（物理电子学专业论文）降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计.pdf

摘要 摘要 随着电子信息产业的高速发展，对电源系统提出了更高的要求，传统的电源 已经不能满足日益严格的要求。开关电源作为绿色电源，具有效率高，体积小， 精度高等优点，已被广泛应用于各种电子设备。电容型开关电源比起电感型开关 电源，具有安装尺寸小，噪声小，成本低等优点。因此在低功率便携设备中，采 用电容型开关电源更合适些。 本文设计了一款高频、大功率的降压型d c d c 电源芯片。首先阐述了开关 电源的基本原理和各种分类，重点说明了降压型电荷泵的工作原理；随后根据设 计的要求和指标进行了电路的总体设计，完成了各个子电路的原理分析，电路设 计。其中重点阐述了带隙基准源电路，电压误差放大电路、振荡电路、逻辑控制 电路、保护电路的设计和验证过程，并利用e d a 软件h s p i c e 对电路的所有部分 进行了仿真验证。最后，对整体电路进行了瞬态仿真验证。最终仿真结果表明， 电路能够稳定工作，达到了预期目标。 关键词：电荷泵；l d o ；效率：纹波 a b s t i i a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n te l e c t r o n i c i n f o r m a t i o ni n d u s t r ya n dt h e i n c r e a s i n gd e m a n d so fe n e r g ys a v i n g , t h et r a d i t i o n a lp o w e rs u p p l y nn o tm e e tt h e i n c r e a s i n g l ys t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l ya sg r e e np o w e r , w i t hi t sh i i g he f f i c i e n c y , c o m p a c tv o l u m ea n dg o o dl i n er e g u l a t i o n ，h a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nm o s to fe l e c t r o n i cf i e l d s c h a r g ep u m pt h a nt h ei n d u c t a n c e - t y p es w i t c h i n g p o w e rs u p p l y , w i t ht h ei n s t a l l a t i o no fs m a l ls i z e ，l o wn o i s ea n dl o wc o s t t h e r e f o r c ， u s i n gc h a r g ep u m pi nl o w - p o w e rp o r t a b l ed e v i c e si sm o r ea p p r o p r i a t e 1 l lt h i sp a p e ra ne f f i c i e n t , h i g h - f r e q u e n c yc h a r g ep u m pd c d cs t e p d o w n s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc h i pi sp r e s e n t e d f i r s t ，t y p e sa n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so f s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya r ei n t r o d u c e d t h es t e p - d o w nc h a r g ep u m pi sd i s c u s s e di n d e t a i l n e x t , t h eg l o b a ls y s t e ma r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e