（微电子学与固体电子学专业论文）高效自适应电荷泵研究.pdf

摘要 摘要 基于电池的便携式产品地广泛应用，对电源管理芯片提出了更为苛刻的高效 率要求。彩屏手机的大量普及，用于驱动彩屏背光的白光l e d 驱动器成为众多芯 片厂商的开发重点。 本论文详细阐述了自适应电荷泵电源管理芯片的工作原理以及如何提高其效 率的方法，设计了一款用于白光l e d 驱动的高效率自适应电荷泵，并最终成功流 片。此电荷泵芯片采用o 5 呻c m o s 工艺；输入电压范围为2 7 5 5 v ；可以提供 大于8 0 m a 的输出电流，同时驱动四颗白光l e d ；并且此芯片具有根据输入电压 自动选择工作模式的功能。这种根据输入电压选择工作模式的方式，在驱动白光 l e d 的应用中，提高了驱动器的l e d 效率。 基于电荷泵d c d c 转换器的基本原理和拓扑结构，本文首先设计了1 ) ( 1 5 x 自适应电荷泵整体电路，对电荷泵的几个基本的参数做了详细分析，然后设计了 子电路模块，重点分析了子电路：1 ) ( 1 5 x 电荷泵、振荡器和模式转换等。并且针 对电源管理芯片中的电流过冲问题，设计了软启动电路。在完成电路原理分析与 电路设计的基础上，应用e d a 软件h s p l c e 对子电路和整体电路进行了功能仿真 及量化模拟，仿真结果验证了文中阐述的高效自适应电荷泵d c d c 转换器设计理 论。 普通电荷泵型l e d 驱动器在输入电压的固定值处转换工作模式。随着l e dt f 向导通压降越来越低，普通电荷泵型l e d 驱动器的l e d 效率变得越来越低。在电 荷泵驱动白光l e d 的应用中，本论文研究设计了一种根据负载l e d 正向导通压降 和输入电压来选择电荷泵工作模式的电荷泵型l e d 驱动器。根据负载l e d 的正向 压降和输入电压选择工作模式，可以让驱动器最大限度地工作在高效率的1 x 模式 下，有效地提高了驱动器的l e d 效率。 完成电路前仿真、版图设计和后仿真工作后在境外一著名工艺线流片。芯片 测试结果显示芯片性能优异，达到预期的设计要求。目前，该芯片已经进入市场。 关键词：电荷泵，d c d c 转换器，白光l e d 驱动，高效率 a b s 打a c t a b s t r a c t l o wp o w e rl o s sb e c o m e sav e r yi m p o r t a n te l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i cf o rp o w e r m a i l a g e m e n tc h i p ，e s p e c i a l l yi nt 1 1 e 印p l i c a t i o no fp o n a b l ep m d u c t sb a s e do nb a t t e r y p o w e rs u p p l y p r i i _ 1 c i p l e o fh i 曲- e 伍c i e n c ya u t o - a d j u s t a b l ec h a r g ep u m pd c d cc o n v e n e ri s a 1 1 a l y z e di nd e t a i l sa 1 1 dh o wt oi m p r o v et h ee 衔c i e n c yi sa l s op r e s e m e di nt 1 1 i st l l e s i s a n a u t o _ a d j u s t a b l ec h a 唱ep u m pe m b o d i e di naw h i t el e dd r i v e rh a sb e e nt a p e d o u t s u c c e s s f u l l yu s i n gao 5 “mc m o sp r o c e s s i tc a np r o v i d em o r et m8 0 m ao u t p u t c u 玎e mi nt h ew i d ei n p u tv o l t a g er a n g ef r o m2 7 vt o5 5v t h em o s ti m p o n a mp o i n ti s t h 砒i tc a nc h a n g ew o r km o d eb e n v e e n1 xa 1 1 d1 5 xa t 矗x e di n p u tv 0 1 t a g ev a l u et o i m p r o v el e de m c i e n c yi nm e 印p l i c a t i o no fu 、dd r i v e l b a s e do nm n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n db a s i ct o p o l o g yo fc h a r g ep u m pd c d c c o n v e r t