（微电子学与固体电子学专业论文）恒压输出型电荷泵电源管理芯片的设计.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开人学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图j 伟馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：韭勇 2 0 1 0年5月3 1 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目恒压输出型电荷泵电源管理芯片的设计 姓名张勇学号 2 1 2 0 0 7 0 2 1 7 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 9 日 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信息科学技术学院 专业 微电子学与固体电子学 联系电话 13 8 2 0 2 4 5 5 9 8e m a i l 2 9 7 2 2 9 6 4 6 q q t o m 通信地址( 邮编) ：3 0 0 4 5 7 备注： 是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 1 , 40 11 7 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 瑟勇 2 0 1 0年5月3 1 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密l o 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 电源是电子产品的一个关键组成部分，直接影响电子产品的整体性能。近 年来，随着手机，数码照相机，p d a ，m p 3 播放器，个人电脑等便携式电子产品 的需求迅速增长，相应的对电源管理芯片提出了更高的要求，比如更高的效率， 更小的体积，更大的驱动能力等等。本文设计了一种恒压输出的高效电荷泵电 源管理芯片，集成了欠压保护，过温保护功能，提高了系统稳定性，非常适用 于便携式产品的电源需求。 本文首先介绍了几种d c d c 转换器的拓扑结构，简要分析其原理并比较它 们性能的优劣。然后详细分析了2 x 电荷泵的工作原理。根据设计需要，选择了 跳周期控制模式，建立整体架构，完成功能模块的设计和仿真。本文主要包括 带隙基准，振荡器，电源选择，比较器等功能模块。最后给出了芯片的整体仿 真情况，在选定工艺a s m cb c d l 2 1 的情况下，用仿真软件s p e c t r e 仿真得到： 在输入电压为2 7 v 5 v 范围内，开关频率为1 m 时，输出电压稳定在5 v ，纹波 大小控制在2 的范围内，最大输出电流大于9 0 m i 。在输入电压为3 v ，输出电 流为9 0 m a 的情况下，效率超过8 0 。 关键词：电荷泵跳周期过温保护欠压保护 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rs u p p l yi sak e yc o m p o n e n to fe l e c t r o n i c p r o d u c t s ，h a v i n gad i r e c t i n f l u e n c eo nt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o n i cp r o d u c t s i nr e c e n ty e a r s ，a st h e d e m a n df o rc e l lp h o n e s ，d i g i t a lc a m e r a s ，p d a ，m p 3p l a y e r s ，p e r s o n a lc o m p u t e r sa n d o t h e rp o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e si n c r e a s er a p i d l y , p o w e rm a n a g e m e n ti ch a v eb e e n s e th i g h e rr e q u i r e m e n t s ，s u c ha s h i g h e re f f i c i e n c y , s m a l l e rs i z e ，g r e a t e rd r i v e c a p a b i l i t ya n ds oo n i