多模式隔离型单管AC-DC集成芯片控制策略及算法研究

Isolated single-switch AC-DC power supply has been widely used in power adapters of mobile devices such as cell phones and tablet PCs. Its integrated control chip is the core of the power circuit and determines the power supply's performances. In order to satisfy the need of minute-level quick charge in the future, isolated single-switch AC-DC power supply has to achieve a level higher than one hundred watt and maintain an excellent performance. This type of power supply has only one switching device, leaving less room for complex control. Besides, the current control mode of integrated chip is unitary. So it's hard to achieve a good performance under a wide range of load and a wide range of input voltage. This project will focus on the problem by taking the multimode control strategy of integrated chip as the breakthrough point. By establishing precise loss model, circuit model and EMI model under multimode control, the project will study and make a breakthrough in the setting of optimal control, smooth transition with few disturbances between multimode, high-accuracy output compensation, adaptive loop regulation with rapid dynamic response and effective restraint of EMI under multimode control. This project aims at a control strategy of the integrated chip of isolated single-switch AC-DC power supply at high-power level, featuring high-efficiency, high-accuracy, rapid dynamic response and low EMI, which will be verified by tape out. This project will also provide theoretical guidance for the design of this kind of chip.

隔离型单管AC-DC电源广泛应用于手机、平板等移动设备的充电适配器，其集成控制芯片是电源环路的核心，是决定电源关键性能的重要环节。为满足未来分钟级的快速充电需求，隔离型单管AC-DC电源需达到百瓦级功率以上且保持高性能。由于此类电源的开关器件只有一个，可控余地小，现有集成芯片的控制模式单一，所以在高功率等级时无法兼顾宽负载和宽输入电压范围下各工作状态的最优性能。本项目将针对此问题，以集成芯片的多模式控制策略为突破重点，通过建立多模式下精确的损耗模型、环路模型及EMI模型，研究和解决最优控制模式设定、多模式间低扰动平滑切换、输出高精度补偿、高动态响应自适应环路调节以及多模式下EMI有效抑制等关键技术问题，最后实现高功率等级下高效率、高精度、高动态响应以及低EMI的隔离型单管AC-DC集成芯片控制策略，并进行流片验证，为此类芯片设计提供理论指导。

针对移动设备快速充电对隔离型单管AC-DC电源在高功率等级与高性能方面的要求，本项目基于同步整流PSR反激变换器，从集成芯片的多模式控制策略角度，设计了一套高效率、高精度、快速动态响应及低EMI的100W多模式隔离型单管开关电源芯片控制算法。本项目的研究成果主要包括以下几个方面： .（1）建立整体电路的损耗模型，研究提高效率的设计方法，并基于所分析内容，设计高效率的电源电路与多模式控制参数。对变换器的RCD电路、功率开关电路、变压器和输出整流电路等不同模块的损耗进行细致建模，得到系统损耗随变换器工作状态变化的规律。并在此基础上，设计了一种高效率的多模式数字控制方法。损耗模型与实测误差小于7％。基于损耗模型所设计的多模式控制策略，样机实测平均效率大于90％，峰值效率达95.5％。 .（2）针对轻载向重载切换过程中输出电压下冲大、恢复时间过长的问题，设计了一种基于CCM恒流算法的控制策略，使用恒定大电流充电，使输出电压迅速回升，显著减小过冲电压与恢复时间。全负载跳变的最大上冲电压和下冲电压分别从3.15V、5.02V降至1.732V、1.879V；最大下冲和上冲恢复时间分别从83.43ms、40.32ms降至1.787ms、1.888ms。 .（3）针对现有采样方案的缺陷，设计了一种新颖的单输出DAC中点采样方案，利用数字单斜坡波和DAC产生的参考电压相叠加，形成用于采样的斜坡电压。无论采样波形斜率、拐点如何，都能获得较好的采样精度和拐点跟随效果。针对采样误差，设计了一种可同时作用在CCM和DCM下的采样补偿方案，从而实多模式下的精准恒压，样机的恒压精度达到±1.2％。提出了一种具有双PWM、双PFM模式的迟滞多模式恒流控制方法，且仅包含一个DAC和三个比较器。实验证明，可实现±1.5％以内的高精度输出电流。.（4）针对集中参数模型建模复杂、计算量大以及行为级模型无法实现预测的缺陷，以PSR反激变换器谐振波形为研究对象，建立了高频变压器模型。该模型具有建模过程简单，计算量较小，同时可以实现在系统设计阶段对EMI情况进行预测的优点。