e r s ，w h o l ef r 锄e 、v o r i ( a n ds u b b l o c k sa r ew o r k e do u t s o m es u b - b l o c k sa r e a n a l ”e di nd e t a i l s ，s u c ha s1 1 5 xp u m p ，0 s c i i i a t o r ，m o d es e l e c t or ，e t c a n e rf l n i s h i n gt h ec h a r g ep u m pp r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g f l ，、v es i m u l a t e d a l lt h es u b - b l o c k sa n d 、v h o l ec h i pb y 印p l y i n ge d at o o l sn 锄e dh s p l c e ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w 也a t 也ec h i ph a sa c h i e v e d 也ee x p e c t a t i o na n d p r o v e dw 1 1 a tw a s a n a l y z e da b o v e 1 1 1 m e 印p l i c a t i o no fd r i v i n gw h i t el e d ，a i la u t o a d j u s t a b l ec h a r g ep 啪pw h i c h a d j u s tw o r km o d ea c c o r d i n gt ot 1 1 ef o n v a r dv o l t a g eo fl o a dl e da i l di n p u tv o l t a g ei s p r e s e n t e d t h ec o n v e m i o n a lc h a r g ep u m pc h a n g e sw o r km o d ea t6 x e di n p u tv o l t a g e v a l u e w i t hf o n v a r dv o l t a g eo f w h i t el e dl o w c ra 1 1 dl o w e r ，t h ee 硒c i e n c yo f t r a d i t i o n a l c h a r g ep 啪pd r i v e ri s1 0 w e ra 1 1 dl o w e r ，t o o t h en e wa u t o a d j u s t a b l ec h a r g ep u m pc a n k e e pt h ec h a r g ep u m pw o r k i n gi nh i 曲e 蚯c i e n tl xm o d ea sl o n ga sp o s s i b i e a f t e rc i r c u i ts i m l l l a t i o n ，l a y o u ta n dp o s t l a y o u ts i m u l a t i o n ，m ec h i pi st a p e d o m s u c c e s s n l l l yi naf a m o u sa b r o a df o u n d r yt e s tr e s u l t ss h o wa ne x c e l l e n tp e r f o 埘1 a i l c eo f n l ec h l p a n dn o w t h ec h 巾h a sc o m ei m om a r k e t k e yw o r d s ：c h a r g ep u m p ，d c d cc o n v e n e r ，w h i t el e dd r i v e r ，h i g he f 杼c i e n c y i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：墨曼壹，日期：2 ，年，月，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：枷6 年月z 日 第一章引言 第一章引言 在手机、m p 3 、p d a ( p e r s o n a l d i g i t a l a s s i 咖m t ) 、p m p ( p o r t a b l e m e m a p l a y e r ) 等由电池供电的低功耗产品中，如何降低功耗，延长系统的待机时间显得非常重 要【”。同时电池电压随着使用会慢慢下降，无法直接提供非常稳定的工作电压。在 便携式设备的复杂系统中，电池电压对于某些模块来说太高了，对于某些模块来 说又太低了。因此，必须采用直流变换器将电池的电压进行调整。 常用的直流变换器分为三种：1 。