nt h i sp a p e r , a ne f f i c i e n t c o n s t a n to u t p u tc h a r g ep u m pp o w e r m a n a g e m e n ti c ，i n t e g r a t e du n d e r - v o l t a g ep r o t e c t i o na n do v e r - t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n ， i sp r e s e n t e d t h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mi s i m p r o v e da n di t i sv e r ys u i t a b l ef o r p o r t a b l ed e v i c e a tt h ef i r s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e ss e v e r a ld c d cc o n v e r t e rt o p o l o g yw i t hab r i e f a n a l y s i so fi t sp r i n c i p l e sa n dc o m p a r i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e n p r i n c i p l eo f2 xc h a r g ep u m pi sa n a l y z e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nn e e d s ，t h e s k i pc y c l ec o n t r o lm o d ei st h eb e s to p t i o n t h eo v e r a l lf r a m e w o r ki se s t a b l i s h e da n d t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fs u b m o d u l e sa r ef i n i s h e d p r i n c i p a lm o d u l e si n c l u d e b a n d g a pr e f e r e n c e ，o s c i l l a t o r , p o w e rs u p p l ys e l e c ta n dc o m p a r a t o r f i n a l l y , b a s e do na s m c b c d121p r o c e s sa n ds p e c t r es i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h e w h o l ec h i pi ss i m u l a t e d u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ei n p u tv o l t a g er a n g ef r o m2 7 v t o5 va n ds w i t c h i n gf r e q u e n c yi s1m h z ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea sf o l l o w ：t h eo u t p u t v o l t a g es t a b l ea t5 v ；r i p p l es i z ei sl e s st h a n 2 ；m a x i m u mo u t p u tc u r r e n ti sm o r e t h a n9 0 m a ；w h i l ei n p u tv o l t a g ei s3 va n do u t p u tc u r r e n ti s9 0 m a ，e f f i c i e n c ye x c e e d s 8 0 k e yw o r d ：c h a r g ep u m p ， s k i pc y c l e ， o v e r - t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o n ， u n d e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章序言1 第一节研究背景1 第二节d c