（微电子学与固体电子学专业论文）高效低噪声电荷泵设计研究.pdf

摘要 本文分析、设计并成功流片了一种高效率低噪声电荷泵d c d c 转换器。 它采用o 5 u mc m o s 工艺，输入电压范围为2 7 4 5 v ，输出电压为5 4 v 。 具有关闭控制功能，在关闭状态下消耗电流小于l 址a ；具有软启动功能，可减 小启动时的电流过冲：具有短路及过热保护功能，工作温度范围为4 0 + 8 5 。 在电路设计中，基于电荷泵d c d c 转换器的基本原理和拓扑结构，给出 设计理论依据，并根据功能需要进行了电路的总体结构设计和子电路模块设计。 重点分析了典型子电路模块：误差放大器、振荡器、带隙基准源等电路原理， 并针对它们在高效率低噪声电荷泵d c d c 转换器的应用提出了改进。 在完成电路原理分析与电路设计的基础之上，应用e d a 软件h s p i c e 对各 个子电路模块和整体电路进行了功能仿真及量化模拟，仿真结果均达到或优于 预定指标，验证了作者在本文中阐述的线性电荷泵d c d c 转换器的设计理论， 走设计理论与实践相结合的一次有价值的尝试。 在电路理论中，本课题提出了一种新型p f m 控制型电荷泵，与传统电荷泵 相比，在芯片轻负载时，它具有更高的转换效率、更低的静态电流等优点。 最后在完成电路仿真、版图设计、以及后仿真工作后在境外一著名f o u n d r v 成功流片并完成测试，测试结果表明芯片功能正确。 关键词：电荷泵d c ，d c 转换器p f m 流片测试 i i a b s t r a c t a h i g h e f f i c i e n c y l o w n o i s ec h a r g ep u m p i n gd c d cc o n v e r t e ri s a n a l y z e di n t h i s p a p e ra n d t h ec h i pw 骶t a p e d o u ts u c c e s s f u l l yb yu s i n g0 5 u r nc m o s p r o c e s s w i t hw i d ei n p u tv o l t a g er a n g eo f2 7 vt o4 5 vt o g e n e r a t eh i g ho u t p u tv o l t a g e p r e c i s i o n 5 士4 v w i t ht h e “l i n e a r ”m o d u l a t i o n t e c h n i q u e n o i n r u s hc u r r e n t g e n e r a t e sw h e nc h i ps t a r t su pa n dt h es u p p l yc u r r e n ti sn om o r e t h a nl 耻aw h e nu s e r d i s a b l e st h ec h i p t h i sc o n v e r t e rc a uo p e r a t en o r m a l l yi nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f 一4 0 c 幻8 5 ca c c o r d i n gt ot h ed e s i g nd a t a t h ea u t h o rg i v e dp r i n c i p l ea n a l y s i sb a s e do nt o p o l o g yo f c h a r g ep u m p d c d c c o n v e r t e r s ，a n dd e s i g n e dt h ew h o l ed i a g r a mc h i pa n ds u bb l o c k t y p i c a ls u bb l o c k w a sa n a l y s i s e ds u c ha s ；e r r o r a m p l i f i e r , o s c i l l a t o r , b a n d g a p r e f e r e n c ee t c a n d i m p r o v e m e n tw a sp r o p o s e db a s e do n t h e i ra p p l i c a t i o ni nh i g he f f i c i e n c yl o w n o i s e c h a r g ep u m pd c d cc o n v e a e m b a s e do nt h ec h a r g ep u m p p 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 ni nt h eb e g i n n i n g c h a p t e r s ，t h ea u t h o rs i m u l a t e da l l t h es u bb l o c kc i r c u i t sa n dw h o l ec h i pc i r c u i tb y a p p l y i