一种基于隔离电源的CMOS整流电路的设计

金云颐 张国俊

摘要：介绍了一种适用于隔离电源的CMOS全波整流电路，其工作频率为187MHz。该全波整流电路利用自举技术和动态体偏置的结构来降低MOS管的有效阈值电压，并且使反向漏电流最小化，以达到提高的电压转换效率和功率转换效率目的，进而提高隔离电源系统的转化效率。

该电路设计基于CSMC 0.35um BCD工艺，并通过EDA工具实现整体电路仿真与验证。当隔离电源输入/输出电压均为5v时，整流电路的电压转换效率和功率转换效率分别为78.8%和75.3%，隔离电源系统转换效率为39.8%。

关键词：全波整流;自举技术;隔离电源;效率

0引言

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5V/5V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3.3V/5V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：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。

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：

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。

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：

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Ml3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一期间，M9导通，M11管关断，输出通过差模晶体管M15直接连接到地，此時M3管的栅极一漏极电压为零，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、Vour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c.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。

2.2仿真结果及分析

直流输出电压VouT、电压转换效率VCE和功率转换效率PCE是考察整流器性能的常用指标。为验证所提出的整流器结构的性能效果，我们分别对差分驱动整流器、基于自举技术的整流电路（Boostrsped）和提出的改进型整流电路（Proposed）进行仿真验证。在并联负载CL=10.1uf和RL=40Ω条件下，当正弦电压源的输入幅值为5V、频率为187MHz时，有最大负载电流147mA。表1总结了改进后的整流电路中各元器件参数，其中晶体管尺寸采用0.35gm进行归一化。

图3（a）为三种整流电路在不同的交流输入的情况下所对应的电压转换效率曲线。从图中可以看出，当输入电压峰值大于0.7V时，整流器开始工作，并且在较宽的输入范围内有较高的VCE。当输入峰值电压为5V时，改进后的整流电路的VCE为78.8%，与前两种结构相比有显著提高，并且比基于自举技术的整流电路有3%的提高。图3（a）为三种整流电路在不同的交流输入的情况下所对应的功率转换效率曲线。当输入电压峰值为5V时，改进后的整流电路的功率转换效率为75.3%。由于改进后的整流器有效降低7M3/M4的反向漏电流和有效阈值電压，故电路获得了更为良好的VCE和PCE。

为了验证改进后的整流电路是否能在系统中稳定工作，将其放在隔离电源系统中进行仿真验证。检测系统是否有稳定输出。系统采用CSMC 0.35um BCDT艺库文件在Hspice环境中完成总体仿真。电源系统有从输入到输出有2种方式，分别为输入/输出为5v/5V与3.3V/3.3V，系统振荡频率为187MHz。从仿真效果图可知，隔离电源具有良好的稳定输出。

为了更好的了解功率转换效率的变化，我们分别对输入/输出电压均为3.3V和输入/输出电压均为5V两种模式做效率仿真，并将统计数据绘制图表，结果如图4所示。

随着负载电流IRL的增大，隔离电源系统的功率转化效率增大，直到因负载电流过大而导致效率值降低。当输入/输出均为5V，且电流大于40mAB寸，系统效率逐渐趋于稳定在39%左右，峰值效率在125mA处取得，为39.8%;当输入/输出均为3.3V，且电流大于30mA时，效率逐渐趋于稳定在36%左右，峰值效率在120mA处取得，为36.4%。与文献[2]中所述的隔离电源效率相比，采用改进型的隔离电源系统效率有4%左右的提升;与ADI公司推出的ADuM540xW系列隔离产品相比，系统效率有5%左右的提升。

3结论

本文设计了一种适用于隔离电源的高频CMOS整流电路，其工作频率为187MHz。整流电路采用了差分驱动CMOS、自举电容、有效阈值消除和动态偏置等技术，结合各个技术的优点，有效提高了整流电路的电压转换效率和功率转换效率，并且能应用于隔离电源系统中。