d c 芯片主要种类介绍2 1 2 1 线性稳压器2 1 2 2 电感式d c d c 转换器3 1 2 3 电容式d c d c 转换器4 第三节本文主要工作及研究意义5 第二章整体电路结构设计7 第一节d i c k s o n 电荷泵7 第二节2 x 电荷泵电路的工作原理分析8 第三节2 x 电荷泵电路的特性参数讨论1 l 2 3 1 输出电压1 1 2 3 2 输出电压纹波1 2 2 3 3 输入纹波1 4 2 3 4 静态电流1 4 2 3 5 效率1 5 第四节电荷泵电路调制模式1 6 第五节设计注意点1 8 2 5 1 开关管选择1 8 2 5 2 开关频率和输入输出电容选择1 9 第六节整体框架图1 9 i i i 目录 第三章功能模块的设计和仿真2 2 第一节偏置电路2 2 第二节带隙基准电路2 4 3 2 1 带隙基准产生原理2 5 3 2 2 具体带隙基准电路设计2 6 第三节时钟产生电路3 2 第四节调制电路3 5 第五节电源选择电路3 8 第六节欠压保护电路4 0 3 6 1 欠压保护电路的基本原理4 0 3 6 2 欠压保护电路的具体电路设计4 2 第七节过温保护电路4 4 第八节逻辑控制4 7 第四章整体电路仿真5 0 第五章总结5 6 参考文献5 7 致谢5 9 个人简历6 0 i v 第一章序言 第一章序言 第一节研究背景 在中国市场上，随着全球电子制造产业向中国转移，中国电子信息产业规 模不断扩大，目前已经成为全球最重要的电子制造业产业基地之一。在下游电 子产品产量高速增长的带动下，中国电源管理芯片市场保持了快速的增长，从 2 0 0 3 2 0 0 7 年，市场复合增长率达到2 5 。据c s i a 初步统计，2 0 0 9 年上半年中 国的电源管理芯片的销售额达到1 3 9 2 亿，虽然比2 0 0 8 年同期下降1 3 7 ，但 同时要注意到世界金融危机的全面波及。从整体趋势来看，下半年已经逐步走 向恢复【，电源管理芯片发展前景良好。 从市场份额来看，消费电子、网络通信和计算机一直是电源管理芯片市场 最主要的应用领域，三大领域占据了中国电源管理芯片市场近8 0 的市场份额。 从市场占有率方面来看，目前的电源管理芯片市场有八成以上是被i d m 厂商所 占据，市场的竞争格局基本没有改变，仍然是国外厂商占统治地位，厂商主要 包括t i 、n s 、飞兆半导体公司、安森美、s t 、m a x i m 及凌力尔特等，这些国外 厂商在市场和技术上都仍然占有较大优势。 国际电信联盟2 月2 3 日在同内瓦发布的( 2 0 1 0 信息与通信技术发展指数 报告说，尽管全球经济不景气，信息通信技术服务的利用率在全球仍呈持续增长 趋势，预计2 0 1 0 年全球手机用户数量在今年将突破5 0 亿【2 j 。p c 也传来好消息， 数据显示，全球p c 业2 0 1 0 年一季度销量再创新高，同比增长高达2 7 4 ，这是 继去年经济危机后，p c 行业的季度出货量首次重回增长2 0 以上的水平，一季 度全球p c 出货量达8 4 3 0 万台【3 1 。这些电池供电设备的增长，将会带动电池管 理芯片需求的增长。数量的提高伴随着对质量的要求，随着便携式设备的进一 步发展，消费者对于电源的要求日渐提高，主要有：高效率、低功耗、低占用 面积，低e m i 、高稳定性等等。 第一章序言 第二节d c i d c 芯片主要种类介绍 电源管理芯片的转换种类很多，有交流直流变换，交流交流变换，直流直 流变换等等，但是对于便携式产品来说，主要供电电源是电池。所以本文主要 是关于直流到直流的转换( d c d c ) 。d c d c 转换芯片主要有三种结构4 】：线性 稳压器、电感式d c d c 转换器、电容式d c d c 转换器，其中电感式d c d c 转 换器、电容式d c d c 转换器是开关器件。下面将简单介绍其拓扑机构以及工作 原理。 1 2 1 线性稳压器 线性稳压器结构如图1 1 ，由功率管p ，误差放大器，反馈电阻r 1 ，r 2 和 负载电阻r l 组成。输出电压通过反馈电阻网络采样后，反馈到误差放大器正相 端与预先设定的参考电压v r e f 比较，得到的输出信号来控制功率调整管p ，改 变输出电阻，保持输出电压稳定。比如当输出电压升高时，输出采样电压升高， 误差放大器的输出增大，那么p m o s 管的栅极电压增大，漏极电流减小，结果 流过负载电阻的电流就减小，输出电压降低，保持输出电压恒定。 眦 图1 1线形稳压器的结构示意图 由于线形稳压器采用了线性调节原理，没有功率管的导通和关断，线性稳 压器输出纹波小，但是只能降压不能升压，而且效率取决于输出电压与输入电 压之咄5 1 。把5 v 电压降为4 5 v 时，其效率可以达到9 0 ，但是把5 v 电压降为 2 第一章序言 3 v 时，其效率降就只有6 0 。