CN113792513A - 一种基于碳化硅mosfet电源管理芯片设计方法 - Google Patents

一种基于碳化硅mosfet电源管理芯片设计方法 Download PDF

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钱波
刘型志
郑可
刘辉
徐晓飞
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Abstract

本发明提出了一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，解决了二次设备硅基电源器件的高压易击穿、高温特性差、导通电阻大、损耗高的技术问题。本发明的步骤为：首先，设计具有高dv/dt抑制能力的碳化硅MOSFET驱动电路，并通过开关电路验证驱动电路的性能；其次，设计基于碳化硅MOSFET PWM环路控制电路，其中，PWM环路控制电路包括带隙基准电路、误差放大器和过温保护电路；最后，采用外置MOSFET功率器件的方式对电源管理芯片进行了测试，通过测试验证了电源管理芯片在开关电源工作环境下达到了设计的参数定义要求，且环路工作稳定。本发明有效降低了智能电网运行成本和维护成本，为建设坚强智能电网提供基础支撑。

Description

一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法
技术领域
本发明涉及电源芯片管理技术领域，特别是指一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法。
背景技术
在高功率电源管理芯片领域，一直以来长期被国外的集成电路大厂所垄断，以TI、Fairchild、ST为代表的欧美厂商几乎垄断了开关电源管理芯片。随着技术发展，陆续提出了电流模、电压模、谐振控制方式等芯片拓扑结构，在短路控制上，陆续提出了BUST MODE、PULSE skipping、HICCUP等短路控制模式，并在系统拓扑结构上也提出了副边控制模式、原边控制模式等系统控制方式等领先的系统拖布结构。进入2010年，以ADI为代表的传统信号处理芯片公司陆续提出了数字环路控制的系统和芯片结构，逐渐在工业和控制领域开始推广使用。
近年来，随着在宽禁带半导体领域技术上的突破，宽禁带半导体器件已正式进入了市场领域，针对以碳化硅为代表的宽禁带半导体，由于其噪声性能好，耐高温特性好、天然的抗辐照特性、导通电阻低以及开关频率高等特性，在电力电子和航天军工领域备受青睐。针对基于碳化硅功率器件的开关电源系统和管理芯片的研究日益活跃。国外已有成熟的基于碳化硅的功率模块成功实现商用。由于其技术上的优势和产品性能上的特点，部分高端产品对国内一直处于禁运状态。国内针对高功率电源管理芯片和电源系统的研究，在2000年以前，主要集中在研究所和高校，核心为保障我国军用电源系统的研制，主要开发方式以仿制为主。2000年以后，随着消费类市场的发展，国内陆续出现了消费类AC/DC的芯片产品，主要配套适配器和充电器市场，产品相对比较低端，电压范围较窄，无法满足工业和电力系统的需求。
国外从事碳化硅研究的主要包含Fairchild、英飞凌、日本东芝等跨国集成电路和芯片设计制造企业以及以TI、ST、ADI等为代表的集成电路设计企业。其中德国的英飞凌公司在碳化硅器件、碳化硅驱动、碳化硅电源管理芯片和碳化硅模块等方面处于全球领先的位置，2016年，英飞凌向全球发布了其碳化硅电源模块系列产品。2017年在纽伦堡的PCIM展会上，英飞凌公司又展出了1200V Cool SiC MOSFET系列模块平台。其开关管的导通阻抗达到了6mΩ，成功商用了新一代革命性的半导体技术。其大功率传输下开关频率达到了MHz。日本东芝、Fairchild等公司也与2017年陆续发布其SiC MOSFET电源管理系列产品。以TI、ST、ADI等集成电路设计公司在碳化硅电源管理芯片和碳化硅驱动芯片开发方面处于全球领先位置，其电流模控制器、Fly Back控制器、碳化硅MOSFET驱动芯片有陆续的成功产品量产的报道。