n ge d a t o o l sh s p i c ea n dc a d e n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a t t h e i ch a sa c h i e v e d t h e e x p e c t m i o n ，b o t h f u n c t i o n t a r g e t a n de l e c t r i c a l c h a r a c t e f i s t i e s i nc i r c u i t d e s i g n ，an o v e lh i g h - e f f i c i e n c yc h a r g ep u m pw i t hp u l s ef r e q u e n c y m o d u l a t i o n ( p f m ) c o n t r o l i s p r o p o s e d i nt h i s p a p e r c o m p a r e d w i t ht h e c o n v e n t i o n a ll i n e a rc o n t r o lc h a r g e p u m p ，t h ep f m c o n t r o lc h a r g ep u m po f f e r sl o w e r q u i e s c e n tc u r r e n t ，h i g h e re f f i c i e n c ya n dl o wo u t p u tr i p p l e ，e s p e c i a l l yi nl o wl o a d c o n d i t i o n a f t e r c o m p l e t i n g c i r c u i t s i m u 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 ，w e t a p e d o u tt h ec h i ps u c c e s s f u l l yi nf a m o u sf o u n d r ya b r o a da n dc o m p l e t e dt e s t t e s t r e s u l tp r o v e st h ef u n c t i o no ft h ec h i p k e yw o r d s ：c h a r g ep u m p d c d cc o n v e r t e rp f m t a p e o u t t e s t 独仓i l - 眭声明 y7 2 2 6 3 7 术人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进彳的研究工作段取得的 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 构的学位或证书而缒用过的材料。与我。同工作的列志对奉研究所做l 勺任何贡献 均己在埝文巾作r 明确的说明并表示感谢。 签名：氆日期：舻￥月乎同 关于论文使用授权的说明 本学位论文作首完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有篾部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查l 列和借 阔。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 签名 导师签名兰自址钟屯 h 期：细f 年妒月孑f i 第一章引言 第一章引言 便携式移动设备大多以电池供电，其负载电路通常是微处理器控制的设备， 比如移动电话、掌上电脑等等，此类设备要求供电电源效率高、输出纹波电压 小。直流变换器就是把未经调整的电源电压转化为符合要求的电源。电池的广 泛使用，给这一类电源带来特殊的要求：高效率、静态电流小、很小的面积、 低重量并且价格便宜。传统的电源通常使用一个电感实现d c d c 变换，但是 电感体积庞大、容易饱和、会产生e m i 而且电感价格昂贵 1 。为解决此类问题， 现代电源通常采用电荷泵电路。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 2 】。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、高 e m i 抑制等优点，在电源管理电路中已得到广泛应用。 1 1 国内外动态 电源是各种用电设备的动力装置，是电子工业的基础产品。经济建设和社 会生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展。近十年来中国的信息产业以 其他行业三倍的速度快速发展，“九五”期间，中国对电子工业的投资比重由过 去五年的2 2 提高到5 4 ，总投资规模达到4 2 9 3 亿元，比过去五年增长近1 2 倍，因此成为电源产业发展的强大推动力。电源最大的应用领域是在通信行业， 近十年来我国通信事业快速发展，通信电源也同步增长，1 9 9 1 年国内通信电源 投资额为人民币o 8 亿元，到2 0 0 2 年全国通信电源市场容量为4 5 亿元以上【3 1 。 