一种根据阻隔电源的CMOS整流电路的规划

金云颐，张国俊 （电子科技大学 电子薄膜与集成器材国家重点实验室，成都 610054）

摘  要：介绍了一种适用于阻隔电源的CMOS全波整流电路，其作业频率为187 MHz。该全波整流电路运用自 举技能和动态体偏置的结构来下降MOS管的有用阈值电压，而且使反向漏电流最小化，以抵达进步的电压转 换功率和功率转化功率意图，然后进步阻隔电源体系的转化功率。  

该电路规划根据CSMC 0.35 μm BCD工艺，并经过EDA东西完结全体电路仿真与验证。当阻隔电源输入 /输出电压均为5 V时，整流电路的电压转化功率和功率转化功率分别为78.8%和75.3%，阻隔电源体系转化功率 为39.8%。 

关键词：全波整流；自举技能；阻隔电源；功率

0  导言 

阻隔电源已广泛使用于医疗、矿井、安防和军事等 范畴^[1-3]，关于电源的安全性和可靠性，以及信号传输 的安稳性和准确性都有了更高的保证。根据空芯微型薄 膜片式变压器的阻隔电源具有阻隔功能好、磁抗扰度 高、体积小、可单片集成等长处，但其转化功率一直不 高^[1-2]。因而，怎么进步阻隔电源的转化功率是当时重 点研讨的问题。2011年，B.Chen等人提出一种运用微型 变压器的全集成的阻隔式DC-DC转化器，选用肖特基 二极管作为整流器材，在满意输入/输出为5 V/5 V的条 件下，其转化功率为33%^[4]；2018年，尹珑翔等人提出 了根据片上变压器的阻隔电源，相同选用肖特基二极管 做为整流器材，在输入/输出为3.3 V/5 V的条件下，转 换功率为35.6%^[5]。本文介绍了一种使用于阻隔电源的 CMOS整流电路，其较高的电压转化功率与功率转化可 以进步电源体系的转化功率。

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 

大多数阻隔电源中选用肖特基桥式整流电路，它利 用二极管的单导游通特性，即只允许电流在1个方向流 动并阻挠反向漏电，以抵达将沟通转化成直流的意图。 

电压转化功率(VCE)和功率转化功率(PCE)是整流 电路的2个重要参数，它们受电路拓扑、二极管器材参 数、输入信号频率和起伏以及输出负载条件的影响。电 压转化功率VCE是输出直流电压VDC和输入电压起伏峰 值|VAC|的比值，将其界说为：

其间，VDO是沿整个整流电路导通途径的总电压 降。功率转化功率是输出功率与输入功率的比值。咱们 将整流器的功率转化功率表明为：

其间，IOUT是输出的直流电流，I_IN是总输入电流。从公式推导中能够看出，V_DO关于V_CE和P_CE影响是很 大的，要获得更好的整流特性，应下降V_DO的值。 

实践使用中，一般选用正导游通压降较低的肖特基 二极管来完结，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导游通压降，这样的损耗会影 响功率转化功率，而且下降直流输出的电压值。一起， 考虑到制造肖特基二极管的工艺与规范CMOS工艺的兼 容性较差，故形成了选用CMOS结构来替代肖特基二极 管完结整流电路的趋势。 

选用二极管衔接的晶体管(DCT)完结CMOS整流器 是较为广泛的挑选，其有用导通电压挨近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。因而，要完结高的PCE和VCE，有必要对二极 管衔接的MOS结构进行阈值消除^[6]。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管穿插衔接到交 流输入。当输入电压小于输出电压时，PMOS管上存在 反向漏电，然后下降了功率转化功率。能够运用反向漏 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，按捺反向电流，进步转化功率。一起， 栅极穿插耦合的结构相较于二极管衔接结构，其电压摆 幅大大进步。但因为PMOS管阈值电压的存在，该结构 无法完结杰出的电压转化率。 

为了获得更好的电压转化功率，运用自举技能^[7]来 下降PMOS管的有用阈值电压，如图1(b)所示。由M3、 M5、M7、C1和M4、M6、M8、C2构成自举二极管^[7]，运用较小的自举电容C1/C2来下降主传输途径上M2/M4 晶体管的有用阈值电压，比较一般DCT结构具有更低的 有用阈值电压。然后可在较低电压环境下使用，而且具 有较宽的电压输出规模。 

如图1(b)所示，在电源VAC的正半周期，二极管衔接 的晶体管M5在VAC逐步增大的阶段发生辅佐途径以对输 出电容CL充电，直到：

在对输出节点充电时，自举电容C1也经过二极管连 接的晶体管M7充电，而且C1两头的电压上升为：

将M3管的栅极-源极电压界说为： 

在M3管的栅极-源极电压V_SG2 抵达其阈值电压V_TH2 之前，M3将一直保持截止状况；当V_SG3 大于V_TH3 时， M3管将开端导通，并对输出节点进行充电。此刻有：

联立式(4)，可得：

从式(7)中能够看出，M2管的有用阈值电压得到了下降。

2  改善的整流电路 

2.1 结构剖析 

在前文提及的根据自举技能的CMOS整流器的结构 上进行改善，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^[8]、自举电容、有 效阈值消除和动态 体偏置等技能的优 点，能够获得更好 的PCE和VCE。