du p o nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a n ds u b b l o c kc i r c u i t sa r ea l s oi n t r o d u t e dt h a tf o c u s e so ns e v e r a le s s e n t i a ls u b b l o c k s s u c ha sb a n dg a p ，e r r o ra m p l i f i e r ，o s c i l l a t o r ，l o g i cc o n t r o l ，o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n c i r c u i ta n do v e rt e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nc i r c u i t a l lt h es u b - b l o c ki ss i m u l a t e db y a p p l y i n gt h ee d a t o o lh s p i c e a tl a s t ，b a s e do nt h ew h o l ec i r c u i tp r i n c i p l ea n a l y s i s a n ds u b - b l o c kd e s i g n ，t h ea u t h o rs i m u l a t e dt h ew h o l ec i r c u i tb yh s p i c e a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so fh s p i c es i m u l a t i o n ，t h es y s t e mi ss t a b l ea n do t h e rp e r f o r m a n c e s p e c i f i c a t i o n sr e q u i r e di sa t t a i n e d k e yw o r d s ：c h a r g ep u m p ；i d o ：e f f i c i e n t ：r i p p l e m 第一章绪论 1 1 开关电源发展现状 第一章绪论 电源实质是电能的变换，将网电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对 象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位，它的优点有：高稳定度、 大容量、小体积、输入输出范围宽、输出精度高等。广义上说，凡是利用功率半 导体器件作为开关，将一种电源形态转变为另一种电源形态的电路都叫做开关转 换器电路，利用高频脉宽调制技术或高频脉冲频率调制技术，在转变时通过对开 关转换器的自动闭环控制来稳定输出电压，并具有保护与显示环节的，就称为开 关电源，实质上它是一个闭环的自动电压调节系统【1 l 【2 l 【3 】。集成的开关电源更具 有效率高、输出稳定、可靠性高，并可实现远程控制等功能，是世界开关电源的 发展趋势【4 l 。一般的开关电源电路由功率器件与控制电路两大部分组成，功率器 件将能量传递给负载，而控制电路则按照输入输出等条件的变化控制功率器件工 作状态，开关电源的集成度越来越高，部分功率器件也被直接集成在i c 内部， 从而大大的简化了外围电路的设计，为使用者提供更大的便利的同时还能增加 电路的稳定性以及电路的成本。 开关电源已有3 0 多年的历史，早期的产品频率比较低，成本昂贵，仅用于 卫星通信等少数领域【5 1 。2 0 世纪6 0 年代出现过晶闸管相位控制式开关电源，7 0 年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、 调试困难等原因而难于推广从7 0 年代后期以来至今，随着集成电路设计与制 造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，由于外部接线、焊点相对以前 大为减少，可靠性显著提高【6 j 。集成化、模块化可以使电源产品体积小、可靠性 高，给应用带来极大方便。