线性调节器l d o ；2 。s 谢t c h i n g n d u c t o r ；3 。 s 、v i 把h i n gc a p a c i t o r ( 电荷泵) 。线性调节器l d o 只能降压不能升压，在很多场合 受到限制。s 州t c 肺唱i i l d u c t o r 可以升压又可以降压，是非常优秀的直流变换器。但 是由于s 耐t c 埘n g i n d u c t o r 中含有电感，设计应用的时候其e m i 辐射需要很好的考 虑【2 j 。电荷泵采用电容储存能量，外接组件少，非常适合用于便携式设备中，并且 随着其电路结构的不断改进和工艺水平的提高。也可应用在需要较大电流的应用 电路中p 】【4 】。因此高效率电荷泵d c d c 转换器因其功耗小、成本低、结构简单， 无需电感、二极管、m o s f e t 等外围组件和高e m i 抑制等优点，在电源管理芯片 中得到广泛应用 j 。 传统的电荷泵电路都是固定工作模式，一般是l x 、1 5 x 或者2 x 。也有的是 负电压电荷泵。本文所设计的自适应电荷泵可以根据输入电压自动选择工作在1 x 或者1 5 x 模式，提高了电池的利用效率。 1 1 电源管理芯片动态 在2 0 0 5 年半导体应用领域，人们关注的一大焦点就是电源和电源管理。电源 相关的产品成为j 商研发的市场重点旧。便携式数码产品比如p d a 、m p 3 以及手 机等，是电源管理器件市场的一个主要推动力。便携式产品体积日益缩小功能要 求的越来越多，造成对功耗方面更为苛刻的要求，这些因素都在向电源技术提出 新的挑战。中国作为世界经济增长最快的地区，无疑也成为电源管理市场众多厂 商争夺的焦点。 据i s u p p l i 公司预测【6 ，2 0 0 8 年全球电源管理芯片的销售额将上升至2 9 5 亿美 元，2 0 0 3 年到2 0 0 8 年的年复合增长率为1 2 7 。其中，2 0 0 5 年销售额增长速度将 元，2 0 0 3 年到2 0 0 8 年的年复合增长率为1 2 7 。其中，2 0 0 5 年销售额增长速度将 电子科技大学硕士学位论文 会放缓，而2 0 0 6 年则将停止增长，随后开始进入新的增长周期。在2 0 0 5 年全球 半导体市场进入调整期之时，得益于移动通信、消费电子产品的快速增长，我国 电源管理芯片市场将仍然保持较高的增长率。随着3 g 时代的到来，手机多媒体应 用等诸多功能的集成为电源管理增加了新的课题。 德州仪器中国区产品销售总监王剑认为；在空间极其有限的设计中运行系统 应控制在尽可能低的能量预算范围内，并要求其释放的热量达到最低，否则可能 会导致散热问题【6 】。这就要求必须使用不仅能够显著延长电池使用寿命，而且还能 最大限度地缩小板级空间地更复杂、更低功耗的开关模式d c d c 转换器。为了最 大限度地延长电池使用寿命及系统运行时间，t i 将重点放在了系统的三个关键方 面：第一，是先进地电池管理技术。第二，采用开关模式地电源转换。开关模式 电源转换能够尽可能高效地转换电池电源，以便为系统供电。第三，开拓新的电 源技术。 安森美半导体亚太区模拟产品部业务总监郑兆雄指出，仅就电视机电源i c 产 品来说，2 0 0 5 年的全球市场销售额应达1 5 亿美元，预计到2 0 0 8 年，会增加至2 亿美元。手机i c 产品方面，2 0 0 5 年的全球市场销售额应为6 3 亿美元，预计到2 0 0 8 年，会增加至8 亿美元。作为能效认证机构如中国中标认证中心和美国能源之星 的技术伙伴，安森美提供可设立的标准的建议，而安森美自己设计和生产的电源 管理芯片，能够节省多达9 0 的待机能耗。以彩电为例，中国电视机待机能耗的 平均水平为8 0 7 w ，中标认证中心和美国能源之星的彩电待机能耗标准要求实不 大于3 w 。如中国所有彩电的待机能耗均达至3 w 标准，到2 0 1 0 年将可节约6 0 亿 人民币或1 2 0 亿度电。 对于电源管理市场，i r 公司认为：首先，提高电源管理的效率，就是提高产 品的系统效率。对便携产品来说，提高电源管理的效率体现在同样的电池具有更 长的使用时间，而对数量大、能耗高的产品，则体现在对电力的极大节约上；其 次，很多产品的使用周期长，优秀的电源管理产品可以降低产品系统的失效率， 同时减少系统消耗产生的热量，从而降低热量对系统性能的破坏；第三，所有的 努力都应该在不提高产品系统总成本的前提下进行。 图卜1 显示了从2 0 0 2 年到2 0 0 5 年中国电源管理芯片市场的销售增长情况， 中国市场保持快速发展，2 0 0 5 年市场规模已达2 l o 6 亿元【”。2 0 0 5 年，全球电源 管理芯片市场发展趋缓，但国内市场下游整机需求旺盛，中国电源管理芯片市场 仍然保持较快速度发展，全年实现2 7 5 的销售额增长率，明显高于全球8 9 的 增长水平。但与2 0 0 4 年中国电源管理芯片市场相比，2 0 0 5 年中国市场2 7 5 的增 2 第一章引言 长率明显低于2 0 0 4 年3 7 6 的增长率，这主要由于国内网络通信类和工业控制类 电源管理芯片市场发展速度趋缓所致。 