基于碳化器件的高功率电源管理芯片，主要实现以碳化硅为功率器件的电源系统的管理和控制。近年来，国内陆续出现了针对宽禁带碳化硅功率器件的研究，在功率器件的研制上也取得了突破性进展，2018年在厦门等地也陆续出现了针对碳化硅IPM(智能功率模块)研究的企业，主要采用国外的芯片，开发高功率智能电源系统，目前还尚未出现针对碳化硅电源控制芯片的研究的单位。针对于碳化硅MOSFET的驱动芯片，目前主要核心技术还掌握着英飞凌、日本的东芝等半导体大厂手里。
基于碳化器件的高功率电源管理芯片目前在国内尚未有研制单位进行研制，没有成熟的产品量产，在国外已有同类产品面世。其可靠性和性能优势得到了电力设备和高可靠性工业设备的青睐，是未来电力设备电源系统的首选元器件。目前，国内从事电源模块研究的单位较多，功率器件研制的也有一定的数量，主要以硅基为主，也逐渐开始有从事碳化硅器件研究的工作，但是缺乏从事核心器件“基于碳化硅器件的电源管理芯片”的研究，缺乏在核心技术的自主可控性。本发明主要研制一款基于碳化硅MOSFET的电源管理芯片，填补国内在该领域的空白，推动国内电源管理芯片的技术发展。
发明内容
针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，解决了二次设备硅基电源器件的高压易击穿、高温特性差、导通电阻大、损耗高的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，包括驱动电路设计和环路设计，其步骤如下：
步骤一：设计具有高dv/dt抑制能力的碳化硅MOSFET驱动电路，并通过开关电路验证驱动电路的性能；
步骤二：设计基于碳化硅MOSFET PWM环路控制电路，并基于mathcad仿真环境验证了PWM环路控制电路的性能；其中，PWM环路控制电路包括带隙基准电路、误差放大器和过温保护电路；
步骤三：采用外置MOSFET功率器件的方式对电源管理芯片进行了测试，通过测试验证了电源管理芯片在开关电源工作环境下达到了设计的参数定义要求，且环路工作稳定。
优选地，所述通过开关电路验证驱动电路的性能的方法为：
给出碳化硅MOSFET的开关电路模型，开关电路模型的参数包括门极电阻RGi、寄生电容CGD、CGS、CDS和寄生电感L0、LS；门极电阻RGi的一端分别与寄生电容CGD、CGS的一端、MOS管的G极相连接，寄生电容CGD的另一端分别与MOS管的D极、寄生电感L0的一端相连接，寄生电容CGS的一端分别与MOS管的S极、寄生电感LS的一端相连接，MOS管的S极与D极之间连接有寄生电容CDS，寄生电容CDS的两端连接有二极管；
在碳化硅MOSFET的开关电路模型开关过程中，寄生电容CGD、CGS、CDS转化为输入电容Ci、输出电容Co和反向传输电容Cr的形式，转化关系如下：
Figure BDA0003273430860000031
在开关过程中，驱动电路与碳化硅MOSFET的开关电路模型组成开通过程的等效电路；
开关过程分为四个阶段：第一，开通延迟阶段，驱动电路向输入电容Ci充电，充电电流为IG，电流IG分别对寄生电容CGS、CGD进行充电，CGS迅速充电，导致VGS快速上升，当VGS上升到大于阈值电压VGS-th时，进入第二阶段；电流IG继续为寄生电容CGS和CGD充电，VGS继续上升至米勒电压VGS-Miller，ID开逐渐上升，VDS依然保持高电平不变；阶段三，米勒平台阶段，VGS保持在米勒电压不变，门极电流为CGD放电，VDS开始下将，ID等于全部的负载电流；阶段四：VGS继续上升，ID仍等于全部的负载电流，保持不变；VDS逐渐下降到0，IG也逐渐下降到0；
通过上述四个阶段可知：碳化硅MOSFET的开通延迟时间主要取决于寄生电容CGS和CGD的充电速度，VDS的下降速度dv/dt主要取决于的寄生电容CGD的大小，ID的上升速度di/dt主要取决于寄生电容CGS的大小；因此，碳化硅MOSFET需要加入温度补偿模块或根据输出端的di/dt和dv/dt迅速地动态调节驱动电流信号和驱动电压信号。
优选地，所述带隙基准电路包括启动电路、带隙基准核心电路、运算放大器和曲率补偿电路；启动电路的输出端与带隙基准核心电路的输入端相连接，带隙基准核心电路的输出端与运算放大器的输入端相连接，运算放大器的输出端、带隙基准核心电路的输出端、曲率补偿电路的输出端均与求和电路的输入端相连接，求和电路的输出端输出带隙基准电路的输出信号。