随着半导体技术和微电子技术的不断发展，集成度高、 功能强大的大规模集成电路的不断出现，使电子设备的体积在不断的缩小，重量 在不断的减轻，在现代电子产品中，有时候电源体积要比微处理器大几十倍，如 何减小开关电源的体积，面临着新的挑战。提高频率是开关电源要面临的主要问 题，因为理论分析和实践经验表明，电器产品的体积、重量随工作频率的平方根 成反比的减少1 7 1 ，所以当把频率从5 0h z 提高到2 0k h z ，用电设备的体积、重量 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 大体上降至工频设计的5 一5 0 1 8 1 ，其主要材料可节约9 0 或更高，可节电3 0 或更多。 我国对开关稳压电源的研制工作始于6 0 年代初期【引。7 0 年代起，我国在黑 白电视机、中小型计算机中开始应用5v 、2 0 - - 2 0 0 a 、2 0k h z 的a c d c 开关电 源。8 0 年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究o 5 巧m h z 准谐振型 软开关电源。8 0 年代末，我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压整流 电源和晶闸管相控稳压电源被大功率枷c 开关电源所取代，并开始在办公室 自动化设备中得到应用。9 0 年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源，如 卫星上用的开关电源、远程火箭控制系统用的d c d c 开关电源等。进入2 1 世 纪后，我国的开关电源产业进一步发展壮大，国内开关电源研发及生产厂家有 3 0 0 多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，并有少量开 始出口，但由于种种原因，在现阶段依然与世界先进水平有一定差距，前景不容 乐观。 1 2 开关电源的前景与趋势 目前，我国已成为全球增长潜力最大的电子产品消费大国：全球最大的移动 电话市场、第三大p c 市场，未来五年还将成为全球第二大半导体市场。手机、 笔记本、数码相机、r a p 3 乃至m p 4 等产品近些年的发展保持了高速的增长，对 于上游电源管理芯片市场起到了很大的推动作用。未来这些产品产量的增长还将 继续，但是速度相对近几年将会有一定减缓。但是除了产量的增长以外，便携产 品对电源管理芯片市场的推动将更多的表现为产品和技术的更新。高效率、低功 耗、低压大电流、低噪音、良好的动态特性以及宽输入范围，还有整体设计上薄 型化、模块化、标准化，使得其更简便的应用于产品中。 高效率、低功耗。目前的新型转换及封装技术可使电源的功率密度比传统的 电源功率密度增大不止一倍，效率可超过9 0 。之所以能达到这些指标，应归 功于微电子技术的发展使大量高性能的新型器件涌现出来，从而使损耗降低。较 典型的是高性能的金属氧化物半导体场效应晶体管，其在同步整流器中取代了传 统设计中使用的二极管，使压降由0 4v 降到o 2v ；功率m o s f e t 制造商正在 开发导通电阻越来越小的器件，其导通电阻已由1 8 0 m q 降为1 8 m q 。随着各种 2 第一章绪论 整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐渐成为 关注的热点，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件市场的稳步发展。 为了满足在同等芯片尺寸内，晶体管的尺寸越来越小，工作电压越来越低，而工 作频率越来越高的需求，市场对低电压、高精度、低功耗的电源管理芯片的需求 不断增加i 删。 低压大电流。随着微处理器工作电压的下降，模块电源输出电压亦从以前的 5v 降到了现在的3 3v ，1 8v 甚至到达i v 以下。与此同时，集成电路所需的 电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力。现在的便携产品通常都会集成视 频、音频、照相录像、文件存储等多种功能，能够完成音视频播放、录像和文 件存储等工作，手机能够拍照、听音乐和上网等。不同功能的实现都需要不同的 电压供应，而且要求电压稳定可靠、干净、高效，这也是电源管理面临的一个挑 战。电源管理系统正在日趋复杂化，一个产品通常会需要5v 、3 3v 、2 5v 、 1 8v 、1 5v 、1 2v 等多种电压，如何有效地管理多种电压，并且使之互不干扰， 是电源设计中正面临的一个难题【1 1 l 。 