图卜12 0 0 2 2 0 0 5 年中国电源管理芯片市场销售额增长 近几年来，中国半导体市场的发展速度一直高于全球半导体市场发展的速度， 2 0 0 5 年中国半导体市场继续实现快速增长，电源管理芯片领域实现增长率2 7 5 ， 一直以来的高增长率说明了中国半导体市场一直以来的良好走向。 在消费电子、网络通信、计算机类、工业控制以及汽车电子等领域发展的带 动下，未来几年中国电源管理芯片市场将保持快速增长的势头。图卜2 是某家咨 询公司做出的市场预测。未来5 年中国电源管理芯片市场将以每年2 5 以上的速度 递增嘲，到2 0 1 0 年，中国电源管理芯片市场销售规模将达到7 3 5 4 亿元。总体来 看，2 0 0 6 2 0 1 0 年中国电源管理芯片市场规模复合增长率将达2 8 8 ，市场仍然 将保持快速发展的态势，电源管理产品仍将是集成电路产品中最为活跃的产品之 图卜22 0 0 6 2 0 1 0 年中国电源管理芯片市场规模预测 3 电子科技大学硕士学位论文 1 2 课题意义和价值 目前，中国电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于绝对领先地位【6 】。 其中德州仪器r n ) 是最大的供应商，2 0 0 5 年其电源管理芯片的销售额达到2 1 8 亿 元，其市场占有率为1 0 4 ，美国国家半导体( n s ) 、飞兆半导体( f a i r c h i l d ) 、意法 半导体( s t ) 和凌特( l i n e a r ) 分列市场排名的第二至五位。此外，安森美( o n s e m i c o n d u c t o r ) 、美信( m a x 妇) 、国际整流器( i r ) 、i i l t e r s i l 以及p o w e ri n t e g m t i o n 也 是目前市场中的重要厂商，从厂商格局可以看出，美国厂商仍然具有明显优势。 以上十大厂商2 0 0 5 年的市场份额合计为4 9 0 ，这说明目前国内电路管理芯片市 场的品牌集中度仍然很分散，市场竞争十分激烈。所以尽快将电源管理芯片中的 各种技术吃透，建立中国自己的电源管理芯片品牌。这样中国的电子产品，特别 是便携式设备才能在世界的大潮中站住脚跟。 十一五规划已经明确要较快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展1 6 】， 将来还将出台有利于集成电路产业发展的政策。近年来笔记本、数码相机等i t 产 品的生产基地都大规模向中国转移，中国已经成为了世界r r 产品的生产基地。这 将为中国电源管理芯片提供广阔的市场空问。 顺应世界电源管理芯片的热潮，本论文选择了广泛应用于便携式设备中的电 源管理芯片一一电荷泵芯片，作为研究对象。本课题在完成高效率自适应电荷泵 电路设计、版图设计、版图验证和后仿真的基础上，进一步研究了自适应电荷泵 在自光l e d 驱动方面的应用。根据特定的白光l e d 驱动应用要求，设计了目前国 外市场出现不久的可以根据l e d 负载自动调整电荷泵工作模式的驱动电路。这种 驱动器根据负载l e d 的正向导通压降，自动选择电路的工作模式，可以最大程度 的提高驱动器的l e d 效率。 1 3 本课题目标 本课题来源于境外公司合作项目，本课题目标是完成高效率自适应电荷泵i c 的电路设计、仿真验证、版图设计验证、流片和测试。 芯片基本指标：输入电压范围为2 7 5 5 v ；输出电流可达8 0 m a 以上，可同 时驱动4 颗白光l e d ；具有关闭控制功能，在关闭状态时耗电流小于1 u a ：具有 软启动功能，可减小启动时的电流冲击；具有短路及过热保护电路；工作温度范 围为4 0 + 8 5 。 4 第一章引言 1 。4 本文工作 本文的主要工作是研究设计一种高效率自适应电荷泵电路，此电荷泵电路可 以根据输入电压自动调整工作模式。并针对白光u m 驱动应用，介绍了一种可以 根据负载l e d 正向导通压降和输入电压自动调整工作模式的l e d 驱动电路。 第一章介绍了电荷泵电路的国内外动态，其理论意义和实际价值，并对本文 的章节进行安排。 第二章阐述自适应电荷泵电路工作原理和整体架构。首先对自适应电荷泵作 总体概述，然后对电荷泵电路的一些参数以及提高效率的方法做出了具体的分析。 最后结合驱动白光l e d 应用，设计了一种可以根据输入电压和负载l e d 正向导通 压降自动选择工作模式的l e d 驱动器。并且分析了对其在锂离子供电情况下的效 率优势，做了简单分析。 第三章对本课题中的子电路模块进行分析，其中包括过压控制电路、软启动 电路、振荡器、电源选择电路和模式选择电路等。对电路的工作原理及参数求解 都作了较为详细的阐述，并给出了其典型情况的仿真结果和容差分析结果。 第四章介绍了整体电路联合仿真和容差分析，给出了仿真结果。 第五章介绍了整个电荷泵电路的版图设计、版图后仿真结果。 第六章是芯片的部分测试结果。 第七章是对本课题的结论。 5 电子科技人学硕士学位论文 第二章高效率自适应电荷泵电路原理与分析 电荷泵使用电容存储能量，它的倍数由其拓扑结构决定。