优选地，所述误差放大器为全差分两级运算放大器，第一级为全差分电流镜放大器，第二级为ClassAB运算放大器；全差分电流镜放大器包括PMOS输入对管M1、M2、M3、M4；ClassAB运算放大器包括电位平移电路M11和M12、电位平移电路M17和M18、类输出结构M14和M15、类输出结构M20和M21、偏置管M9、M13、M19、M10和M16；
全差分两级运算放大器还包括密勒电容C1、C2、C3和C4、调零电阻R1、R2、R3和R4；
偏置管M9为第一级全差分电流镜放大器提供偏置电流，M13和M19为电位平移电路提供偏置电流，M10和M16栅极连接共模反馈电路的输出；密勒电容C1、C2、C3和C4将主极点和次极点推开；调零电阻R1、R2、R3和R4使右半平面零点移动到左半平面次主极点处以提高稳定性。
优选地，所述过温保护电路是基于温度传感器电路设计的全芯片的温度保护电路；温度传感器电路为基于双极晶体管VBE之差的PTAT温度传感器电路，PTAT温度传感器电路包括MOS管P1、P2和P3、电阻R0和R1、三极管Q1、Q2、Q3和Q4；MOS管P1、P2和P3的S极均与高电平相连接，MOS管P1的G极与MOS管P2的G极相连接，MOS管P1的D极与三极管Q2的集电极相连接，三极管Q2的集电极与三极管Q2的基极相连接，三极管Q2的发射极分别与三极管Q3的基极、三极管Q4的集电极相连接；MOS管P2的G极与MOS管P2的D极相连接，MOS管P2的D极与三极管Q1的集电极相连接，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极相连接，三极管Q1的发射极分别与三极管Q4的基极、三极管Q3的集电极相连接，三极管Q3的发射极与电阻R0相连接；MOS管P3的D极与电阻R1相连接；
PTAT温度传感器电路利用三极管Q1、Q4和Q2、Q3的基极-发射极电压差作用在电阻R0上产生PTAT电流，再在电阻R1上得到PTAT电压。
优选地，所述PTAT电压的表达式为：
Figure BDA0003273430860000041
其中，VPTAT为PTAT电压，ΔVBE表示基极与发射极电压的变化量，k表示玻尔兹曼常数，q表示电荷，T表示温度单位；
根据PTAT电压得到PTAT温度传感器电路的输出电压：
ITMP＝VPTAT/0.008-273；
其中，ITMP为PTAT温度传感器电路的输出电压。
优选地，所述全芯片的温度保护电路包括MOS管P2、P9、P10和N1、电阻R5和R6、三极管Q6；MOS管P2、P9、P10的S极均与高电平相连接，MOS管P2的G极与D极相连接，MOS管P2的G极与MOS管P9的G极相连接，MOS管P9的D极分别与电阻R5的一端、三极管Q6的基极相连接，电阻R5的另一端分别与电阻R6、MOS管N1的D极相连接，MOS管N1的的G极分别与MOS管P10的D极、三极管Q6的集电极相连接，MOS管P10的G极与MOS管P9的G极相连接。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：本发明展开高dv/dt抑制能力的碳化硅MOSFET驱动电路设计，开展复杂电磁环境下的环路控制误差放大器的研究、高精度高压带隙基准电路的研究和设计以及高温保护电路设计，通过cadence模拟环境下的电路设计，电路仿真进行了设计和仿真验证；有效降低了智能电网运行成本和维护成本，为建设坚强智能电网提供基础支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的碳化硅MOSFET的开关电路模型。
图2为本发明的开通过程的等效电路图。
图3为本发明的开通过程的波形图。
图4为本发明的带隙基准电路结构图。
图5为本发明的带隙基准电路的总体结构图。
图6为本发明的基准电压的瞬态仿真图。
图7为本发明的全差分两级放大器。
图8为本发明的PTAT温度传感器。
图9为本发明的全芯片的温度保护电路。
图10为启动过温保护电路的仿真图。
图11为关断过温保护电路的仿真图。
图12为电源管理芯片电特性测试原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，包括驱动电路设计和环路设计，其步骤如下：
步骤一：设计具有高dv/dt抑制能力的碳化硅MOSFET驱动电路，并通过开关电路验证驱动电路的性能；根据碳化硅MOSFET器件的特点，及高dv/dt、di/dt对电源系统的影响，开发分段式驱动的具有高dv/dt抑制能力的碳化硅MOSFET驱动电路；设计具有消除miller导通影响的碳化硅MOSFET驱动保护电路装置。