小型化。虽然便携产品的体积在不断缩小，成本也在不断降低，但是在保证 性能的前提下，体积更小、成本更低的产品必然更具竞争力。如何使电源管理 i c 的封装越来越小、封装的厚度越来越薄也是电源管理i c 要解决的难题之一 而在缩减成本方面，相信没有哪个商家不精打细算，因为利润永远是商家追逐的 目标。因此，电源管理面临的关键任务之一就是如何最大化产品的性价比。 低噪声。噪声大是开关电源的主要缺点之一。噪声和开关损耗随着工作频率 的变高而严重。由于开关电源产生噪声，而噪声能够祸合到其它电路，从而影响 系统的正常工作，因此开关电源的低噪声成为设计时的重要考虑因素。 标准化。现在，标准对电源产业的作用已越来越被重视，标准化可以缩短产 品推向市场的周期并降低成本，但目前多数国内企业采用自己的企业标准生产， 按照自己的测试规范测试，各个行业标准也存在着技术指标落后，测试方法可操 作性差等问题，导致业界没有统一、完善的设计、生产与检测标准，为了推动模 块电源的技术进步，提供国内企业生产质量控制的依据，制定科学的国家标准迫 在眉睫。 3 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 1 3 选题意义 如今几乎所有的电子设备都会用到开关电源，如电视机、个人计算机、音响 设备、日光灯整流器、医疗设备、通信电源、航空航天电源、u p s 电源、变频 器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等。它应用面之广 泛和应用数量之多，是任何电力电子电源都无法比拟的【1 2 l 。由于许多便携式电 子产品电路中都包含有无线电电路和射频电路，对噪声十分敏感，而电感型开关 电源产生的噪声在不同程度上对这些敏感电路形成一定的影响。 在低电流小功率应用场合，一种经济可行的方案是使用高效率、低成本、低 噪声的无电感型开关电源即电荷泵电路。电荷泵不需要会产生很大电磁干扰的电 感元件，只使用电容实现稳定的电压输出，从而就可以避免噪声的影响。电荷泵 损耗主要来自电容器的等效串联电阻和内部功率管的导通电阻。因此，具有较高 的转换效率，同时电容面积外接在芯片外部，这样成本较低。 本论文中以减小电荷泵的功耗、降低噪声及增大输出功率和稳定输出电压是 论文的主要目标。经过改善的电路结构，十分适合便携式电子设备，通过增加一 些额外的功能，如模式的自动变化，低电流保护等，可进一步增加电路的转换效 率，从而有广阔的市场前景。 4 主要工作和本文结构 根据提出的设计要求，尝试研发了一个降压型的，直流一直流开关电源电荷 泵芯片，并对它进行系统仿真验证。 本文结构体系如下所示： 第一章，主要介绍了开关电源的发展概况、前景和未来发展趋势，并对说明 了本论文的选题意义。 第二章，介绍了开关电源的种类和特点着重说明了降压型电荷泵的工作原理 以及芯片的整体结构。 第三章，主要是对各个子电路进行分析，阐述了它们的原理，并对它们进行 了仿真验证。 第四章，阐述了外围电路的结构，并且将其与各个子电路联系起来构成整体 4 电路，对整体电路进行了仿真验证。 第五章，本文工作的总结与展望。 5 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 第二章开关电源的理论基础 2 1 电源的种类及其特点 电源一般可以分为线性电源和开关电源两种。线性电源通常指的是线性低压 降稳压器( l d o ) ，而开关电源则包括电容式开关电源( 电荷泵) 与电感式开关 电源。目前国内通信家电等领域所使用的电源普遍是开关电源。而开关电源又可 以分为a c - a c 电源、d c d c 电源、a c d c 电源、d c - a c 电源。d c - i x ：电源 组成的电源系统具有可靠性高、系统升级容易等特点，d c d c 的应用越来越广 泛，尤其最近几年来，由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广， d c d c 电源需求更是大大增加。 2 1 1 线性低压降稳压器 线性低压降稳压器因功率调整管工作在线性区而得名。线性低压降稳压器结 构如图2 1 所示【1 3 1 ，由功率调整管q l 、电阻分压网络、误差放大器和负载电阻 组成。