自适应电荷泵就是 可以在不同倍数的电荷泵之间转换。本章首先分析本文所设计的自适应电荷泵电 路结构和工作原理，然后介绍电荷泵的主要参数指标。最后研究分析了一种可以 根据负载l e d 的正向导通压降和输入电压自动选择工作模式的高效自适应电荷泵 型白光l e d 驱动器的原理，并设计了其关键子电路。 2 1 自适应电荷泵原理分析 本文所设计的电荷泵基本架构如图2 1 所示。电路中包括7 个功率m o s 开关 图2 - 1 目适应电荷泵原理图 c k l 到c k 7 和三个相等的外接电容c l 、c 2 和c o u t 。在实际电路中功率m o s 开关 有n m 0 s 也有p m 0 s ，为了说明方便，在这里都认为是相同的开关。此电荷泵可 以工作在1 x 和1 5 x 两种模式下。 当电路工作在1 x 模式时，c k l 、c k 2 、c k 3 、c k 5 开启同时c k 4 、c k 6 、c k 7 关断。 等效电路如图2 2 所示，理想情况下可以得到【9 】： 6 第二章高效率自适应电荷泵电路原理与分析 ，= ( 2 1 ) ，一2 一( 2 2 ) 扫为电荷泵输入电流，k 是负载电流。 当电路工作在1 5 x 模式下的时候，电、，j n k l 。k 5 v o 砒 路中的开关由两相不重叠时钟信号a 、b 控_ r 可r 吨厂一 基= 翥警篓笔尊嚣嚣等裳晶 三幸c 。u t 牛 c k 5 、c k 6 和c k 7 受b 时钟控制。一个完整的w 厂l 工作过程分为三个阶段： 审审 阶段a ( 充电阶段) c k l 、c l 【2 和c k 3 图2 2 1 x 模式等效电路 开启，其它关断，等效电路如图2 3 所示。 泵电容c l 、c 2 被v i n 充电。电容两端的平均压差为v f n 减去充电电流在c k 】、e k 2 和c k 3 上产生压降。考虑到c 1 = c 2 ，所以c 1 或者c 2 压差为： 肾耻鳌鲣譬址型 ( 2 3 ) 阶段b ( 放电阶段) ：c k 4 、c k 5 、c k 6 、c k 7 开启，其它关断，等效电路如图2 3 所示。泵电容c 1 、c 2 向负载电容c o u t 放电，其两极平均电压为： w = 十。一【( 如。+ 也，) i i ( 吆。十磁，) 】 ( 2 4 ) 阶段c ( 等待阶段) ：所有开关都关断，没有能量从v 删传输到c 1 、c 2 和c o u t ， 争锄v o l | t 曲a e b 图2 31 5 x 电荷泵等效电路 v c l = v c 2 = 常量。这个阶段的持续时问一般非常的短，记为t 。在等待状态 c l 和c 2 两端电压保持恒定，这意味着： i q c ，l ( p 枷叫) = l q c 。l ( m 伽口) 7 电子科技大学硕士学位论文 i q c ：j ( 心邪鲥) 刊绞：i ( 砌甜曲) ( 2 - 5 ) 当用5 0 占空比的时钟时，r 2 2 f ，假设在p 1 1 a s ea 和p h a s eb 阶段的时 间常数足够大： c 1 ( l + 如2 + 3 ) l o f ， c 2 ( 墨曲1 + 8 出2 + 艮3 ) l o f ( 2 6 ) 并且 c 1 ( j 4 + k 5 ) 1 0 出 c 2 ( 如6 + 如7 ) 1 0 盘 ( 2 7 ) 那么，对于c l 可以得到： + f 刊如| ( 舶口刚) 爿如i ( p 厅邪拈) = 詈+ 岔 ( 2 8 ) 即： = 警( 2 9 ) 通过开关周期性的在阶段a 、b 和c 翻转，能量就从电池传输到负载。在单个周 期里，只有在阶段b 才对负载电容c o l r r 充电，在其余阶段( 阶段a 和c ) ，c d u t 向负载放电。在稳定电路系统中，输出电压v a l r r 为稳定值，这就要求电荷泵充电 能量等于负载消耗的能量。所以： ( 十2 r ) + 毛= r + 厶= 2 岔+ l( 2 1 0 ) 即电荷泵平均输入电流为： 厶：笠祟竺：( 昙+ 争 1 )1 2 f、24 7 、7 本文所设计的工艺是5 v 虺就是说电路中不宜出现高于6 v 的电压。当输入电 压高于3 7 v 电路工作在1 5 x 模式下的时候，就会达到极限电压。为此设计了过 压控制回路，来限制输出电压。当输出高于5 。7 v 的时候，v o u t 通过电阻分压和带 隙基准电压v b g 比较，得到一个逻辑信号，反馈给电荷泵，电荷泵关断开关，等 v o u t 下降到5 6 5 v 时，再次开启电荷泵。通过关断电荷泵来达到限制输出电压的 目的。 8 第二章高效率自适应电荷泵电路原理与分析 2 2 电荷泵的参数描述 图2 4 反馈控制框图 作为功率转换器，电荷泵有着和众多功率转换器相同的指标要求。比如：输 出电压、输出电压纹波、静态电流、效率等唧。本小节重点介绍前三个，下一小节 将专门来介绍电荷泵的效率。 从上节分析，可以得出输出电压v o u t 。在l x 模式下， 口= 一l 。( 哎l + 鼹# ) ( 2 1 2 ) 其中，r c k l 和r c k 5 是c k l 和c k 5 的m o s 导通电阻。