图1给出了碳化硅MOSFET的开关电路模型，开关电路模型的参数包括门极电阻RGi、寄生电容CGD、CGS、CDS和寄生电感L0、LS；门极电阻RGi的一端分别与寄生电容CGD、CGS的一端、MOS管的G极相连接，寄生电容CGD的另一端分别与MOS管的D极、寄生电感L0的一端相连接，寄生电容CGS的一端分别与MOS管的S极、寄生电感LS的一端相连接，MOS管的S极与D极之间连接有寄生电容CDS，寄生电容CDS的两端连接有二极管。
门极电阻RGi指的是器件的门极输入电阻，在较高的工作频率下，RGi与驱动电路输出电阻串联组成了驱动电阻，驱动电阻的大小直接影响了器件的开关时间和VGS的dv/dt。主要的寄生电容有三个，CDS为体二极管的结电容，CGD和CGS的大小与SiC MOSFET的结构有关。在碳化硅MOSFET的开关电路模型开关过程中，寄生电容CGD、CGS、CDS转化为输入电容Ci、输出电容Co和反向传输电容Cr的形式，转化关系如下：
Figure BDA0003273430860000061
在开关过程中，驱动电路需要对SiC MOSFET的输入电容进行充放电。相比于传统的Si MOSFET，SiC MOSFET的输入电容小很多，因此其导通和关断更加迅速，且对驱动电路的寄生参数更加敏感。寄生电感L0和LS的大小主要受器件封装的影响。在开关过程中，寄生电感与寄生电容构成谐振电路，会引起电流和电压的振荡和尖峰。SiC MOSFET的开关电路模型可用于分析其开通和关断的过程。驱动电路与碳化硅MOSFET的开关电路模型组成开通过程的等效电路，等效电路和波形图如图2和3所示。
开关过程分为四个阶段：第一，开通延迟阶段，驱动电路向输入电容Ci充电，充电电流为IG，电流IG分别对寄生电容CGS、CGD进行充电，CGS迅速充电，导致VGS快速上升，当VGS上升到大于阈值电压VGS-th时，进入第二阶段；电流IG继续为寄生电容CGS和CGD充电，VGS继续上升至米勒电压VGS-Miller，ID开逐渐上升，VDS依然保持高电平不变；阶段三，米勒平台阶段，VGS保持在米勒电压不变，门极电流为CGD放电，VDS开始下将，ID等于全部的负载电流；阶段四：VGS继续上升，ID仍等于全部的负载电流，保持不变；VDS逐渐下降到0，IG也逐渐下降到0；通过上述四个阶段可知：碳化硅MOSFET的开通延迟时间主要取决于寄生电容CGS和CGD的充电速度，VDS的下降速度dv/dt主要取决于的寄生电容CGD的大小，ID的上升速度di/dt主要取决于寄生电容CGS的大小；由于碳化硅MOSFET的寄生电容CGS和CGD均较小，因此其开通延迟时间短，导通过程的di/dt和dv/dt均较大。因此，碳化硅MOSFET驱动电路的要求驱动电路的延迟时间要求更小，以减少开关过程的死区时间，提高开关效率和控制精度，通常工作在兆赫兹的碳化硅MOSFET其驱动电路的延迟时间需控制在10ns以内。为减少开关过程中米勒平台的持续时间，碳化硅MOSFET驱动电路所提供的驱动电流峰值需尽可能大，从而缩短米勒电容的充放电时间，提高碳化硅MOSFET的开关速度。同时，碳化硅MOSFET的输入电容和输入电阻都很小，因此它对驱动电路的寄生参数十分敏感。所以，驱动电路需有较强的电气隔离性能，以避免控制电路与主电路之间产生干扰。为减少碳化硅MOSFET的开关损耗，驱动电路需要尽量减少开关器件的导通和关断时间。具体地，驱动电路可以提供高dVGS/dt的门极驱动电压，减少栅源极电压上升和下降的时间。同时，在高温条件下，碳化硅MOSFET的阈值电压会急剧下降。因此，高温条件下，门极驱动电压的尖峰和延时可能造成开关器件的误导通，从而增大了开关损耗。因此，碳化硅MOSFET需要加入温度补偿模块或根据输出端的di/dt和dv/dt迅速地动态调节驱动电流信号和驱动电压信号。