从1 9 9 1 年到2 0 0 2 年通信电源增长5 6 倍多。 在国际上，日本和美国的电子工业和通信业很发达，因此对电源的需求量 非常大。在2 0 0 0 年，由于亚洲通信事业的高速发展，对电源供应和管理电路的 需求量在全球市场上的比例升至1 0 ，并且这个比例在今后一段时间还将迅速 增长，从而成为世界上最有发展潜力的电源供应市场之- - i ”。 第一章引言 1 2 课题在理论或实际应用方面的意义和价值 本课题在完成高效率低噪声电荷泵i c 电路设计、版图设计、版图验证、流 片和测试的基础上，在电荷泵控制理论上提出一种新型的脉频调制模式( p f m ) 电荷泵【5 i ，充分结合了传统的电源控制方式和p f m 控制方式的优点，实现电源 电路的高效率和高精度。传统的电源控制方式采用“s k i p ”模式和“l i n e a r ”模式， 他们的特点是：“s k i p ”模式静态电流较小，但是输出纹波电压大，“l i n e a r ”模式 静态电流大，但是输出纹波电压, j , 1 6 1 。但是“s k i p ”模式和“l i n e a r ”模式在轻负载 时效率均很低，本课题将有效结合这两种控制模式，在不同的负载下采用不同 的模式控制，以更好地提高电源效率和精度，提高低负载下电荷泵效率，降低 静态电流。 在电路应用中，电荷泵具有和开关电源相同的功能，但不需要电感元件， 利用外部电容器即可实现升压、降压、电压逆变转换。这种电路在一定条件下 为设计人员带来很大便利。因为电感标准规格和尺寸较少、电磁干扰多且成本 较高，同时对布线敏感。 1 3 本课题目标 本课题的目标为完成高效率低噪声电荷泵i c 电路设计、版图设计、验证、 流片和测试，并在电荷泵理论上有所创新。 i c 基本指标：输入电压范围为2 7 4 ，5 v ，输出电压为5 v ；输出电流可达 1 0 0 m a ；开关频率达2 m h z ；输出电压精度为5 a ：4 v ；输出纹波电压典型值 为3 0 m v p - p ，效率典型值为8 0 ，静态电流典型值为3 5 m a ，最大值为8 m a ； 具有关闭控制，在关闭状态时耗电流小于l g 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 。 1 4 本文工作 本文的主要工作是分析设计了一种高效率低噪声电荷泵电路并在电荷泵理 论上提出了一种高效p f m 控制型电荷泵。全文共分六个章节详细介绍。 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 2 第一章引言 文的章节进行安排。 第二章阐述电路工作原理以及总体设计。首先对该课题作总体概述，然后 对电荷泵电路的两种工作模式给出了具体的分析，并将本课题提出的p f m 控制 方式电荷泵与上述两种方式进行比较。 第三章对本课题中的子电路模块进行分析，其中包括误差放大器、带隙基 准源、振荡器、电荷泵控制电路以及保护电路等，对其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，并给出仿真结果。 第五章介绍了整个电荷泵电路的版图设计、版图后仿真结果以及测试结果。 第六章是本课题的总结。其中包括该课题继续发展的方向。 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 2 1 概述 第二章电荷泵电路原理和整体架构分析 电荷泵使用电容储存能量，并且随着电荷泵电路结构的改进，也可应用在 需要大电流的应用电路中。一般电荷泵电路主要有两种工作模式一“l i n e a r ” 模式和“s k i p ”模式7 1 。 当电荷泵工作在“l i n e a r 模式下，可以获得较低的输出纹波，工作在 “s k i p ”模式下可以获得较低的静态电流。为描述方便，以下分析中的电荷泵四 个开关管均用n m o s 代替，而并非实际上电荷泵开关中既有p m o s 又有 n m o s 。本节中，我们将首先给出电荷泵结构以及常用的调制方式，然后分析 每种模式的参数特性并给出“s k i p ”模式和“l i n e a r 模式各自的优势和局限。 2 1 1 基本理论 无电感型电荷泵如图2 1 所示，包含四个开关( m l m 4 ) 、一个泵电容( f l y i n g c a p a c i t o r ) c f 、输出电容( o u t p u tc a p a c i t o r ) c o u t 。一个简单的工作过程可分 为三个阶段： 阶段a ( 充电阶段，m i 和m 2 导通) ：泵电容被v i n 充电，c f 两端的平均压 差为v i n 减去充电电流在m l 和m 2 产生压降。 = 一，( r u t + r m2 ) ( 2 1 ) 阶段b ( 能量传输阶段，m 3 和m 4 导通) ：泵电容向负载电容放电，其两极 平均电压为： v o 盯= 巧+ p 矗一，日( r 吖3 + r 吖4 ) ( 2 2 ) 阶段c ( 等待阶段，m l m 4 均不导通) ：没有能量从v q 传输到c r 和c o r n ， v c f ：常量。 