在1 s x 模式下， 口= 詈一等( 如l + 如2 + 如3 ) 一厶( 如4 + 如j ) i f ( 如。+ 如，) ( 2 1 3 ) 假设所有的开关导通电阻为r ，得： 。= 罢一半倦十1 ) ( 2 _ 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 中的参数可分为2 组，( 缸。，出) 、r 怖和v 琳、i l o d 。前两者为相对独 立的量，用来主要地确定v o u t 值的大小。后两者和电路的具体应用有关，是对输 出电压的干扰项。通常v 和i l o a d 都不是常量并且可能变化很大。 因为c o l r r 周期性地充放一定的电荷量，输出电压就会有纹波产生。在阶段b ， c o u t 的充电电流i c a u t 是： j m ，( 丑) = 厶一d = t d ( 1 + 0 f )( 2 1 5 ) 在阶段a 、c ，负载从c o u t 中获取能量，c o u t 的放电电流为： 9 电子科技大学硕士学位论文 j c 。口( 么，c ) = 一厶 分析电路工作过程可得输出电压纹波峰一峰值( p e a k t o p e a l ( ) 为： f 乞卿= 屯 e s ：f c 咖+ ( a r ，c r o 旧) ( 1 + ( 0 r ) ) 】 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 通常e s r ( e q u i 训e n ts e r i e sr e s i s 协n c e ) 数值非常小，典型值为1 0 m q 1 0 0 i n q ， ，c d 。的数值可以达到o 5 左右，所以v o p p 可以简化为： i 么即群l d 凹+ ( 厶f ，( 赫) ( 1 + ( 出，f ) ( 2 - 1 8 ) 电荷泵静态电流是指由v 阱提供，但并未经过c 1 和c 2 并输出到c o u t 的电流。 它由两项组成，i q b 和工q s 。前者为基准源、比较器、振荡器等等电路的供电电流， 为l o u a 1 0 0 u a 不等并且基本上为常量。后者i o s 则为电荷泵开关栅电容的充放 电电流。在l x 模式下，开关都是恒开或者恒关的，所以： i q = i ( 2 - 1 9 ) 在1 5 x 模式下的每一个工作周期，c k l c k 7 均开启或者关断，1 0 s 就取决于这个 工作周期f c m e = 2 出+ r 。，当选择振荡器时钟信号最高电平为v o l r r 时，整个静 态电流等于 io 】： 岛= 珏+ = k + 百南( 7 2 f ) + 蔷气 ( 2 - 2 0 ) 当选择时钟频率为1 m h z ( f = o 5 淞) ，v o l r r = 5 v ，每个m o s 管栅电容取为o 2 5 p f ， 那么i o = 1 7 5 m a 。 转换效率是电荷泵电路最重要的指标之一，转换效率的高低直接影响了电池 的使用寿命。下一节，将专门来分析电荷泵的转换效率。 2 3 高效率设计 效率是功率变换器永恒的主题，尤其是在便携式设备中用电池供电的时候， 效率的高低直接影响到电池的待机时间。 。、输入电压的关系为： ”：丝型! 血 。 砌x 厶 电荷泵的转换效率与电荷泵输出电压 i i 。是电源输入的总的电流，它等于静态电流加上电荷泵的泵电流，即： 1 0 ( 2 _ 2 】) 第二章高效率自适应电荷泵电路原理与分析 l m = i + i p ( 2 - 2 2 ) 表征电荷泵效率的一般使用转换效率，理想情况下电荷泵转换效率为1 0 0 。 为了分析方便，下面用一个周期内的电荷泵本身消耗的功率来表征电荷泵的效率。 可以看出，电荷泵消耗的功率越小，电荷泵的效率就越高。电荷泵电路在不同工 作模式下，在一个周期中消耗的实功能量表达式如下所示【1 0 1 ： 喽5 。= 二4 ( 7 r w + 4 r m l + r 。踩2 ) 十p ( c s ) + 匕 学= 2 + 吃 ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 其中，1 l o a d 是负载电流；r s w 是开关的导通电阻；r e s r 是电容的等效串连电阻；p o 为静态功耗，电路中其他模块消耗的功耗。p ( c s w ) 是驱动功率开关所消耗的能量。 功率开关的动态损耗计算相当复杂，本文不作详细分析。对于标准c m o s 功率开 关，驱动电路驱动功率开关的损耗可以近似为驱动电路对栅电容充放电 1 1 1 。在一 个周期中，开关开启关断各一次驱动功率开关所消耗的能量为： 1t p ( ? ) = ( 稀+ 瑶= c 矗+ 矿+ 三+ 噶 ( 2 2 5 ) 二 根据以上分析。单个电荷泵电路提高效率可以从三个方面来着手；是功率开 关，减小功率开关的损耗；二是控制方式，从上面的分析可以看出，像功率开关 的驱动损耗是一个周期一次，随着周期增大，功率开关对效率的影响越来越小； 最后就是减小静态电流来提高效率。 