当输出电压太小时，效率会变得很低。同时大部 分能量消耗在功率管上，如果要求的输出电流又比较大的时候，会导致芯片过 热，出现误操作或者烧毁芯片。因此线性稳压器常用于高的噪声抑制和纹波抑 制，低压差，不使用电感，低成本的设计，比如为强噪声的开关电源输出进行 滤波，为敏感的r f 或音频电路供电。 1 2 2 电感式d c d c 转换器 电感式转换器主要是利用电感上的电流不会突变的特性，同时利用电感和 电容来转移和储存能量，得到稳定的输出电压。主要有三种拓扑结构：降压型 ( b u c k ) ，升压型( b o o s t ) ，降压升压型( b u c k b o o s t ) ，形式多样，能应 对不同应用场合【6 1 。以降压型为例，结构如图1 2 ，主要包括电感l ，功率开关 管m ，控制时钟c l k ，二极管d ，输出电容c 和负载电阻r 。 l v i n 图1 2电感型开关电源的原理图 r 简单分析其原理，当控制时钟c l k 为高时，功率开关管m 导通，输入电源 v i n 通过开关管向负载电阻r 和输出电容c 转移能量，同时向电感冲能，流过 电感l 的电流增加，能量以磁能的形式储存在电感l 中，续流二极管d 反偏， 处于截止状态。当控制时钟c l k 为低时，功率开关管m 截止，因为电感l 的 电流不能发生突变，电感l 两端的电压反相，使续流二极管d 导通，电感为r c 网络提供能量，随着能量的转移，电感电流逐渐减小，电感上的电压也逐渐减 小，当电感l 两端的电压不足以维持续流二极管d 导通时，续流二极管d 截至， 电感l 上没有能量传输，电容单独对负载电阻放电。 第一章序言 电感式开关电源转换器的效率非常高，提高电池的使用寿命的同时，还通 常不需要体积大，成本高的散热器，大电流时非常理想。但是由于采用了电感， 使得整体占用大的面积，设计复杂，有较大的输出纹波。 1 2 3 电容式d c d c 转换器 电容式d c d c 转换器通常又被称为电荷泵电路，主要利用电容上的电压不 能突变的特性，只用电容来转移和储存能量。能升压也能降压，以升压为例， 结构如图1 3 ，主要包括泵电容c 1 和输出电容c 2 ，开关s 2 、s 2 、s 3 、s 4 。 q s ， s 3j f s l s 3 s 2f 专 c 2 。q 图1 3电荷泵电路的简单原理图 o s 1 、s 2 、s 3 、s 4 四个开关分为两组，s l s 4 一组，$ 2 s 3 一组，当$ 2 s 3 闭合 s 1 s 4 断开时，输入电源v i n 对泵电容c l 充电，到稳态时，电容两端电压为v i n 。 当s 1 s 4 闭合$ 2 s 3 断开时，c l 负端通过s 1 连接到输入电源，一起对输出电容 充电，输出v o = 2 v i n ，实现电压的2 倍提升。 电荷泵电路只需要外部电容，而不需要电感，因此降低了占用面积和设计 复杂度，同时无电磁干扰，噪声小，输出电压纹波小。电荷泵电路常用于产生 e p r o m 编程和擦除所需要的电压，只需要一个外部电源就可以实现读出、写入 和擦除的所有操作。同时也可用于驱动手机，数码相机，p d a 等便携式电子产 品或者l c d 背光驱动【7 j 。 由上可以了解到这三种d c d c 转换芯片结构各有优缺点，现在综合对比如 下： 输出电压：相比于线形稳压器只能降压，电感型和电容型转换器能降压也 能升压，使用灵活，可以大大延长电池的使用时间，两者的升压范围也有所不 4 第一章序言 同，绝大多数电荷泵只能提供最大2 倍于电源电压的输出电压，电感型则没有 这个限制，可以升高到4 q 倍于电源电压，甚至更高。从这个特点也可以看出 电荷泵常用于驱动并联电路，电感型用于驱动串联电路。 在驱动能力上：电感型多用于超过3 0 0 m a 输出电流的大功率情况，线形稳 压器常用于小功率情形，而电荷泵介于两者之间。 在效率上：线形稳压器效率最低，电荷泵和电感型效率都很高，最高可以 达到9 0 【8 】。电感式转换器随着输入电压的变动，效率变化很小，平均效率很高， 但是效率容易随着电感值的变化而变化。 电源体积上：电荷泵电路只需要选择适当的电容，不需要任何电感，极大 的缩小了电源面积，一般来说体积是电感型开关电源的1 3 ，重量是其1 4 。同 时由于效率很高，不像线形稳压器一样需要体积庞大的散热器。 输出纹波：线形稳压器由于没有开关过程，所以纹波最小，系统最稳定， 开关电源的纹波都比较大，而且由于电感是磁性元件，有很强的电磁干扰，对 于许多敏感电路，电感型开关电源不适用。 总结起来电荷泵电路具有无电磁干扰，高集成度，高性价比，高效率，最 简单外围电路，比较大的输出电流和低成本等优势。 第三节本文主要工作及研究意义 随着手机，照相机，p d a ，m p 3 播放器，个人电脑等便携式电子产品的需求 迅速增长，相应的对电源管理芯片提出了更高的要求。