一種基于隔離電源的CMOS整流電路的設(shè)計(jì)

金云頤 張國(guó)俊

摘要：介紹了一種適用于隔離電源的CMOS全波整流電路，其工作頻率為187MHz。該全波整流電路利用自舉技術(shù)和動(dòng)態(tài)體偏置的結(jié)構(gòu)來(lái)降低MOS管的有效閾值電壓，并且使反向漏電流最小化，以達(dá)到提高的電壓轉(zhuǎn)換效率和功率轉(zhuǎn)換效率目的，進(jìn)而提高隔離電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。

該電路設(shè)計(jì)基于CSMC 0.35um BCD工藝，并通過(guò)EDA工具實(shí)現(xiàn)整體電路仿真與驗(yàn)證。當(dāng)隔離電源輸入/輸出電壓均為5v時(shí)，整流電路的電壓轉(zhuǎn)換效率和功率轉(zhuǎn)換效率分別為78.8%和75.3%，隔離電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率為39.8%。

關(guān)鍵詞：全波整流;自舉技術(shù);隔離電源;效率

0引言

隔離電源已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、礦井、安防和軍事等領(lǐng)域，對(duì)于電源的安全性和可靠性，以及信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性都有了更高的保障。基于空芯微型薄膜片式變壓器的隔離電源具有隔離性能好、磁抗擾度高、體積小、可單片集成等優(yōu)點(diǎn)，但其轉(zhuǎn)換效率始終不高。因此，如何提高隔離電源的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前重點(diǎn)研究的問(wèn)題。2011年，B.Chen等人提出一種使用微型變壓器的全集成的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用肖特基二極管作為整流器件，在滿足輸入/輸出為5V/5V的條件下，其轉(zhuǎn)換效率為33%;2018年，尹瓏翔等人提出了基于片上變壓器的隔離電源，同樣采用肖特基二極管做為整流器件，在輸入/輸出為3.3V/5V的條件下，轉(zhuǎn)換效率為35.6%。本文介紹了一種應(yīng)用于隔離電源的CMOS整流電路，其較高的電壓轉(zhuǎn)換效率與功率轉(zhuǎn)換可以提高電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

1肖特基橋式整流電路與常用CMOS整流電路

1.1肖特基橋式整流電路

大多數(shù)隔離電源中采用肖特基橋式整流電路，它利用二極管的單向?qū)ㄌ匦裕粗辉试S電流在1個(gè)方向流動(dòng)并阻止反向漏電，以達(dá)到將交流轉(zhuǎn)換成直流的目的。

電壓轉(zhuǎn)換效率（VCE）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）是整流電路的2個(gè)重要參數(shù)，它們受電路拓?fù)洹⒍O管器件參數(shù)、輸入信號(hào)頻率和幅度以及輸出負(fù)載條件的影響。電壓轉(zhuǎn)換效率VCE是輸出直流電壓VDC和輸入電壓幅度峰值VAC的比值，將其定義為：從公式推導(dǎo)中可以看出，VDO對(duì)于VCE和PCE影響是很大的，要獲得更好的整流特性，應(yīng)降低vdo的值。

實(shí)際應(yīng)用中，通常采用正向?qū)▔航递^低的肖特基二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，但肖特基二極管具有較大的反向漏電流。在全波整流電路中，導(dǎo)通的每半個(gè)周期內(nèi)存在2個(gè)固定的肖特基二極管的正向?qū)▔航担@樣的損耗會(huì)影響功率轉(zhuǎn)換效率，并且降低直流輸出的電壓值。同時(shí)，考慮到制作肖特基二極管的工藝與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的兼容性較差，故形成了采用CMOS結(jié)構(gòu)來(lái)取代肖特基二極管實(shí)現(xiàn)整流電路的趨勢(shì)。

采用二極管連接的晶體管（DCT）實(shí)現(xiàn)CMOS整流器是較為廣泛的選擇，其有效導(dǎo)通電壓接近MOS管的閾值電壓，小于通用PN結(jié)二極管，但大于肖特基二極管的閾值電壓。因此，要實(shí)現(xiàn)高的PCE和VCE，必須對(duì)二極管連接的MOS結(jié)構(gòu)進(jìn)行閾值消除。圖1（a）所示為差分驅(qū)動(dòng)的CMOS整流器，由4個(gè)MOS管構(gòu)成，在兩個(gè)分支電路中，每個(gè)NMOS管與另一個(gè)PMOS管交叉連接到交流輸入。當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時(shí)，PMOS管上存在反向漏電，從而降低了功率轉(zhuǎn)換效率。可以利用反向漏電為耦合電容c1、C2進(jìn)行充電，以減小輸入/輸出之間的瞬時(shí)電壓差，抑制反向電流，提高轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，柵極交叉耦合的結(jié)構(gòu)相較于二極管連接結(jié)構(gòu)，其電壓擺幅大大提高。但由于PMOS管閾值電壓的存在，該結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的電壓轉(zhuǎn)換率。