在等待状态，c f 两端电压保持恒定，这意昧着 1 q 口1 ( p h a s e a ) _ l q c fj ( p h a s e b ) 4 ( 2 3 ) 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 当用5 0 占空比的时钟时，a t 一2 & a2 垃，所以c f 的平均充电电流就等 于其平均放电电流，假设阶段a 和阶段b 的时间常数足够大 c f ( r m l + r 吖2 ) l o 出 ( 2 4 ) 并且 c f ( r “3 十r m 4 ) 1 0 a t 1 2 5 ) 那么 i ，i = i i 一= i ，8 i ( 2 6 ) u 皂- j 图2 - 1 基本的开关电 享升压结构 开关m 1 m 4 周期性通过阶段a 、b 和c 翻转，能量就从电池( v 【n ) 传输 到负载( v o u t ) 。在单个周期里，只有在阶段b 才对负载电容c o u t 充电，在其 余阶段( 阶段a 和c ) ，c o u t 向负载放电。在死循环电路系统中，输出电压v o u t 为稳定值，这就要求电荷泵充电能量等于负载消耗的能量【8 1 9 1 。所以，在能量 传输的阶段b ，输出电流i p 可以写成：( 出w + 2 a ) i m a d 2 a t l p 即 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 p = 1 l d ( 2 + a t 。a t ) 2 1 2 电荷泵的参数描述 1 输出电压v o u i 从a 中分析，我们可以得出输出电压 4 w = 2 一i l 洲d ( 2 + ( a t 。a t ) ) + r 。 ，= i ( 2 7 ) ( 2 8 ) 4 式( 2 8 ) 中的参数可分为2 组，( a t 。a t ) 、r 。和v r n 、i l o a d 。前两者 i = l 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 i n 和i l o “o 都不是常量并且可能变化很大。 2 输出电压纹波v o p p 因为c o u t 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 o u t 是 ，c o ( s t ( 曰) 2i r i l o a 。2i l o a 。( 1 + a t w a t ) ( 2 9 ) 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 ，c o u r ( 爿，c ) 一i l o a 。( 2 - 1 0 ) 从( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 我们可得输出电压纹波峰一峰值( p e a k t op e a k ) 如下 2 ，l o a 。 e s r ( 2 + ( a t w a t ) ) + ( a t i c o , j r ) ( 1 + ( a t 。出) ) ( 2 1 1 ) 通常e s r ( e q u i v a l e n ts e r i e s r e s i s t a n c e ) 相l bl i ，值( 址w ) 而言可以忽略 ( e s r 大约为1 0 m f 21 0 0 m f l ) ，所以v o p p 可以简化为： ”兰i l o a 。( a t c o c n - ) ( 1 + ( a t 。a t ) ) ( 2 - 1 2 ) 3 静态电流i o 电荷泵静态电流是指由v i n 提供，但并未经过c r 并输出到c o u t 的电流。 它由两项组成，i q b 和i o s 。前者为基准源、比较器、振荡器等等电路的供电电 流，为1 0 t a a 1 0 0 l a 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 6 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 的充放电电流。因为在每一个工作周期，m i m 4 均开启或者关断，i o s 就取决 于这个工作周期a t c m e = 2 a t + a t 。，当我们选择振荡器时钟信号最高电平为 v o u t 时，整个静态电流等于： 乇2 如+ i q s 2 。s + 而巧1 面( w7 2 妒i = 1 气 ( 2 一1 3 ) 当我们选择时钟频率为2 m h z ( a t = 0 2 5 u s ) ，v o u t = 5 v ，每个m o s 管栅 电容取为o 5 n f ，那么i q = l m a 。 4 转换效率i l 电荷泵的转换效率q 是电荷泵最重要的参数之一。转换效率的高低直接 影响了电池的使用寿命，“l i n e a r m o d e ”电荷泵在低负载时效率较低，在高 负载时效率较高m 1 。效率与电荷泵输出电压。，、输入电压的关系为： v o u t i o “f 力2 v i n & v i n 2 1 3 “l i n e a r ”模式及“s k i p ”模式 ( 2 1 4 ) “l i n e a rm o d e ”和“s k i p m o d e ”是控制电荷泵产生稳定输出的两种常 用模式。