比如，在当今社会普遍 青睐轻便小巧的情况下，电子产品的体积不断被压缩，重量被不断减轻，设备 的体积限制就要求了电源管理系统也要尽可能的减小所占空间。其次，由于多 采用电池供电，如何提高电池的使用时间，如何提高电池的使用寿命又成为电 源系统的一个重点问题。再次，当今的电子产品性能要求不断提高，功能个性 多样，需要更大的驱动能力，同时像手机一类的通信器件要避免大的电磁干扰。 最后还要考虑成本因素，价格也是产品的竞争力。综上，电荷泵具有的高效率， 高集成度，低占用面积，低成本，低e m i ，比较大的驱动能力非常符合小功率 便携式产品的需要。本文主要设计一个恒压输出为5 v 的电荷泵电路，3 v 电压 输入时，最大输出电流为9 0 m a 。 第一章介绍了电源管理芯片的发展趋势，接着介绍了直流转换器的几种主 第一章序言 要结构，并分析其优缺点。 第二章先回顾了最早的d i c k s o n 电荷泵的结构，然后仔细分析了2 x 电荷泵 的工作原理，确定基本电路结构。进行系统设计，确定各个器件参数值，并给 出了整体结构框图。 第三章是各个功能模块的设计。从介绍模块功能开始，然后分析其具体工 作原理，给出具体电路图，计算出电路相关的参数值，并给出最后的仿真结果。 第四章为电路的整体仿真。测试整体电路的功能，得出芯片的总体电学特 性。 第五章总结以上工作，找出设计中的不足，提出改进方法。 6 第二章整体电路结构设计 第二章整体电路结构设计 第一节d i c k s o n 电荷泵 1 9 7 6 年d i c k s o n 提出了最早的电荷泵模型 9 1 ，其原理就是利用了电容两端电 压不能突变的特性，积累电荷并产生很高的电压，这种电路的输出电流不大， 多为产生e p r o m 编程和擦除所需要的电压。图2 1 为d i c k s o n 电荷泵的原理图 v i n a b i 一 i 1 2 m 1m 2 c 1c 2c n - 1c n 图2 1d i c k s o n 电荷泵原理图 c o j - a 、b 为两个反相时钟，幅值设为v 。当a 为低电平，b 为高电平时，v i n 通过m o s 管m 1 对电容c 1 充电，到稳态时，c 1 极板上的电压为v i n v t h ，( v m 为m o s 的阈值电压) 。当b 为低电平时，a 为高电平时，由于电容两端的电压 不能突变，节点l 的电压变为v i n v m + v ，节点l 又对节点2 充电，直到节点 2 的电压变为v i n + v 一2 v t h 。当时钟再次反相的时候，节点2 的电压变为v i n + 2 v - 2 v t a ，然后节点2 又向下一个节点充电，下面的节点情况一样，最终电荷通 过n m o s 管一级一级往下传，直到第n 级，传到输出电容上，最后的输出电压 为 v o = v i n + n ( v - ) 一v t h ( 2 1 ) 考虑到开关寄生电容c s 和负载电流i o 的影响，这时的输出电压为 v o “m n 矗v 一而i 可o _ v m 2 ， 每一级的增益为 7 第二章整体电路结构设计 v o2 矗v 一面i 可。一v m ( 2 3 ) 前几级的输出电压还不高，体效应还不大。随着级数的增加，体效应越来 越大，当 矗v一面i硒oc c = v m c 2 m +s【c + c s ) f 这时级问增益减4 , n0 ，最大输出电压被限制，级数的增加对输出电压没有 增益了。d i c k s o n 电荷泵的电压增益主要受m o s 管的阈值电压和体效应的影响。 可见改进电路结构来消除阈值电压的影响，减小电路级数都能显著提高电荷泵 的转换效率。 第二节2 x 电荷泵电路的工作原理分析 电荷泵电路按照输出电压来看，有常见的升压2 倍型，1 5 倍型，有降压的 1 2 倍型，1 3 倍型，不变压的1 倍型，还有与输入电压极性相反的反相电荷泵。 考虑到需要5 v 电压的恒压输出，采用2 倍电荷泵结构。电荷泵的主要分析方法 有连续时间测1 0 , 1 1 1 和平均法【1 2 , 1 3 】，其中连续时间法比较准确，但是推导过程很复 杂，平均法假定电荷泵在充电放电阶段电流恒定。很清晰的揭露了电荷泵的工 作状态。由于此次采用的开关频率很高，满足平均法的分析条件，所以采用平 均法进行分析。2 x 电荷泵结构如图2 2 。 v o 图2 22 x 电荷泵原理图 c 1 是泵电容，c 2 是输出电容，r l 是负载电阻，m l m 4 是功率开关管， 第二章整体电路结构设计 v i n 为输入电压，v o 为输出电压。m 1 m 4 为一组，m 2 m 3 为一组，由图2 2 可 知，m 1 m 2 不能同时导通，不然电源与地之间被低阻连接；m 4 与m 2 或m 3 也 不能同时导通，不然输出电容会对电源，泵电容反充电，因此需要两互不交替 时钟分别控制其闭合与断开。