一种基于隔离电源的CMOS整流电路的设计

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

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187 MHz。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 0.35 μm 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5 V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^[1-3]，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^[1-2]。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%^[4]；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%^[5]。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：

其中，VDO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：

其中，IOUT是输出的直流电流，I_IN是总输入电流。从公式推导中可以看出，V_DO对于V_CE和P_CE影响是很 大的，要获得更好的整流特性，应降低V_DO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^[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^[7]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^[7]，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：

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：

将M3管的栅极-源极电压定义为： 

在M3管的栅极-源极电压V_SG2 到达其阈值电压V_TH2 之前，M3将始终保持截止状态；当V_SG3 大于V_TH3 时， M3管将开始导通，并对输出节点进行充电。此时有：

联立式(4)，可得：

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^[8]、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M13控制M9和M11的开启和管断。在 电源V_AC的正半周期(V_AC+)，M9管关断，M11管导通， 输入通过二极管连接的M5对输出电容C_L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V_AC-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V_X节点贡献相 对较大的缓冲寄生电容，影响V_X节点处的直流 电压V_DC的稳定性。在V_AC、V_X、V_OUT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^[9]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 于管子的快速开启，电路通过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^[10]。 

2.2 仿真结果及分析 

直流输出电压V_OUT、电压转换效率V_CE和功率转换 效率P_CE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=10.1 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 改进后的整流电路中各元器件参数，其 中晶体管尺寸采用0.35 μm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0.7 V时，整流器开始工作，并且在 较宽的输入范围内有较高的V_CE。当输入峰值电压为5 V时，改进后的整流电路的V_CE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5 V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了M3/M4的反向 漏电流和有效阈值电压，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 0.35 μm BCD工艺 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5 V/5 V与3.3 V/3.3 V，系统振荡频率为187 MHz。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3.3 V和输入/输出电压均为5 V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5 V，且电流大于40 mA时，系统效率逐 渐趋于稳定在39%左右，峰值效率在125 mA处取得， 为39.8%；当输入/输出均为3.3V，且电流大于30 mA 时，效率逐渐趋于稳定在36%左右，峰值效率在120 mA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^[11-12]。

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187 MHz。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。

参考文献： 

[1] FILATOV V V, KOZLOVSKIY V I. Note: Isolated high-voltage thermo-compensated DC power supply for mass spectrometry.[J]. The Review of scientific instruments,2018,89(11). 

[2] 赵秋山,王凯,徐伟,等.航天器用新型隔离充电器拓扑分析及研究 [J].电源技术,2018,42(11):1733-1735. 

[3] 李继云.RS-485隔离中继器在矿用隔爆兼本质安全型电源中 的应用[J].煤矿机电,2018(03):86-88. 

[4] CHEN B. Fully integrated isolated dc-dc converter using micro-transformers[C]. In Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. (APEC), 2008(2):335–338. 

[5] 尹珑翔,韦雪明,罗和平,等.一种基于LC振荡器的高效隔离式 DC-DC开关电源[J].微电子学,2018,48(06):733-737. 

[6] KOTANI K, ITO T. High efficiency CMOS rectifier circuit with self–Vth–cancellation and power regulation functions for UHF RFIDs[C]. in: Proceedings of the IEEE ASSCC, 2007(11):119–122. 

[7] LO Y L, CHUANG Y H. A High-Efficiency CMOS Rectifier with Wide Harvesting Range and Wide Band Based on MPPT Technique for Low-Power IoT System Applications[J]. Circuits, Systems, and Signal Processing,2017,36(12).
[8] LEE H M, GHOVANLOO M. Ghovanloo, An integrated power–efficient active rectifier with offset controlled high speed comparators for inductively powered applications[J]. IEEE Trans.Circuits Syst.I, Reg. Papers58(8), 2011(8): 1749–1760. 

[9] GHOVANLOO M, NAJAFI K. Fully integrated wideband high-current rectifiers for inductively powered devices. IEEE J. Solid State Circuits 39(11), 1976–1984 (2004). 

[10] KHAN S R, CHOI G S. High-efficiency CMOS rectifier with minimized leakage and threshold cancellation features for low power bio-implants[J]. Microelectronics Journal,2017,66. 

[11] CHEN B. Fully integrated isolated dc-dc converter using micro-transformers[C].2008 Twenty-Third Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Austin, TX, 2008, pp. 335-338. 

[12] Analog Devices.ADuM54xW—Quad-Channel Isolators with Integrated DC-to-DC Converter Datasheet[R/OL].

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