步骤二：设计基于碳化硅MOSFET PWM环路控制电路，并基于mathcad仿真环境验证了PWM环路控制电路的性能；其中，PWM环路控制电路包括带隙基准电路、误差放大器和过温保护电路；如图4所示，带隙基准电路包括启动电路(Startup)、带隙基准核心电路(BandgapCore)、运算放大器(AMP)和曲率补偿电路(Curvature Compensation)；启动电路的输出端与带隙基准核心电路的输入端相连接，带隙基准核心电路的输出端与运算放大器的输入端相连接，运算放大器的输出端、带隙基准核心电路的输出端、曲率补偿电路的输出端均与求和电路的输入端相连接，求和电路的输出端输出带隙基准电路的输出信号。本发明采用了传统的电压模式结构，其温度系数比较高，因此加入曲率补偿电路来降低它的温度系数。此外，还加入了微调电路，以便在流片后能够调节由于工艺误差造成的参数指标偏差。带隙基准电路的总体结构如图5所示。带隙基准电路的上电启动仿真结果如图6所示。由图6可见，常温条件(27℃)下，基准电压在稳定后的值为精确的3.065V。
如图7所示，误差放大器为全差分两级运算放大器，第一级为全差分电流镜放大器，第二级为ClassAB运算放大器；全差分电流镜放大器包括PMOS输入对管M1、M2、M3、M4；ClassAB运算放大器包括电位平移电路M11和M12、电位平移电路M17和M18、类输出结构M14和M15、类输出结构M20和M21、偏置管M9、M13、M19、M10和M16；全差分两级运算放大器还包括密勒电容C1、C2、C3和C4、调零电阻R1、R2、R3和R4；偏置管M9为第一级全差分电流镜放大器提供偏置电流，M13和M19为电位平移电路提供偏置电流，M10和M16栅极连接共模反馈电路的输出；密勒电容C1、C2、C3和C4将主极点和次极点推开；但利用密勒效应推开主极点和次极点的同时也会引入前馈通路，产生右半平面零点。调零电阻R1、R2、R3和R4使右半平面零点移动到左半平面次主极点处以提高稳定性。
所述过温保护电路是基于温度传感器电路设计的全芯片的温度保护电路；如图8所示，温度传感器电路为基于双极晶体管VBE之差的PTAT温度传感器电路，PTAT温度传感器电路包括MOS管P1、P2和P3、电阻R0和R1、三极管Q1、Q2、Q3和Q4；MOS管P1、P2和P3的S极均与高电平相连接，MOS管P1的G极与MOS管P2的G极相连接，MOS管P1的D极与三极管Q2的集电极相连接，三极管Q2的集电极与三极管Q2的基极相连接，三极管Q2的发射极分别与三极管Q3的基极、三极管Q4的集电极相连接；MOS管P2的G极与MOS管P2的D极相连接，MOS管P2的D极与三极管Q1的集电极相连接，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极相连接，三极管Q1的发射极分别与三极管Q4的基极、三极管Q3的集电极相连接，三极管Q3的发射极与电阻R0相连接；MOS管P3的D极与电阻R1相连接。
PTAT温度传感器电路利用三极管Q1、Q4和Q2、Q3的基极-发射极电压差作用在电阻R0上产生PTAT电流，再在电阻R1上得到PTAT电压。
如图8所示，PTAT电压的表达式为：
Figure BDA0003273430860000081
其中，VPTAT为PTAT电压，ΔVBE表示基极与发射极电压的变化量，k表示玻尔兹曼常数，q表示电荷，T表示温度单位。根据上式，调节电阻R1和R0的比例就可以调节PTAT电压的斜率。
根据PTAT电压得到PTAT温度传感器电路的输出电压：
ITMP＝VPTAT/0.008-273；
其中，ITMP为PTAT温度传感器电路的输出电压。按照上式，即可以根据ADC对温度传感器输出电压的转换结果，直接得出当前的实际温度。
如图9所示，全芯片的温度保护电路包括MOS管P2、P9、P10和N1、电阻R5和R6、三极管Q6；MOS管P2、P9、P10的S极均与高电平相连接，MOS管P2的G极与D极相连接，MOS管P2的G极与MOS管P9的G极相连接，MOS管P9的D极分别与电阻R5的一端、三极管Q6的基极相连接，电阻R5的另一端分别与电阻R6、MOS管N1的D极相连接，MOS管N1的的G极分别与MOS管P10的D极、三极管Q6的集电极相连接，MOS管P10的G极与MOS管P9的G极相连接。
在电路正常工作，且温度较低时IPTAT的值比较低，A点电压值较低，三极管Q6截止，B点为高电压，N1导通使C点电压拉到地电压，此时A点电压为：
VA＝IPTAT(R5+R6||RN1)；
其中，RN1为N1管的导通电阻。因此，当温度升到某个值时，A点电压会达到三极管Q6的基极-发射极电压。当超过这个温度时，三极管Q6导通，输出变为低电压，产生了过温保护的数字指示。因此，具体的过温保护电压可以通过调节电阻R5的值来实现。过温保护的同时，MOS管N1关断，A点电压又变为：