由振荡器产生时钟c l k ，然后c l k 再生成两互不 交替时钟c l k l ，c l k 2 ，设不交叠时间( 死区时间) 为a t 。电荷泵的工作过程分 为三个阶段，分别是充电阶段a ，放电阶段b ，等待阶段c 。设开关周期为t ， 控制时钟占空比为d ，则一个周期内，c l k l 的高电平时间为d t - at ，c l k 2 的 高电平时间为( 1 - d ) t at ，把m o s 开关等效为理想开关和导通电阻串联，假定四 个m o s 开关管的导通电阻相等，表示为r o n ，得到开关时序示意图2 3 ，各阶 段的等效电路图2 4 。 吼k _ l c l 鼬广 ；i ； c l ；i 厂 j v l n t ；厂 a b! c ： 图2 32 x 电荷泵的开关时序图 i b v i n 塑! 垦默i m 4 r o n 4 b 图2 42 x 电荷泵的等效电路图 充电阶段a ：当m 2 m 3 导通m 1 m 4 关断，输入电源v i n 对泵电容c 1 充电， 9 第_ 二章整体电路结构设计 输出电容c 2 单独对负载放电，得到等效图2 4 ( a ) ，到充电稳定时 v c l l = v i n i a 2 r o n ( 2 5 ) 泵电容电荷增量为 a q c l l = i a ( d t a t ) ( 2 6 ) 输出电容上电荷增量为 a q c 2 1 = 一i o ( d t a t ) ( 2 7 ) i a 是平均充电电流。 放电阶段b ：当m 1 m 4 导通m 2 m 3 关断，c 1 负端通过m 1 连到输入电源， 和输入电源一起对c 2 充电，此时c l 放电。 v o = v i n + v c l 一i b 2 r o n v c l 2 = v o v 1 n + i b 2 r o n ( 2 8 ) 泵电容电荷增量为 q c l 2 = 一i b ( 1 一d ) t a t 】 ( 2 9 ) 输出电容上电荷增量为 a q c 2 2 = ( i b i o 一d ) t a t 】 ( 2 1 0 ) i b 是平均放电电流。 等待阶段c ：所有功率管都关断，没有能量流入电荷泵，c 2 单独对负载供 电。 泵电容电荷增量为 a q c l 3 = 0 ( 2 1 1 ) 输出电容上电荷增量为 a q c 2 = 一i o 2 a t ( 2 1 2 ) 一个周期内，泵电容电荷量和输出电容上电荷守恒 a q c l l + a q c l 2 + a q c l 3 = 0 ( 2 1 3 ) a q c 2 1 + a q c 2 2 + a q c 2 3 = 0 ( 2 1 4 ) l o 第一二章整体电路结构设计 求解得到： 卜矗 t 驴砩i o ( 1 一d ) 一等 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 在每个周期内，充电阶段和放电阶段泵电容上的电荷量差值为传输给负载 a q = c i ( v c l l 一v c l 2 ) = i 。t ( 2 1 7 ) 把式( 2 5 ) ( 2 8 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 代入( 2 1 7 ) 可以得到输出电压表达式 v：0=2一而io一一2ron xi o ( 2 1 8 ) - t 见输出电压正比于泵电容c 1 ，开关频率f ，反比于导通电阻i b n ，负载电 由式( 2 1 8 ) 还可以看出，一级电荷泵能得到的输出电压最高为2 v i n ，如 果要求更高的输出电压，- t 以采用电荷泵级联的方式。 第三节2 x 电荷泵电路的特性参数讨论 评价一个芯片优劣并不需要细致了解其内部结构，可以通过了解其外部特 性而知道其性能，这里主要讨论2 x 电荷泵电路的输出电压，输入输出纹波，静 态电流以及效率。 2 3 1输出电压 由2 2 节可知输出电压为： 懈上f x c l 2 r o u x i o ( 2 1 9 ) 第二章整体电路结构设计 死区时间a t 与输出电压v o 成反比，为了估计最大的驱动能力，假设死区 时间a t = 0 ，那么得到表达式 v o ：2 v i n 一l 一驰 ( 2 2 0 ) f c 1 1 1 一d ) d 在选定开关频率f 和泵电容大小，并且负载电容i o 一定的情况下，取v o 的 最大值，即f ( d ) = d ( 卜d ) 取最大值，有 堕：l 一2 d ：0( 2 2 1 ) c 3 d 得到d = l 2 ，所以本文中选中占空比为1 2 的时钟信号来控制功率开关管。 