M1~M4为差 分CMOS结构，是 整个整流电路的 主体部分。其间， M3、M5、M7与 C1构成自举电容部分，用于消除M3的有用阈值电压，其作业原理与图1(b) 中所示的自举电容的作业原理相似，有：

自举电容与M9、M11、M13和M15共同完结整流电 路的阈值消除。其间M15以差分方法衔接，M13以二极 管方法衔接，而且M13操控M9和M11的敞开和管断。在 电源V_AC的正半周期(V_AC+)，M9管关断，M11管导通， 输入经过二极管衔接的M5对输出电容C_L充电，一起通 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。相似地，在V_AC-期间，M9 导通，M11管关断，输出经过差模晶体管M15直接衔接 到地，此刻M3管的栅极-漏极电压为零，使得经过M3 的反向走漏最小。一起，因为M11管关断，C₁上的电荷 经过M17和M19十分缓慢地开释，使得C₁上的电压长时间 保持安稳，鄙人一个正半周期来暂时，C₁两头仍有较高 电压以下降M3管的有用阈值电压。

整流主传输途径上的PMOS晶体管M3/M4和 辅佐电流输出的M5/M6管，会为V_X节点奉献相 对较大的缓冲寄生电容，影响V_X节点处的直流 电压V_DC的安稳性。在V_AC、V_X、V_OUT处，不同的 直流电压和沟通电压会使PMOS晶体管M3/M4 和M5/M6的源极或漏极处于浮空状况。因为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，然后导致体效应、漏电流、和闩锁效应的 发生。因而，将动态体偏置结构^[9]加到M3、M5和M4、 M6的栅源两头，使PMOS晶体管的衬底一直保持高电 平，能够有用改善体效应、漏电流和闩锁效应。一起， 因为动态偏置结构的尺度较小，当节点V_AC±处电压大 于节点V_X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 于管子的快速敞开，电路经过M5/M6对电容CL充电，抬 升输出节点V_OUT的直流电压。当节点V_AC±处电压小于 节点V_X的电压时的状况也是相似的。动态体偏置结构有 效改善PMOS器材的体效应和反向漏电流，减小功率损 耗，然后获得更高的输出电平、电压转化功率VCE和功 率转化功率PCE^[10]。 

2.2 仿真成果及剖析 

直流输出电压V_OUT、电压转化功率V_CE和功率转化 功率P_CE是调查整流器功能的常用目标。为验证所提出 的整流器结构的功能作用，咱们分别对 差分驱动整流器、根据自举技能的整流 电路(Boostrsped)和提出的改善型整流电 路(Proposed)进行仿真验证。在并联负载 CL=10.1 μF和RL=40 Ω条件下，当正弦电 压源的输入幅值为5 V、频率为187 MHz 时，有最大负载电流147 mA。表1总结了 改善后的整流电路中各元器材参数，其 中晶体管尺度选用0.35 μm进行归一化。 

图3(a)为三种整流电路在不同的沟通 输入的状况下所对应的电压转化功率曲 线。从图中能够看出，当输入电压峰值 大于0.7 V时，整流器开端作业，而且在 较宽的输入规模内有较高的V_CE。当输入峰值电压为5 V时，改善后的整流电路的V_CE为78.8%，与前两种 结构比较有明显进步，而且比根据自举技能的整流电 路有3%的进步。图3(a)为三种整流电路在不同的沟通 输入的状况下所对应的功率转化功率曲线。当输入电 压峰值为5 V时，改善后的整流电路的功率转化功率为 75.3%。因为改善后的整流器有用下降了M3/M4的反向 漏电流和有用阈值电压，故电路获得了更为杰出的VCE和PCE。 

为了验证改善后的整流电路是否能在体系中安稳工 作，将其放在阻隔电源体系中进行仿真验证。检测系 统是否有安稳输出。体系选用CSMC 0.35 μm BCD工艺 库文件在Hspice环境中完结整体仿真。电源体系有从输 入到输出有2种方法，分别为输入/输出为5 V/5 V与3.3 V/3.3 V，体系振动频率为187 MHz。从仿真作用图可知，阻隔电源具有杰出的安稳输出。 

为了更好的了解功率转化功率的改变，咱们分别对 输入/输出电压均为3.3 V和输入/输出电压均为5 V两种 方法做功率仿真，并将统计数据制作图表，成果如图4 所示。 

跟着负载电流IRL的增大，阻隔电源体系的功率转化 功率增大，直到因负载电流过大而导致功率值下降。当输入/输出均为5 V，且电流大于40 mA时，体系功率逐 渐趋于安稳在39%左右，峰值功率在125 mA处获得， 为39.8%；当输入/输出均为3.3V，且电流大于30 mA 时，功率逐步趋于安稳在36%左右，峰值功率在120 mA处获得，为36.4%。与文献^[2]中所述的阻隔电源效 率比较，选用改善型的阻隔电源体系功率有4%左右的 提高；与ADI公司推出的ADuM540xW系列阻隔产品相 比，体系功率有5%左右的提高^[11-12]。

3  定论 

本文规划了一种适用于阻隔电源的高频 CMOS整流电路，其作业频率为187 MHz。整 流电路选用了差分驱动CMOS、自举电容、有 效阈值消除和动态偏置等技能，结合各个技能 的长处，有用进步了整流电路的电压转化功率 和功率转化功率，而且能使用于阻隔电源系 统中。

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 本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第50页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。