图2 - 2 给出了电荷泵工作在“s k i pm o d e ”下的拓扑结构图。 r q 一 图2 - 2 电荷泵工作予s p ；弑 4 在“s k i p ”模式下，开关总导通电阻r 。为恒定值，因为该值需要足够小 批【 7 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 以保证在最小输入电压v i n m 州下仍有最大输出电流i l o a d m a x 。所以可以写成： r 。( s k i p ) = ( 2 v ，n k ) ) 1 2 i m 。= c o n s t ( 2 1 5 ) 公式( 2 1 5 ) 对我们设计开关管带来指导性意义。当确定了最大输出电流 和最小输入电压后，m o s 管的w l 值就已基本确定了。如果该值过大，不能 符合( 2 - 1 5 ) 的要求，如果过小，则不能满足( 2 4 ) 、( 2 5 ) 的要求。 工作在“s k i p ”模式下的电荷泵通过对v o u t 的分压和内部基准信号源相比 较，输出使能信号以控制时钟的a t 。础比值，从而根据( 2 ，8 ) 式控制输出v o u t 的大小。 “l i n e a r ”模式下，a t 。= o ，电荷泵工作在固定频率f = l 2 a t ，通过 o p a m p 控制r 。值，也达到了稳定输出电压的目的。如果我们把上述条件 带入( 2 一1 2 ) 和( 2 - 1 3 ) ，得出： p 尸( s k p ) = ，l d 尬( f ，c 。u r ) ( 1 + ( f 。，f ) ) ( 2 1 6 ) p p ( l i n e a r ) = ，d ( a t c o u r ) ( 2 - 1 7 ) s o ( s k i p ) = i q b + 而南面( 他血r 蔷 ( 2 。8 i q ( l i e a r ) = i o b + ( w 2 a t ) + ( 2 一1 9 ) 从( 2 1 6 ) 和( 2 1 6 ) 可以看出，“l i n e a r 模式下工作的电荷泵具有最小 的输出纹波，因为其等待时间出。为零。在“l i n e a r ”模式下，阶段b 的尖峰 电流i t , 大约为负载电流i l o a d 的两倍。 i p ( l i n e a r ) 52 。 ( 2 2 0 ) 从( 2 - 1 5 ) 式中可以看出，开关管电阻之和必须设计在最小输入电压和最 大输出电流下，那么在“s k i p ”模式下的尖峰电流为： ，( 脚) 2 t 。瓦2 g 忑= , - g u t ( 2 - 2 1 ) 在相同的负载电流下，“s k i p ”模式下的输出纹波是“l i n e a r ”模式下的输出 纹波的1 + ( a t 。a t ) 倍 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 k w ( s k i p ) = f 名”( l i n e a r ) ( 1 + ( 出。a t ) ) ( 2 2 2 ) 当我们比较式( 2 - 1 8 ) 和( 2 1 9 ) ，同样可以发现，“l i n e a r ”模式下静态 电流是“s k i p ”模式下静态电流的l + ( a t 。2 a t ) 倍 i q ( l i n e a r ) 2i o ( s k i p ) ( 1 + ( a t 。2 a t ) ) ( 2 2 3 ) 总之，静态电流和较小的输出纹波对电荷泵而言是“t r a d e - o f f 的关系。无论 工作在哪种模式下，电荷泵不能同时获得较低的静态电流和较小的输出纹波。 本节在分析中，我们给出了电荷泵电路可能的工作模式：“l i n e a r ”模式和 “s k i p ”模式。事实上，下节中提出的电荷泵电路采用了“l i n e a r ”模式，至于 如何优化并将两类工作模式结合在一起利用他们的优点并遏制他们的缺点，仍 有后续工作要做。在此基础上，作者通过对控制方式的改变，将l i n e a r 控制 改为p f i v 控制方式，此举大大增加了电荷泵的转换效率，降低了电荷泵的静态 审。流。 2 2 “l i n e a r ”模式电荷泵工作原理 该电荷泵d c d c 转换器原理图如图2 3 所示。这种电荷泵由电容8 ，振荡 器2 5 ，可变电阻3 8 ，以及开关s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 组成。开关s l s 4 ( 以及本电路所 讨论的所有开关) 由p m o s 和n m o s 组成【l l 】。 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 圈2 - 3 电j 糠t 作j 瓢哩图 这一电路构成一种升压型结构，以使输出电压，高于输入电压。它为 负载1 1 提供输出电流并使输出v o ，为稳定电压。输出电容9 通过电阻1 2 与输 出相连。输出时钟信号k 。及k 。，这两个信号用来控制开关s 1 一s 4 的断开和 闭合。时钟信号k 。和k 。示于图2 - 4 。