首先来看功率开关的设计。电荷泵中的开关是工作在深线性区的m o s 管，其 导通电阻为 1 2 】： 1 墨甲= 1 矿二 ( 2 - 2 6 ) 卢c 玉( y 一p 刍) l 其中肛和c o x 是工艺参数迁移率和单位面积栅电容。从上式可以看到，减小导通 电阻可以采取的方法有以下两种。 第一，增大w ，减小l 。这在设计中是可行的，可以最常用的办法。在设计 中，尽量使用最小的l ，有利于减小导通电阻。使用大w 或者增大并联数m 可以 将电阻减小可以接受的程度。这里也要看到( 2 2 5 ) 式中，驱动功率管的功耗会 随着功率管的面积增大而增大。同时芯片的面积也限制了功率管的大小。功率管 在功率转换器中所占的面积一般都在5 0 以上。为了让导通电阻降低一半，增大 电子科技大学硕士学位论文 功率面积一倍，那么芯片的面积就是原来的1 5 倍以上。成本上升太快，所以芯片 的面积不可能无限制的增大。 第二，增大v g s 。这就要求在设计的过程中，由于各个开关在拓扑结构中的位 置不同，所以栅电压的取值范围有所不同。更具开关的位置选取合适的n m o s 或 者p m 0 s 。如果是n m o s 作为开关，那么当开关闭合的时候，选取芯片最高电压 作为高电平。如果p m o s 作为开关，那么当开关闭合的时候，栅电压就应该为芯 片最低电压。根据( 2 2 5 ) 式，v g s 增大，驱动功率管的功耗会成平方增加。但 是一般驱动功耗都是非常小的，所以一般不会造成总的功率的增大。 对于和c o x ，以及v t l l ，因为设计一般是采用标准的c m o s 工艺，这些参数是 不可以调整的。通过优化功率的大小，在导通电阻和驱动功耗上求解最优值，可 以很好的提高电荷泵的效率。 第二个方面可以改进的就是控制方式。电荷泵的电压增益是固定的，由其拓扑 结构决定。电荷泵的控制方式不像b o o s t 那么复杂，目前常用的就是5 0 占空比的 时钟信号控制。或者其他固定占空比的时钟信号。就像前面的分析一样，可以通 过增加周期降低单位时间内的功率开关的开关次数，减小功率开关单位时间内的 的损耗，来提高电荷泵的效率。基于这样的原理，目前有两种高效率控制方式的 电荷泵1 3 1 ，一个是p f m 控制的电荷泵【1 4 。，一个是p s m 控制的电荷泵【1 5 】。这两种 电荷泵，典型的优点就是在轻负载的情况下电荷泵转换效率比较高。p f m 的频率 变化是连续的，电路中的噪声相对来讲就难以消除。因为每个频率的噪声都有可 能有。目前市场也有离散频率p f m 控制芯片。这种芯片的噪声变的有了规律，但 是效率的优势就没有连续变频的控制器那么明显了。p s m 这种电路的频率变化不 是连续的，相对来讲噪声消除容易一些。但是p s m 也有缺点，输出电压的纹波比 较大同时在轻负载的时候容易产生音频噪声。现在也有了专门为了防止音频噪声 的而改进的p s m 控制办法【l6 1 。设定可以容忍的纹波范围，p s m 也是一个非常优秀 的控制方式。 第三个方面就是减小静态电流。静态电流就是芯片除去功率部分之外的其他控 制部分如：基准源、振荡器等电路所消耗的能量。减小的静态电流的同时要保证 功率关的驱动部分有足够的能力来驱动电荷泵的功率开关。同时，一些关键的电 路也要注意，比如基准源。基准源部分，如果电流非常的小，噪声的影响就会增 大。电荷泵电路中有功率管的开关动作，芯片的噪声是个必须考虑的因素。在保 证芯片性能的情况下，尽可能的减小静态电流可以很好的提高电荷泵的效率。 电荷泵的效率，只是表征了电荷泵本身转换能量的能力。效率越高，表征电荷 1 2 茎三皇壹垫奎旦亟壁皇煎茎皇堕曼堡兰坌篓。一一，一一， 泵的性能越优越。在实际应用中，针对不同的应用环境，在提高电荷泵本身的效 率之后，还可以根据应用环境的不同提高整个驱动器的效率。 2 4 自适应电荷泵在白光l 印驱动器中的应用 本文所设计的自适应电荷泵是专为恒流驱动白光l e d 设计的。针对白光l e d 驱动，对电荷泵做了相应的优化设计。 白光l e d 的亮度与其流过的正向电流大小呈正比关系( 1 们，它存在一个正向导 通压降。图2 5 是白光l e d 的正向电压和电流的v i 曲线图”8 】。驱动白光l e d ， r j ； |l ， 。， l。 一_ - f j。， ， - ，| 。，一 * ， 一 - - t ，刀一；。嚷d o “l 叩s 如“8 “ 兹雾- ：一1e l h 如m l e d ，如a b m b 茹嗣睁：一 - f| 2 83 d 3 】3 4 3 63 8 f d r w 矗dv o l t a g e ( v ) 图2 5l e d 的v i 曲线 一般有两种方式：一种是恒压；一种是恒流。从上图，可以看出恒定的正向电压 无法保证相等的电流，即无法保证亮度的一致性。但是恒流就可以克服这个缺点， 保持各个l e d 的电流基本相等，亮度一致。电池的电压随着使用会慢慢下降。便 携式电子设备的锂电池在其9 0 的寿命时间里的的电压为：4 2 v 3 4 v 。白光l e d 的正向导通压降为3 v 4 v 之间1 1 9 】，并且都不相同，即使是同一批次的产品也存 在几十到几百m v 的差距。