VA＝IPTAT(R5+R6)；
对比计算A点电压的两个公式可知，发生过温保护后，芯片想要重新恢复正常工作，温度必须要降到比发生过温保护时的温度更低，即实现了过温保护的迟滞功能。从正常工作到发生过温保护的温度仿真结果如图10所示。可见，过温保护发生在145℃，此时芯片中的ADC、低压电源电路和带隙基准电路都会被关断起到保护作用。
而当温度从高温下降到一定程度时，过温保护电路就会关断，芯片又会重新开始工作。关断过温保护电路的仿真结果如图11所示，当温度降低到137℃时，过温保护电路就会关断，芯片又重新开始工作。因此该电路可以实现8℃的温度迟滞范围。
步骤三：针对本发明设计的碳化硅MOSFET电源管理芯片，采用外置MOSFET功率器件的方式对电源管理芯片进行了测试，验证了电源管理芯片设计的基本功能和性能参数，通过测试验证了电源管理芯片在开关电源工作环境下达到了设计的参数定义要求，且环路工作稳定。
本发明的电源管理芯片是一款系统控制芯片，芯片单独无法实现具体的系统功能和性能，需要针对系统应用和芯片的环路设计，研究控制芯片的测试验证技术。电源管理芯片电特性测试原理图如图12所示。测试参数如表1所示：
表1电源管理芯片的测试参数
Figure BDA0003273430860000091
Figure BDA0003273430860000101
Figure BDA0003273430860000111
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，其特征在于，包括驱动电路设计和环路设计，其步骤如下：
步骤一：设计具有高dv/dt抑制能力的碳化硅MOSFET驱动电路，并通过开关电路验证驱动电路的性能；
步骤二：设计基于碳化硅MOSFET PWM环路控制电路，并基于mathcad仿真环境验证了PWM环路控制电路的性能；其中，PWM环路控制电路包括带隙基准电路、误差放大器和过温保护电路；
步骤三：采用外置MOSFET功率器件的方式对电源管理芯片进行了测试，通过测试验证了电源管理芯片在开关电源工作环境下达到了设计的参数定义要求，且环路工作稳定。
2.根据权利要求1所述的基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，其特征在于，所述通过开关电路验证驱动电路的性能的方法为：
给出碳化硅MOSFET的开关电路模型，开关电路模型的参数包括门极电阻RGi、寄生电容CGD、CGS、CDS和寄生电感L0、LS；门极电阻RGi的一端分别与寄生电容CGD、CGS的一端、MOS管的G极相连接，寄生电容CGD的另一端分别与MOS管的D极、寄生电感L0的一端相连接，寄生电容CGS的一端分别与MOS管的S极、寄生电感LS的一端相连接，MOS管的S极与D极之间连接有寄生电容CDS，寄生电容CDS的两端连接有二极管；
在碳化硅MOSFET的开关电路模型开关过程中，寄生电容CGD、CGS、CDS转化为输入电容Ci、输出电容Co和反向传输电容Cr的形式，转化关系如下：
Figure FDA0003273430850000011
在开关过程中，驱动电路与碳化硅MOSFET的开关电路模型组成开通过程的等效电路；
开关过程分为四个阶段：第一，开通延迟阶段，驱动电路向输入电容Ci充电，充电电流为IG，电流IG分别对寄生电容CGS、CGD进行充电，CGS迅速充电，导致VGS快速上升，当VGS上升到大于阈值电压VGS-th时，进入第二阶段；电流IG继续为寄生电容CGS和CGD充电，VGS继续上升至米勒电压VGS-Miller，ID开逐渐上升，VDS依然保持高电平不变；阶段三，米勒平台阶段，VGS保持在米勒电压不变，门极电流为CGD放电，VDS开始下将，ID等于全部的负载电流；阶段四：VGS继续上升，ID仍等于全部的负载电流，保持不变；VDS逐渐下降到0，IG也逐渐下降到0；