為了獲得更好的電壓轉(zhuǎn)換效率，利用自舉技術(shù)來(lái)降低PMOS管的有效閾值電壓，如圖1（b）所示。由M3、M5、M7、c1和M4、M6、M8、c2構(gòu)成自舉二極管，利用較小的自舉電容c1/c2來(lái)降低主傳輸路徑上M2/M4晶體管的有效閾值電壓，相比一般DCT結(jié)構(gòu)具有更低的有效閾值電壓。從而可在較低電壓環(huán)境下應(yīng)用，并且具有較寬的電壓輸出范圍。

如圖1（b）所示，在電源vac的正半周期，二極管連接的晶體管M5在vac逐漸增大的階段產(chǎn)生輔助路徑以對(duì)輸出電容cL充電，直到：

2改進(jìn)的整流電路

2.1結(jié)構(gòu)分析

在前文提及的基于自舉技術(shù)的CMOS整流器的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的全波整流器的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)結(jié)合了差分驅(qū)動(dòng)CMOS、自舉電容、有效閾值消除和動(dòng)態(tài)體偏置等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以獲得更好的PCE和VCE。

M1～M4為差分CMOS結(jié)構(gòu)，是整個(gè)整流電路的主體部分。其中，M3、M5、M7與c1構(gòu)成自舉電容部分，用于消除M3的有效閾值電壓，其工作原理與圖1（b）中所示的自舉電容的工作原理類似，有：

自舉電容與M9、M11、M13和M15共同完成整流電路的閾值消除。其中M15以差分模式連接，M13以二極管形式連接，并且Ml3控制M9和M11的開(kāi)啟和管斷。在電源Vac的正半周期（vac+），M9管關(guān)斷，M11管導(dǎo)通，輸入通過(guò)二極管連接的M5對(duì)輸出電容CL充電，同時(shí)通過(guò)二極管鏈接的M7管為自舉電容c1充電，以此激活消除M3閾值的自舉電容電路。類似地，在VAC一期間，M9導(dǎo)通，M11管關(guān)斷，輸出通過(guò)差模晶體管M15直接連接到地，此時(shí)M3管的柵極一漏極電壓為零，使得通過(guò)M3的反向泄漏最小。同時(shí)，由于M11管關(guān)斷，c1上的電荷通過(guò)M17和M19非常緩慢地釋放，使得c1上的電壓長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，在下一個(gè)正半周期來(lái)臨時(shí)，c1兩端仍有較高電壓以降低M3管的有效閾值電壓。

整流主傳輸路徑上的PMOS晶體管M3/M4和輔助電流輸出的M5/M6管，會(huì)為VX節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)相對(duì)較大的緩沖寄生電容，影響VX節(jié)點(diǎn)處的直流電壓VDC的穩(wěn)定性。在VAC、VX、Vour處，不同的直流電壓和交流電壓會(huì)使PMOS晶體管M3/M4和M5/M6的源極或漏極處于浮空狀態(tài)。由于浮空的源極或漏極存在，導(dǎo)通的晶體管不能接收到電路中最高的電位，進(jìn)而導(dǎo)致體效應(yīng)、漏電流、和閂鎖效應(yīng)的產(chǎn)生。因此，將動(dòng)態(tài)體偏置結(jié)構(gòu)加到M3、M5和M4、M6的柵源兩端，使PMOS晶體管的襯底始終保持高電平，可以有效改善體效應(yīng)、漏電流和閂鎖效應(yīng)。同時(shí)，由于動(dòng)態(tài)偏置結(jié)構(gòu)的尺寸較小，當(dāng)節(jié)點(diǎn)VAC±處電壓大于節(jié)點(diǎn)VX的電壓時(shí)，M22/M24、M26/M28管導(dǎo)通并有電流流過(guò)，使M3/M4、M5/M6管的體電位上升，有利于管子的快速開(kāi)啟，電路通過(guò)M5/M6對(duì)電容c.充電，抬升輸出節(jié)點(diǎn)VOUT的直流電壓。當(dāng)節(jié)點(diǎn)VAC±處電壓小于節(jié)點(diǎn)VX的電壓時(shí)的情況也是類似的。動(dòng)態(tài)體偏置結(jié)構(gòu)有效改善PMOS器件的體效應(yīng)和反向漏電流，減小功率損耗，從而獲得更高的輸出電平、電壓轉(zhuǎn)換效率VCE和功率轉(zhuǎn)換效率PCE。