从式( 2 2 0 ) 还可以看出来，在一定范围内提高开关频率或者增大泵电容， 减小开关导通电阻，都可以提升电荷泵的最高输出电压。但是当开关频率或者 泵电容的增加使得1 f c l 在输出电阻中不占主要地位时，其提升作用将变得微乎 其微。同时过高的开关频率会增加开关管的开关次数，增加开关损耗。 2 3 2 输出电压纹波 i c 2 1 = - i o ( 2 2 2 ) 毗：掣 晓2 3 ) 1 2 第二章整体电路结构设计 o 卜 v o o i b o 图2 5 充放电阶段输出电容的电流示意图 v o i o 在阶段b ，电源对输出电容充电，平均充电电流为 i c 2 2 = i b i o ( 2 2 4 ) 这段时间内电容电压的增量为 。：生-i：璺tau 塑 2 5 ， c 2 2 = _ 等j ( 2 而且这个阶段内输出电压等于电容电压加上串联等效电阻上压降，最终达 到最高值。 输出电压纹波等于电容上的电压差加上串联等效电阻上的压降差。 v 唧：( u 晓2 一a u q l ) + ( i c ：2 一i c 2 1 砖。r = ( t 石+ 2 厂a t ) i o + 1 2 i o 面r e s r t = 蔷+ 2 i 池假设t = o ) ( 2 2 6 ) 可见输出纹波正比于串联等效电阻r e s r ，开关周期t ，死区时间at ，反比 于输出电容c 2 ，开关频率f o 因此可以采取选用低r e s r 大电容值的输出电容c 2 ， 或者减小死区时间来减小输出纹波。 第二章整体电路结构设计 2 3 3 输入纹波 所有的电源都会有内阻，设电源内阻为r 。电荷泵工作的时候，功率管m 1 m 4 周期性的开启和关断。在充电阶段a 泵电容平均电流为i a ，然后在死区时间内 降到o ，在放电阶段b 泵电容平均电流为i b ，在死区时间内又降到o ，这些电流 作用在电池内阻上会产生压降，输入电流的来回波动导致输入电压纹波的产生。 又式( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 以及d = 1 2 ，可知i a = i b ，得到输入纹波示意图2 6 ，输入纹 波电压大小为 v i n p p2i a r = 熹i o (227)12 f 一一工 二 一t 。 电源i 一一： 值 ：，一【，。一 r 。1 。一。4 。+ 。一 v j ：阶段a死区阶段b 图2 6 输入电压纹波示意图 由式( 2 2 7 ) 可见输入纹波与负载电流i o ，死区时间a t ，电源内阻成正比， 与开关周期成反比。由图2 6 可见，输入纹波的周期为开关周期的两倍，所以一 般在输入端加入一个低通滤波器来滤除高频纹波，实际应用中加一个几心大小 的输入电容。 2 3 4 静态电流 电荷泵正常工作时的静态电流i o 是指由v i n 流出，但是没有经过泵电容流 向负载的电流。主要由两部分组成，一部分是系统固有的i o c ，比如偏置电路， 基准电路所消耗的电流。一部分是电荷泵开关管的开关电流i q g ，m 1 m 4 周期性 的开启和关断，使得开关管的栅极寄生电容周期性的充放电，其平均电流正比 于开关频率，开关管的栅极控制信号幅值大小，还有寄生电容大小，其值为【1 4 】 4 i q g = v g f - c i 供中c i = w l c o x ) ( 2 2 8 ) 1 4 第二章整体电路结构设计 其中v 为驱动信号的幅值大小，f 为开关频率，c i 为四个开关的寄生电容值， 正比于开关管的面积。 为了估算下开关电流的数量级，取近似值v g = 5 v ，c i = 5 0 p f ，f = - l m ，那么 有i q g = 5 x1 0 6x5 0 x1 0 。1 2x4 = l m a 2 3 5 效率 电荷泵效率r l ，是评价一个电荷泵电路性能的重要指标，表征了电荷泵转换 电能的能力。其定义为输出功率与输入功率之比。 刁玉p i n = 揣 坠坠二! q ! 堡兰竺! ! 二! ! q 垦q 堕】兰! q v i n i 小 ( 2 2 9 ) i i n 包括两部分，其中一部分是静态电流i o ，既包括驱动开关管栅电容的充 放电电流i q g ，也包括维持系统正常工作i 拘j l - 围电路所消耗的电流i q c ，其二就 是流入电荷泵内的平均电流i i n 。 i 缸：坠坠掣掣- 2 i 。 ( 2 3 0 ) 那么得到 刀： 2 v i n - i o ( f xc 1 ) - 8 i t o r o n x i o ( 2 3 1 ) v i n i i n + i oj 在重负载下情况时，负载电流远远大于静态电流，可以忽略静态电流i o ， 得到 r：2vin-io(fxc1)-8ioron ( 2 3 2 ) 通常情况下r o n ，1 f c l 取值都尽量小，现在来估计下当输入电压v i n = 3 5 v ， 负载电流i o = 1 0 0 m a ，假设1 佗l = 1 ，r o n = i q 时电荷泵的效率 玎：鱼二q ：! 