输出由负载电阻r l 和功率调整管q 1 分压产生，功率调整管相当于一个 可变电阻，输出电压通过分压反馈网络砌、r 2 采样后，反馈到误差放大器与参 考电压进行比较，控制功率调整管，保持输出电压稳定。 6 第二章开关电源的理论基础 f 图2 1l d o 原理图 线性低压降稳压器原理如下：如果输出电压变大，电阻分压网络分压增大， 误差放大器的反相端电压变大，使误差放大器的输出电压变小，功率管q l 的基 极电压变小，在电路中的等效电阻变大，迫使输出电压减小。反之亦然。这样整 个回路构成一个深度负反馈的系统。由于采用线性调节原理，没有功率管的导通 和关断，线性低压降稳压本质上没有输出纹波【1 4 1 ，线性低压降稳压器常用于高 的噪音抑制和纹波抑制、要求p c 板面积小、不使用电感、设计成本低的场合， 尤其是对噪声敏感的音频电路。 但是，效率低是线性低压降稳压器的最大缺点，而且其只能降压，不能升压。 线性低压降稳压器的效率取决于输出电压与输入电压之比【1 5 l 。把3 7 v 的电池电 压变换到3 3 v 的情况，线性低压降稳压器的效率高达8 9 ，但是在将同样的电 池电压变换成1 3 v 输出时，效率降低到3 5 。当输出太低导致低效率时，如果 要求输出电流较大，不仅会造成很大的浪费，而且可能会因为芯片过热不能正常 工作，所以线性低压降稳压器不适合于高压差应用。随着集成电路快速发展，工 艺最小尺寸不断缩小，数字集成电路的电源电压也随之变低，同时随着电子产品 的轻、薄、小发展，对轻且小电池的需求迅速增加，线性低压降稳压器的低效问 题日显突出。由于效率低下，线性低压降稳压器大量被高效的开关电源所取代。 2 1 2 电感式开关电源 电感式开关电源因其体积小，重量轻，效率高等优点，在中小功率乃至大功 7 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 率领域都得到了广泛的应用。开关电源变换器的四种常用的拓扑分别为b u c k 型 变换器、b o o s t 型变换器、b u c k b o o s t 型变换器以及c u k 型变换器【1 6 1 。 b u c k 变换器也称降压( s t e p d o w n ) 变换器。如图2 2 所示，在工作过程中， 当开关s 导通时，电源v i 通过电感l 开始向负载r 供电，电容c 起滤波作用。 电感l 上的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，此时二极管d 因反向 偏置而截止。经过时间t o n 后，开关s 关断时，由于电感l 上电流不能突变， 它产生的感应电势使得二极管d 导通，电感上储存的能量通过二极管d 开始给 负载供电。电容c 起滤波作用。经过时间t o f f 后，开关s 又导通，上述过程便 重复发生【1 7 1 。 s l 卜 l c =r 主 1 图2 2b u c k 型变换器拓扑结构 b o o s t 变换器也称为升e , ( s t e p u p ) 变换器。如图2 3 所示，当开关s 导通时， 电感l 上的电流逐渐增加，存储能量逐渐增加，二极管d 因反向偏置而截止， 负载由电容c 提供能量。经过时间t o n 后，开关s 关断，由于电感l 上电流不 能突变，它产生的感应电势使得二极管d 导通，电感上储存的能量经由二极管 d ，给负载供电，同时给电容c 充电。经过时间t o f f 后，开关s 又导通，上述 过程便重复发生。 8 第二章开关电源的理论基础 图1 3b o o s t 型交换器拓扑结构 b u c k 变换器是降压型变换器，b o o s t 变换器是升压型变换器，它们输出电压 和输入电压的极性相同。b u c k b o o s t 变换器是升降压型变换器，既能够升压， 也能够降压，在给定的输出电压下，容许输入电压在较宽范围内变化均能工作， 它的输出电压和输入电压的极性相反。如图2 4 所示，在开关s 导通时，电感l 电流逐渐增加，存储能量逐渐增加，l 上的电压上正下负，此时二极管d 因反 向偏置而截止，负载由电容c 供电。经过时间t o n 后，开关s 关断，由于电感 上的电流不能突变，它产生的感应电动势使得二极管d 导通，l 上存储的能量 通过二极管d 给负载供电，同时给电容c 充电。经过时间t o f f 后，开关s 又导 通，上述过程便重复发生。 fl 卜 l = r 1 图2 4b u c k - b o o s t 型变换器拓扑结构 c u k 变换器也是一种升降压型变换器，不仅能够升压，也能够降压，它的输 出电压和输入电压的极性也是相反的。