两个时钟信号互不交叠，并且当四个 开关均断开，两个时钟信号均为低时，会出现一段空态( t 2 和t 3 之间) ，这一 状态可以防止巧，电容8 与输出，对地短路。 ：ti睢 i! i i 一 。：i ；r _ 门v c l k = 臼il 厂9 t l t 2 t 3 t h 图2 4 剥应田黼号的电流示意图 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 当。为高时，开关s 2 、s 4 闭合( 如图t l 和t 2 之涮) ，而当。为低时， 丌关s 2 、s 4 断开。当。为高时，开关s 1 、s 3 闭合( 如图t 3 和t 4 之间) ，当 以，为低时，开关s l 、s 3 断开。 当开关s 2 、s 4 闭合而s 1 、s 3 断开时，输入电流，。从输入端流经可变电 阻3 8 及开关s 4 对电容8 充电，电流示意图如图2 - 4 所示。 阶段a ( t l 到t 2 ) ：开关s 2 、s 4 闭合，开关s 1 、s 3 断开。 t l 时，开关s 2 、s 4 刚闭合，电流k 迅速上升。随后电流，。逐渐降低，这 是因为电容8 ，开关s 2 、s 4 的导通电阻及可变电阻3 8 构成的时间常数导致j 。 的变化趋势。由于本文电荷泵电路加入了可变电阻3 8 ，它使t l 时刻的尖峰电 流，。以及t l 到t 2 问输入电流，。的变化均比不存在可变电阻3 8 时要小，从而 降低了输入电压端的非理想噪声。 阶段b ( t 3 至t 4 ) ：开关s l 、s 3 闭合，s 2 、s 4 断丌。 输入电流，。从输入端流经可变电阻3 8 、开关s 3 、电容8 ，再由电容8 流 经开关s 1 至负载，如图2 4 所示。 t 3 至“之问，开关s l 、s 3 闭合。t 3 时，电流骤升；与阶段a 相同，随后 电流，逐渐降低。与不存在可变电阻相比，可变电阻3 8 使输入电流尖峰在t 3 时刻降低，同时在t 3 至t 4 问，输入电流变化降低，从而使输入电压噪声降低。 这样，在每个阶段可变电阻3 8 通过电容8 及其它四个开关控制了输入电流。 通过电容的电流由下列的公式决定： ，：c d v 加 ( 2 2 4 ) 当开关s 2 、s 4 闭合时，输入电流对电容8 充电的电荷量，等于开关s l 、 s 3 闭合时电容8 对负载所放电的电荷量。当开关s 2 、s 4 闭合的时间内，电容 8 上电压的改变量( d r ，) 等于当开关s 1 、s 3 闭合的时间内，电容8 上电压的 改变量( d r , ) 。将这一性质带入公式( 2 - 2 4 ) 可得： ，r d v 。= d k = 二竽f 。= 二笋t y ( 2 2 5 ) l 8l 8 其中c 。即为电容8 ，t ，为每一周期开关s 2 、s 4 闭合的时间长度，t ，为每 一周期开关s 1 、s 3 闭合的时间长度，。为通过可变电阻3 8 的平均电流( 这 一平均电流在两个阶段为等值) 。求解公式( 2 - 2 5 ) 可知，t ，= t 。，f ，、t 。分别 由时钟信号、。控制。 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 在一个周期内，电荷泵的平均输出电流1 0 ，( 如同时开关s 1 的平均电流) 等于负载电流，。而经过可变电阻3 8 的电流只在s 1 闭合的阶段b 流至w 。 在阶段a ，因为开关s 1 断开，电荷泵的输出电流等于零。因此，流经可变电 阻3 8 的平均电流j 。应是平均输出电流，d 的两倍。 当开关s 2 、s 4 闭合时流经可变电阻3 8 的平均电流可由以下公式算得： i ， 一l ， i = 卫，一塑 ( 2 - 2 6 ) “3 b 其中r 。为可变电阻3 8 的阻值，。为电容8 上的平均电压。 开关s l 、s 3 闭合时流经可变电阻3 8 的平均电流为： ir 3 8 =竖堡8二坠塑(2-27) 恐。 流经电阻3 8 的电流等于流经电容8 的电流，因为这两个单元一直都是连接 在一起的。因此开关s 2 、s 4 闭合时流经电阻3 8 的平均电流等于开关s l 、s 3 闭合时流经电阻3 8 的平均电流。解方程( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 可知，。等于。，的 一半。 将i m = 2 1 0 。，= 2 i 。以及s = v o 2 代入方程( 2 - 2 5 ) ，可得： 一兰旦盟 i n 1 r 3 8 = _ ( 2 - 2 8 ) z , l f 下面的讨论中，方程( 2 - 2 8 ) 可变换为：v o f ，= 2 - 4 1 。r ，。假设r ，。为 零，当开关s 2 、s 4 闭合时加在电容8 上。由于电容上的电压差不能突变， 当进入另阶段开关s l 、s 3 闭合时，电容两级板的电压差仍为。，而此时电 容负极板的电压己由变为，电容8 的正极板所带电压将变为2 。这样， 假设r 3 。等于零的情况下，由以上分析可得到此时v o 。r = 2 ，这是输出的 最大值。当r ，8 有为正时，根据方程( 2 - 2 8 ) 可知， 比2 要小一些。 本文的电荷泵电路有一个反馈回路，包括电阻3 1 a 、3 1 b ，基准源3 2 ，以 及运算放大器3 4 。