通过上述四个阶段可知：碳化硅MOSFET的开通延迟时间主要取决于寄生电容CGS和CGD的充电速度，VDS的下降速度dv/dt主要取决于的寄生电容CGD的大小，ID的上升速度di/dt主要取决于寄生电容CGS的大小；因此，碳化硅MOSFET需要加入温度补偿模块或根据输出端的di/dt和dv/dt迅速地动态调节驱动电流信号和驱动电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，其特征在于，所述带隙基准电路包括启动电路、带隙基准核心电路、运算放大器和曲率补偿电路；启动电路的输出端与带隙基准核心电路的输入端相连接，带隙基准核心电路的输出端与运算放大器的输入端相连接，运算放大器的输出端、带隙基准核心电路的输出端、曲率补偿电路的输出端均与求和电路的输入端相连接，求和电路的输出端输出带隙基准电路的输出信号。
4.根据权利要求3所述的基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，其特征在于，所述误差放大器为全差分两级运算放大器，第一级为全差分电流镜放大器，第二级为ClassAB运算放大器；全差分电流镜放大器包括PMOS输入对管M1、M2、M3、M4；ClassAB运算放大器包括电位平移电路M11和M12、电位平移电路M17和M18、类输出结构M14和M15、类输出结构M20和M21、偏置管M9、M13、M19、M10和M16；
全差分两级运算放大器还包括密勒电容C1、C2、C3和C4、调零电阻R1、R2、R3和R4；
偏置管M9为第一级全差分电流镜放大器提供偏置电流，M13和M19为电位平移电路提供偏置电流，M10和M16栅极连接共模反馈电路的输出；密勒电容C1、C2、C3和C4将主极点和次极点推开；调零电阻R1、R2、R3和R4使右半平面零点移动到左半平面次主极点处以提高稳定性。
5.根据权利要求3所述的基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，其特征在于，所述过温保护电路是基于温度传感器电路设计的全芯片的温度保护电路；温度传感器电路为基于双极晶体管VBE之差的PTAT温度传感器电路，PTAT温度传感器电路包括MOS管P1、P2和P3、电阻R0和R1、三极管Q1、Q2、Q3和Q4；MOS管P1、P2和P3的S极均与高电平相连接，MOS管P1的G极与MOS管P2的G极相连接，MOS管P1的D极与三极管Q2的集电极相连接，三极管Q2的集电极与三极管Q2的基极相连接，三极管Q2的发射极分别与三极管Q3的基极、三极管Q4的集电极相连接；MOS管P2的G极与MOS管P2的D极相连接，MOS管P2的D极与三极管Q1的集电极相连接，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极相连接，三极管Q1的发射极分别与三极管Q4的基极、三极管Q3的集电极相连接，三极管Q3的发射极与电阻R0相连接；MOS管P3的D极与电阻R1相连接；
PTAT温度传感器电路利用三极管Q1、Q4和Q2、Q3的基极-发射极电压差作用在电阻R0上产生PTAT电流，再在电阻R1上得到PTAT电压。
6.根据权利要求5所述的基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，其特征在于，所述PTAT电压的表达式为：
Figure FDA0003273430850000031
其中，VPTAT为PTAT电压，ΔVBE表示基极与发射极电压的变化量，k表示玻尔兹曼常数，q表示电荷，T表示温度单位；
根据PTAT电压得到PTAT温度传感器电路的输出电压：
ITMP＝VPTAT/0.008-273；
其中，ITMP为PTAT温度传感器电路的输出电压。
7.根据权利要求5所述的基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，其特征在于，所述全芯片的温度保护电路包括MOS管P2、P9、P10和N1、电阻R5和R6、三极管Q6；MOS管P2、P9、P10的S极均与高电平相连接，MOS管P2的G极与D极相连接，MOS管P2的G极与MOS管P9的G极相连接，MOS管P9的D极分别与电阻R5的一端、三极管Q6的基极相连接，电阻R5的另一端分别与电阻R6、MOS管N1的D极相连接，MOS管N1的的G极分别与MOS管P10的D极、三极管Q6的集电极相连接，MOS管P10的G极与MOS管P9的G极相连接。
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