如图2 5 所示，在开关s 导通时，电感 l l 电流逐渐增加，存储能量逐渐增加。而电容c 1 经过开关和电感l 2 ，从而给 负载r 供电，并向l 2 储能，二极管d 因反向偏置而截止，电容c 2 起滤波作用。 9 鲞 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 经过时间t o n 后，开关s 关断，电感l 1 开始给电容c 1 充电，由于电感l 2 上电 流不能突变，感应电势使得二极管d 导通，电感l 2 经过二极管d 向负载供电， 电容c 2 起滤波作用。经过时间t o f f 后，开关s 又导通，上述过程便重复发生。 l 。 、t i l 1 c 圭r v is d l1 图2 5c u k 型变换器拓扑结构 一 v o + 要求大电流的应用，电感式开关电源十分适合。但是因为采用了磁能元件， 线圈不能集成，所以电感式开关电源的电源整体布局较大，设计复杂，具有较大 的输出电压纹波，要考虑电磁干扰的影响。 2 1 3 电容式开关电源 最早的理想电荷泵模型是d i c k s o nj 在1 9 7 6 年提出的【1 8 l ，其基本思想就是 通过电容对电荷的积累效应而产生高压使电流由低电势流向高电势，当时这种电 路是为了提供可擦写e p r o m 所需要的电压。后来w i t t e r sj , t o r ut r a n z a w a 等人 对d i c k s o nj 的电荷泵模型进行改进【1 9 1 ，提出了比较精确的理论模型，并通过实 验加以证实提出了一些理论公式。随着集成电路的不断发展，基于低功耗、低成 本的考虑，电荷泵在集成电路中的应用越来越广泛了【刎。 电容式开关电源又称为电荷泵电路，电路利用飞电容把能量从输入转移到输 出，所以电荷泵只需要电容不需要电感。由于工作频率高，所以只需要外接小电 容设计复难度和成本得到了降低，并且占用空间小。由于电荷泵电路采用电容储 蓄能量，不同于电感的充放电，产生的电磁干扰要小。随着电荷泵电路结构的改 进，电荷泵电路己经开始出现在大电流的应用电路中。电荷泵是由振荡器、多个 模拟开关( 或模拟开关阵列) 、控制电路、外接飞电容a 及输出电容c o u t 等组成。 电荷泵通过振荡器、比较控制器、逻辑电路和开关阵列实现升压或降压功能，采 1 0 第二章开关电源的理论基础 用电容来贮存能量。电荷泵基本结构如图2 6 a 所示【2 。电荷泵工作过程分为两 个阶段，分别对应图2 6 b 和图2 6 c 。模拟开关s l 导通，s 2 关断，输入电压v m 对a 充电。模拟开关s 2 导通，s l 关断，a 对c o u t 放电。s 1 、s 2 分别由时钟 产生器产生的占空比为5 0 的相位相反的方波( 脉冲) 控其通断。当电荷泵在高频 工作时，s l 、s 2 交替导通、关断，使非电容c l 不断得处于充电阶段与放电阶段， 电荷就不断地从电源端传输到v o u t 端，其结果使得v o u t = v i n 。电荷从v i n 端泵 入，再向c o u t 泵出，所以称这种电路为电荷泵。 s ls 2 图2 6 电荷泵的基本结构 2 2 电荷泵的降压工作原理 鳓 本论文采用的为o 5 倍降压式电荷泵，电荷泵的拓扑结构如图2 7 所示l 捌。 电荷泵的开关有振荡器产生的二相不交叠时钟驱动，两个时钟留有足够的死区， 以保证开关不会同时导通。当时钟1 为高电平时吗是s 1 与s 2 闭合，s 3 与s 4 打开。c 1 的正极与电源相连，负极与输出相连，输出端连着负载电容c l 。电荷 通过c 1 和c l 对其进行充电，故这个相位称为“充电相位 ，此时从电容c 1 通 过的充电电流不仅流过c l ，而且还有一部分从输出端流出，为负载提供电荷。 当时钟2 为高电平时，s 1 与s 2 打开，s 3 与s 4 闭合。飞电容c 1 的正极与输出 相连，这样c 1 与c l 形成并联的结构，因此电荷会在c 1 与c l 之间传递，最终 达到两个电容上的电压相等，达到电荷平衡的状态，同时电容c 1 和c l 传递的 电荷也会有一部分传递负载，所以这个相位可以称之为“电荷平衡相位。 在分析该拓扑产生的理想电压增益时，可以假设没有导通电阻和负载电流影 响，最大化地简化计算，突出拓扑本身的特性。