这一反馈回路可通过控制可变电阻3 8 的阻值，从而控制输 出电容9 及负载1 l ，从而调整输出电压。 电阻分压器3 i a 3 1 b 为运放正输入端提供输出电压，的反馈电压，而基 准电压源3 2 为运放负输入端提供稳定的输入电压。放大器3 4 将反馈信号与基 准电压之间的差异放大，并在其输出产生一个放大信号来控制可变电阻3 8 。可 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 变电阻是工作在线性区的场效应晶体管( 如n 沟m o s f e t ) 。 当负载电流l ，比流入负载1 l 的平均输出电流小时，多余的电荷将储存在 电容9 上，此时输出电压，上升，这样。的电压反馈信号使放大器的电压 输出信号上升，这一变化使得可变电阻3 8 的阻值上升，r 。的上升使输出电流 下降，这样反馈使得输出电压形。，保持恒定。 当负载电流i ，比流入负载1 1 的平均输出电流大时，电荷将通过负载电流 i ，从输出电容9 转移，从而使输出电压。下降，这样：。的电压反馈信号使 放大器的电压输出信号下降，这变化使得可变电阻3 8 的阻值下降，r ，。的下 降使输出电流上升，这样反馈使得输出电压。保持恒定。 基于上述对电荷泵电路基本原理的理解，我们设计了一款低输入输出噪声 的二倍压电荷泵，具体电路结构在第三章中详述。 2 3p f m 控制模式电荷泵 以上我们已经分析了l i n e a r 模式电荷泵的工作原理，l i n e a r 模式电荷泵 电荷泵具有低噪声、低输出纹波，在高负载时转换效率较高，在低负载时转换 效率较低的特点。在此理论基础i ! 二，我们提出了一种新型的p f m 控制模式电荷 泵，脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 方式，其脉冲宽度恒定，通 过调节开关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为“定宽调频”；与 传统固定开关频率电荷泵相比，p f m 控制模式电荷泵具有低静态电流、高转换 效率的优点，尤其是低负载时的效率比线性控制电荷泵有较大范围的提高。 2 3 1 理论分析 l i n e a r 模式电荷泵充电至预先设定的输出电压后，电荷泵通过系统反馈， 将误差放大器输出信号e a 拉低，此时电荷泵停止充电，但内部振荡器仍然维持 固定频率2 m h z 。此举虽可以压低电荷泵输出纹波，但却增加了电荷泵内部功耗， 以致降低了其转换效率。 p f m 控制型电荷泵与l i n e a r 模式电荷泵相比，具有更高的转换效率，特 别是在芯片轻负载时，转换效率将明显提高i l “。这是因为采用了压控振荡器 ( v c o ) 5 1 i 6j 取代了电荷泵中的固定频率振荡器。当电荷泵稳定输出后，压控 振荡器会根据误差放大器输出信号e a 自动降低振荡器频率，从而减小静态电 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 图2 - 5 为一种可用于本文提出的p f m 控制型电荷泵的压控振荡器，其振荡频 率为： 以巳坠 厶2 苟吲) 2 ( 2 - 2 9 ) 式中，为电子迁移率，c 。；为单位面积栅氧电容，c l 为图2 5 中的充电电容， v p 为s m i t t 触发器上沿电平，! 垡为n 2 管的宽长比，v t n 为n m o s 阈值电压，其 “n 2 中尉为误差放大器输出。当电荷泵稳定输出后， 删= + p 式中，i l o a d 为负载电流，女为电荷泵倍数。 而电荷泵静态电流为： l 口= l q r + l 蕊= i 七婶。u t o b j ：i 西+ a l 一= f 譬 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 毫 ，iut 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 i q b 为基准源、比较器、振荡器等电路的供电电流，约为5 0 l x a ，i q s 则为电荷泵 开关栅电容的充放电电流，约为2 m a ，窆为功率管栅电容之和。 同时电荷泵转换效率为： 7 7 ：叠錾( 2 - 3 3 ) ? y w x t k ，+ 1 0 、 式中，v o u t 为电荷泵输出电压，v 1 n 为电荷泵输入电压。 以卜就式( 2 - 3 3 ) 对l i n e a r 模式电荷泵与p f m 控制型电荷泵分别进行讨论： ( 1 ) 在固定开关频率线性控制电荷泵中，振荡器频率白盯固定在一个恒定值， 不受负载电流厶d 影响，从而使得如基本不变。此时式( 2 3 3 ) 为： 叩2 百v o u t 砸1 沼，。， l i 。m 当，一。 5 。删，t “。远大于，卯+ k ，此时效率接近于面v o u 了t ；当 ，。 5 0 m a ，此时! 号生不能被省略，此时效率随丘。降低而迅速下低。 当k = 2 ，v n q = 2 7 v ，v o m = 5 v ，丘删d = 1 0 0 m a 时，”一8 5 ，而在低负载丘洲d = l m a 1 寸，此时电荷泵效率很低，仅n 3 8 。 ( 2 ) 与固定开关频率线性控制电荷泵相比，p f m 控制型电荷泵在稳定输出后， 通过系统反馈拉低e a 信号。根据式( 2 - 2 9 ) n 1 式( 2 3 0 ) 可知，e a 越低，振荡器 频率越低，芯片内部消耗的静态电流e 也越小。此时式( 2 3 4 ) 为： 叩。百v o u t 磊1 弦，s ， l d 4 。 由于i o b 小于5 0 p a ，仍远小于轻负载电流勘4 d l m a ，因i i 北p f m 控制型电 荷泵效率在不同负载下均接近于瓦g o u t 而1 ，当负载电流丘们。较大时，静态电 + 4 。 流幻的减小对效率的影响并不显著。但是，在屯伽。变低时，场的减小对效率的 影响随之增大。特别是在轻负载时，由于如的降低，电荷泵效率有较大范围的 提高。在v l n = 2 7 v ，v o l r r = 5 v 的情况下， i t o a d = 1 0 0 m a 时，q = 8 9 ，而在 第二章电荷泵电路原理与整体架构分析 低负载丘。d = l m a 时，v c o 控制型电荷泵效率可达8 2 。 振荡器频率的降低虽可以大幅提高了电荷泵的效率，但其同样增加了电荷 泵的输出纹波，其输出纹波v r i p p l e 为： n ，2 瓦忑1 1l o 丽a d = 。+ - 2 。i l “o r e s r ( 2 - 3 6 ) 式中，c o u r 为电荷泵输出电容，r e s r 为输出电容的等效串联电阻。由式( 2 3 6 ) 可见，输出纹波v r i p p l e 随振荡器频率降低而随之增大。但是纹波的少许增加对 电荷泵的性能影响不大。 图2 - 6 与图2 - 7 分别给出了两种电荷泵在4 种输入电压( v i n = 2 7 v 、v i n = 3 2 v 、 v r n 2 3 7 v 、v i n = 4 5 v ) y 效率与负载电流的关系。由图可知p f m 控制模式电荷 泵在低负载电流时的转换效率明显高于l i n e a r 模式电荷泵的转换效率。 e l u c l o f l 钎垤l o a dc u r r e n t c = c o u i = c f l y = 1 1 t f h ；2 5 c c 。， 州 群科 v i i 脐 ，一 ， 嗥斜 7 _ 杉 ， 1 1 01 l d 0c u r r e f l t l r a a ) 巨b _ 6 l q e a r 电荷泵效率 1 6 毒 u = 省 u e 1 m f i c i e n c y _ ol o a dc u r r e n t 墨幽i iln 一一7h 弘32 训； 一- _ jiii ，v i 聊s t u 一，。 i 上“一 _ _ i - ，一， 一， 瓢t 列5 v j ， _ _ _ h ；i h 锎， j r 1 1 01 0 0 l o a dc u r i 疆n t t m ) 匿b _ 7 p f m 电摘泵效率 阳 帕 柏 嚣一蓉j3量u| 第三章子电路模块设计与仿真 第三章子电路模块设计与仿真 在第二章我们已经介绍了电荷泵电路的工作原理和参数描述方式等，这 些基础理论对实际电路的设计具有重要指导意义。一个完整的电荷泵包含了： 电荷泵开关、振荡器及时序电路、误差放大器、带隙基准电压源、过温保护、 软启动、电平转换、系统复位等子电路模块，本章将对其重要子电路模块予以 分析。 3 1 误差放大器( e r r o ra m p l i f i e r ) 图3 1 是电荷泵系统负反馈简 图。e a 的作用是稳定输出，是电荷泵 系统的核心模块之- - 13 1 。 3 1 1 电路原理分析 e a ( e r r o ra m p l i f i e r ) 通过检测 输出电压的大小进而控f l i l p h a s eg e n 模块，使其产生不同的时钟信号，控 制流过电荷泵开关数组的电流( 通过 控制电荷泵开关管导通电阻) 以稳定 输出。 = 图3 - 1 电摘茑强筠班蝴图 当 ，大于预定电压( 5 v ) 时，e a 产生的信号增大电荷泵开关管的导通 电阻，也即减小充电电流，抑制输出v o u t 的进一步增加。 反之，则减小开关管导通电阻，增大充电电流，促使输出u 艚加。 第三章子电路模块设计与仿真 图孓2 e a 等搿蝶构幽 图3 2 中红色竖线左边电路为e r r o ra m p l i f i e r 。分析竖线右边的电路可知： 若时钟c l k 为低电平，c l k c 等于电源电压，关断电荷泵开关管s w c ：若时钟 c l k 为高电平，开启电荷泵开关管。g 、d 短接的p m o s 管和e a 控制的n m o s 管 决定了c l k c 的大小，控制了流过开关管s w c 的电流。 1 、误差放大器a 通过采样w 的大小输出e 4 信号，最终影响电荷泵开关管 的漏端电流，稳定输出。 但是，无论误差放大器a q - 作开环还是死循环状态( 不考虑红色方框中的电 路时) ，在。 5 v 时，e a 会等于电源电压，使得流过s w c 的电流很大，对电 源造成电流过冲。只有当【，舟于或者大于5 v 时，由于系统负反馈的作用，使 得e a 保持在某个模拟量上。 为了使电路有一个软启动的过程，并且不对电源造成电流过冲，加入了图 3 2 红色方框中的电路。如图3 3 ，它由一个跨阻放大器和一个电流