在本文所设计的自适应电荷泵中，当输入电压比较高 的时候，采用1 x 模式；比较低的时候采用1 5 x 模式。图2 3 2 是自适应电荷泵恒 流驱动白光l e d 的原理框图。输入电压经过电荷调整之后，然后通过受控电流源， 驱动u m 。在l e d 驱动器中，衡量驱动器的效率的指标称之为l e d 效率，注意 和电荷泵转换效率的区别： 1 3 (_噶8葛phg j 电子科技大学硕士学位论文 图2 6 恒流白光l e d 驱动原理框图 2 鼍等 p z ， v l e d 为l e d 上的压降，1 1 0 8 d 为l e d 上的电流，也就是电荷泵的负载电流。 计算在在1 x 模式和1 5 x 下系统的l e d 效率： 玎甚热。警 ( 2 _ 2 8 ) 。圪+ ( k + k ) 、。 些瓦鬲磊茄恚石雨吆+ 【+ i 乏栖盯2 缸) 善c o + ( 量+ 兰等) 牛k 】 “磐 ( 2 - 2 9 ) 盖 在相同输入电压，相同负载电流情况下，比较1 x 和1 5 x 的l e d 效率： 叩邕一叩：2 一等 ，7 ： ( 2 3 1 ) 从上面分析可以得出，在相同的输入电压和相同的负载电流下，1 x 模式的l e d 1 4 第二章高效率自适应电荷泵电路原理与分析 统不可能一直处于1 x 模式。因此，在v 。为何值时进行模式转换就成了，影响系 统效率的关键。 传统的模式是，固定输入电压点进行模式转换。当输入电压高于某点，系统 进入1 x 模式；当输入电压低于某点，系统进入1 5 x 模式。利用输入电压和一个 转换点的选择必须保证可以让所有l e d 开启。为了开启高的正向导通压降的l e d ， 转换点必须选择的很高。在高的转换点的设计中，如果驱动低的导通压降的l e d ， 那么会浪费很多的电能，效率会低很多。 2 4 1 优化模式选择提高l 印效率 为了提高效率本文设计了一种可以根据负载l e d 的正向压降来决定工作模式 的电荷泵口0 】。此电路的基本设计思想是让系统尽可能的工作在1 x 工作模式下。系 统工作在1 x 模式下的条件是在四个l e d 通道上都满足： _ = 一瑶“一k d + r( 2 - 3 2 ) p ：? 是驱动l e d 的电流源所需最小压降。高效驱动系统的原理框图如图2 7 所示。 图2 7 高效翠驱动系统原理框图 其工作原理是：在每个l e d 通道上，模式选择模块采样l e d 的正向导通压降与 v ，进行比较输出逻辑信号s 。，将四个通道的输出s 。相与输出模式转换标志信号 w o r k m o d e ，反馈给电荷泵选择工作模式。模式选择电路原理图如图2 8 所示。根 据电路可以得到： k = 纠等附铬) ( 2 3 3 ) 电子科技大学硕士学位论文 c o m 为比较器，v b g 为带隙基准电压源。用千分之的r l 来模拟r 删和r 粥盼和， 有带隙基准电压v b 。、r 1 和岛来模拟驱动l e d 的电流源所需的最小电压p 。当 所有v r 大于所有u 正向导通压降的时候，比较器全部输出高电平，相与得到 高电平、0 r ki d e ，系统进入1 x 模式。 应用h s p i c e 仿真软件对上述商效白光l e d 驱动系统进行仿真验证，并和固定 点转换工作模式的l e d 驱动进行比较。仿真模型采用台湾某成熟c m o so 5 岬工 艺模型。设p m o s 功率管流过最大l e d 所需电流时所需要的最小压降为3 0 0 m v 。 图2 9 给出了l e d 最大正向压降为3 1 v 负载电流为8 0 n 墉，高效率设计驱动和转 换点为4 5 v 的固定点转换模式的传统驱动的l e d 效率对比波形图。图2 1 0 给出 了在最大v d x 为3 8 v ，高效率设计驱动和转换点为4 5 v 的固定点转换模式的传统 驱动的l 王m 效率对比波形图。从图中可以看出，在v 瑚满足1 x 工作模式但还没 有达到固定转换点的范围内，高效设计驱动器的效率要比固定转换点的l e d 效率 要高出2 5 左右，并且白光u d 正向导通电压的越低，效率提高的电压范围越宽。 由此可知，仿真结果证实了高效设计的白光l e d 驱动器具有比固定转换点驱动器 高的l e d 效率。 图2 - 8 模式选择原理框图 1 6 第二章高效率自适应电荷泵电路原理与分析 2 7 3 1 3 53 94 3 4 7 5 1 5 5 输入电压v i i l ( v ) 图2 - 9l e d 效率对比( m a ) 【( v d x ) = 3 1 ) 裘卜、 盛磷、。厂 餐5 0 0 9 6 6 取一 目：! 盟 一一高效设计 “3 0 o 一一“。 1 0 o r 0 o 0 1 。“。1 。“1 。“。1 _ l l j j l “l _ 2 4 2 锂离子电池供电下的l 印效率比较 目前大多数便携式设备中都采用锂离子电池作为供电设备，本小节将介绍在 锂离子电池供电情况下的上述电路的l e d 效率比较。 下图是锂离子电池在放电电流为o 2 c 时的放电特性曲线图【2 0 】( 2 l 】。可以看出锂 离子电池的工作