二q ：墨：8 5 可见效率还是非常的高。由式( 2 3 1 ) 可以看出减小导通电阻可以提升效率， 假设r o n = 0 5 q ，那么可以得到效率为9 1 ，效率提升非常明显，但是由于此次 选用的b c d 工艺很难将电阻降到1 q 以下，所以本文设计的导通电阻为1 q 左 右。同时还可以看出随着输入电压的升高，效率还会不断升高，输入电压为5 v 时，效率也增加为9 1 。减轻负载同样可以提升电荷泵的效率，比如假定 第二章整体电路结构没计 i o = 1 0 m a ，此时也是远大于静态电流，那么在输入电压为5 v 时的效率为 ，7 ：1 0 - 0 0 1 - 0 0 8 ：9 9 1 。 1 0 对于轻负载情况，效率会明显下降，毕竟静态电流i o 在输入电流中所占的 比例会越来越大。调制模式同样会影响轻负载时的效率，选用跳周期模式的情 况下，开关管的充电次数会小于线形调制模式，因此跳周期模式在轻负载时效 率会比线形模式高。 第四节电荷泵电路调制模式 由2 2 节可以看到2 x 电荷泵输出电压在2 v i n 附近，我们想要得到连续可 厂d ， 、 调的输出电压，必须引入负反馈，加入调制电路，最终v o = v r e f il + 兰l 。有 k l 两种比较常见的调制方式，分别为线性模式( l i n e r ) 、跳周期模式( s k i p ) 。 线性模式：电荷泵电路串联一个可变电阻，采样的输出电压和预设基准电 压的差值被放大器放大以后来控制可变电阻，当采样值小于预设值时，减小电 阻r 值，相反当采样值大于预设值时，增大串联电阻值，达到稳定输出电压的 目的。由于线性模式采用固定的开关频率，始终处于工作状态，因此相比于跳 周期模式，静态电流比较大。但同时等待时间恒定，可以得到比较小的纹波。 图2 7 线形调节模式原理图 o r 1 跳周期模式：在控制时钟c l k 每个上升沿时，检测输出电压，当输出电压 小于预设定电压时，脉冲序列通过并驱动m o s 开关管，当开关管电压超过预设 定电压时，这些脉冲被跳过，因此减少了开关管的开关次数，减小了静态电流， 在轻负载时效率较高，但脉冲跳过的这段时间内，所有功率管都关断，等效于 1 6 第二章整体电路结构设计 死区时间增大，因此输入输出纹波比线性模式大。 检测电 设定电 c l k 一厂l u c l k ， 门n 厂l c l k 2r n 厂 图2 8 跳周期模式时钟时序 由上可知，线性模式可以得到较小的纹波，但轻负载时效率低，跳周期模 式静态电流小，但纹波大，各有优劣，在实际设计中，根据应用选择不同的结 构。 本文主要的设计指标如下 输入电压范围： 2 7 v v i n 5 v ；工作温度：- - 4 0 。c t e m p 1 0 0 ； 输出电流范围：i o 一 4 0 m a ( 2 7 v v i n 3 v ) ；i o n 3 v ) ； 输出电压：5 v 2 ； 工作频率：数量级为m h z ； 电源转换效率：3 v 电压输入时效率大于8 0 ；关断时电流小于2 9 a ； 集成过温保护，欠压保护模块： 当输入电压v i n = 3 v 时，取c i = 1 1 t f ，f = - i m h z ，i o = 1 0 0 m a ，忽略死区时间， 简单的估算下，输出电压要达到5 v 时的导通电阻值，把以上参数带入式( 2 1 8 ) 得r o n 1 1 2 5 。在实际电路中，可变电阻r 是用m o s 管的导通电阻来实现的， 考虑到a s m cb c d l 2 1 工艺的m o s 管导通电阻比较大，在w l 数量级为1 0 4 时也很难降到l q 以下，而v g s 一 ，r o n ，当r 串入电路后等效导 通电阻远大于1 1 2 5 ，可见在低输入电压时线性调制模式失效，所以本文选择跳 周期模式。 1 7 第二章整体电路结构设计 第五节设计注意点 在电路设计中，要根据实际需要，选择恰当的m o s 管，选定合适的开关频 率，输入输出电容，芯片还要能应对各种极端情况，比如说温度过高，电压过 低，也就是必须设计好各种保护电路。这一节主要叙述了功率开关管的选择， 频率选择和输入输出电容的选择。过温保护和欠压保护将在第三章进行叙述。 2 5 1 开关管选择 电荷泵电路包括m 1 m 4 四个功率开关管，如何选择其类型是一个关键问 题。由m o s 管传导特性可以知道，n m o s 传输管对低电平具有强传导性，传 输高电平会损失一个阈值电压。p m o s 传输管对高电平具有强传导性，传输低电 平会损失一个阈值电压。根据图2 2 中的m o s