2.2仿真結(jié)果及分析

直流輸出電壓VouT、電壓轉(zhuǎn)換效率VCE和功率轉(zhuǎn)換效率PCE是考察整流器性能的常用指標(biāo)。為驗(yàn)證所提出的整流器結(jié)構(gòu)的性能效果，我們分別對(duì)差分驅(qū)動(dòng)整流器、基于自舉技術(shù)的整流電路（Boostrsped）和提出的改進(jìn)型整流電路（Proposed）進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在并聯(lián)負(fù)載CL=10.1uf和RL=40Ω條件下，當(dāng)正弦電壓源的輸入幅值為5V、頻率為187MHz時(shí)，有最大負(fù)載電流147mA。表1總結(jié)了改進(jìn)后的整流電路中各元器件參數(shù)，其中晶體管尺寸采用0.35gm進(jìn)行歸一化。

圖3（a）為三種整流電路在不同的交流輸入的情況下所對(duì)應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換效率曲線。從圖中可以看出，當(dāng)輸入電壓峰值大于0.7V時(shí)，整流器開(kāi)始工作，并且在較寬的輸入范圍內(nèi)有較高的VCE。當(dāng)輸入峰值電壓為5V時(shí)，改進(jìn)后的整流電路的VCE為78.8%，與前兩種結(jié)構(gòu)相比有顯著提高，并且比基于自舉技術(shù)的整流電路有3%的提高。圖3（a）為三種整流電路在不同的交流輸入的情況下所對(duì)應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換效率曲線。當(dāng)輸入電壓峰值為5V時(shí)，改進(jìn)后的整流電路的功率轉(zhuǎn)換效率為75.3%。由于改進(jìn)后的整流器有效降低7M3/M4的反向漏電流和有效閾值電壓，故電路獲得了更為良好的VCE和PCE。

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的整流電路是否能在系統(tǒng)中穩(wěn)定工作，將其放在隔離電源系統(tǒng)中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。檢測(cè)系統(tǒng)是否有穩(wěn)定輸出。系統(tǒng)采用CSMC 0.35um BCDT藝庫(kù)文件在Hspice環(huán)境中完成總體仿真。電源系統(tǒng)有從輸入到輸出有2種方式，分別為輸入/輸出為5v/5V與3.3V/3.3V，系統(tǒng)振蕩頻率為187MHz。從仿真效果圖可知，隔離電源具有良好的穩(wěn)定輸出。

為了更好的了解功率轉(zhuǎn)換效率的變化，我們分別對(duì)輸入/輸出電壓均為3.3V和輸入/輸出電壓均為5V兩種模式做效率仿真，并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制圖表，結(jié)果如圖4所示。

隨著負(fù)載電流IRL的增大，隔離電源系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)化效率增大，直到因負(fù)載電流過(guò)大而導(dǎo)致效率值降低。當(dāng)輸入/輸出均為5V，且電流大于40mAB寸，系統(tǒng)效率逐漸趨于穩(wěn)定在39%左右，峰值效率在125mA處取得，為39.8%;當(dāng)輸入/輸出均為3.3V，且電流大于30mA時(shí)，效率逐漸趨于穩(wěn)定在36%左右，峰值效率在120mA處取得，為36.4%。與文獻(xiàn)[2]中所述的隔離電源效率相比，采用改進(jìn)型的隔離電源系統(tǒng)效率有4%左右的提升;與ADI公司推出的ADuM540xW系列隔離產(chǎn)品相比，系統(tǒng)效率有5%左右的提升。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于隔離電源的高頻CMOS整流電路，其工作頻率為187MHz。整流電路采用了差分驅(qū)動(dòng)CMOS、自舉電容、有效閾值消除和動(dòng)態(tài)偏置等技術(shù)，結(jié)合各個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，有效提高了整流電路的電壓轉(zhuǎn)換效率和功率轉(zhuǎn)換效率，并且能應(yīng)用于隔離電源系統(tǒng)中。