上进行改进,提出一种新的全波整流器的结构,如图2 所示。该结构结合了差分驱动CMOS、自举电容、有效阈值消除和动态体偏置等技术的优点,可以获得更好的PCE和VCE。
  图2 改进型CMOS整流电路
  图2 改进型CMOS整流电路
  
  M1 ~ M4 为差分CMOS结构,是整个整流电路的主体部分。其中, M3 、M5 、M7 与C1构成自举电容部分,用于消除M3的有效阈值电压,其工作原理与图1(b) 中所示的自举电容的工作原理类似,有:
  
  公式8-9
  
  自举电容与M9、M11、M13和M15共同完成整流电路的阈值消除。其中M15以差分模式连接,M13以二极管形式连接,并且M13控制M9和M11的开启和管断。在电源VAC的正半周期(VAC+),M9管关断,M11管导通, 输入通过二极管连接的M5对输出电容CL充电,同时通过二极管链接的M7管为自举电容C1充电,以此激活消除M3阈值的自举电容电路。类似地,在VAC-期间,M9 导通,M11管关断,输出通过差模晶体管M15直接连接到地,此时M3管的栅极-漏极电压为零,使得通过M3 的反向泄漏最小。同时,由于M11管关断,C1上的电荷通过M17和M19非常缓慢地释放,使得C1上的电压长期保持稳定,在下一个正半周期来临时,C1两端仍有较高电压以降低M3管的有效阈值电压。
  
  整流主传输路径上的PMOS晶体管M3/M4和辅助电流输出的M5/M6管,会为VX节点贡献相对较大的缓冲寄生电容,影响VX节点处的直流电压VDC的稳定性。在VAC、VX、VOUT处,不同的直流电压和交流电压会使PMOS晶体管M3/M4和M5/M6的源极或漏极处于浮空状态。由于浮空的源极或漏极存在,导通的晶体管不能接收到电路中最高的电位,进而导致体效应、漏电流、和闩锁效应的产生。因此,将动态体偏置结构加到M3、M5和M4、M6的栅源两端,使PMOS晶体管的衬底始终保持高电平,可以有效改善体效应、漏电流和闩锁效应。同时, 由于动态偏置结构的尺寸较小,当节点VAC±处电压大于节点VX的电压时,M22/M24、M26/M28管导通并有电流流过,使M3/M4、M5/M6管的体电位上升,有利于管子的快速开启,电路通过M5/M6对电容CL充电,抬 升输出节点VOUT的直流电压。当节点VAC±处电压小于节点VX的电压时的情况也是类似的。动态体偏置结构有效改善PMOS器件的体效应和反向漏电流,减小功率损耗,从而获得更高的输出电平、电压转换效率VCE和功率转换效率PCE。

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