在这个假设基础上，我们在分析 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 中假定每一个电容两端的电压在整个工作过程中不变，因此在第一个相位： - + 吃 ( 2 1 ) 在第二个相位，有： ，一( 2 2 ) 在假设电容两端电压不变的情况下，我们可以推得最终电压为： 1 - - + 一去 ( 2 3 ) 二 通过分析可以看到，最终的输出电压为输入电压的一半，因此也称这种结构 为分压器。通常在电荷泵增益的分析中，容易进入一个误区，那就是把电压增益 简单地理解为是电容之间的分压。比如在这个分压器中，会误以为这个0 5 倍的 增益是由电容c 1 和电容c l 在相位1 的时候互相分压导致。这样的分析方法很 容易受到电容大小比例变化的影响。如果两个电容的大小相同，串联分压的数值 就是一样的，输出为输入电压的一半；可是，一旦两个电容大小不相同，串联分 压的数值就会变化，这种分析方法就不成立。实际上，我们在以上的公式推导中 并没有利用到任何电容大小和比例的关系，因此电荷泵的增益是完全由拓扑决定 的，不与电容大小和比例有关。不过，在实际电荷泵设计中，考虑到其它非理想 因素，电容的绝对取值和相对比例大小会对电荷泵的性能产生影响。输出电容的 影响不大，除开它而考虑飞电容的取值，比较优化的电容取值方法是，首先确定 系统稳定工作时电容两端电压的大小，然后按照稳定电压的比例进行取值，尽量 做到匹配。另外，通过上文的分析，我们发现，因为电荷泵的增益主要是由拓扑 决定的，因此不能像电感型开关电源调节占空比一样调节得到连续的输出电压。 图2 71 2 倍降压电荷泵的基本结构 v o t r r c l 第二章开关电源的理论基础 2 3 三种d c 开关电源性能比较 三种d c d c 开关电源分别为；电感式开关电源、无调整电容式电荷泵、可 调整电容式电荷泵。三种电路的工作过程均为：首先储存能量，然后以受控方式 释放能量，以获得所需的输出电压。电感式开关电源采用电感器储存能量，而电 容式电荷泵采用电容器储存能量。基本电荷泵缺少调整电路，因此实际上当今所 有使用的电荷泵都增加线性调整。线性调整的输出噪声最低，并且可以在更低的 效率情况下提供更好的性能。而调整l c 没有串联传输晶体管，控制开关电阻的 电荷泵调制就可以提供更高的效率，并且为一个一定的芯片面积提供更多的输出 电流。增加开关频率也就增加了电荷泵的静态电流，但同时降低了飞电容的电容 值。常态频率提供低噪声调整输出电压，同时其输入噪声也比传统的电荷泵调节 器要低。高频工作简化了滤波电路，从而进一步降低了传导噪声。 通过运用脉冲频率调制，i c 只达到目标调节电压值，电荷泵才向输出传输 电荷。当输出电压高于目标调节电压时，l c 是闲置的，此时消耗的电流最小， 因为存储在电容上的电荷会提供负载电流。而随着这个电容器不断放电以及输出 电压逐渐降到目标调节电压以下，电荷泵才会激活并向输出传输电荷。这个电荷 供给负载电流，并且增加输出电容器上的电压。 电荷泵消除了电感式开关电源和变压器所带的磁场和电磁干扰。但是，仍然 有一个微小的噪声源，那就是当电荷泵电容和一个输入源或者另外一个带不同电 压的电容器想连接时，流向它的高充电电流。 电荷泵可以依据电池电压的输入不断改变其输出电压。例如，它在1 5 倍或 者1 倍压的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个 相当于输入电压1 5 倍的输出电压。而当电池的输入电压较低时，电荷泵则在l 倍压模式下运行，此时电荷泵紧紧是将输入电压传输到负载上。这样就在输入电 压较高的时候降低了输入电流和功率的损耗。小型电池供电的电子设备通常需要 多种直流电压。例如，寻呼机中必须通过变换器从1 5 v 的电池产生接收器、逻 辑电路、显示屏所需要的不同电压。在小电流( v t h + v x 时n 6 导通，n s m t 2 与n 5 决定了v x ，n 5 导通即处在饱和 区，因为v i n 比较小，故n s m t 2 亦处在饱和区，于是有 j ，删：p 么一p 知厂一墨l j l 么一匕一p 匆尸( 3 1 9 ) 当v i n = v + = v x + v t h 时翻转，代入上式可以求得正翻转电平 负翻转电平同理求出。 k 一+ 巨 图3 1 8 施密特触发器电路 ( 3 2 0 ) 第三章子电路模块的设计与仿真 3 4 2 施密特触发器的仿真 对施密特触发器进行直流仿真，如图3 1 9 取电源电压为3 v ，输入电压从0 上升到3 v 。再由3 v 下降到0 v ，观察输出的变化，可以看到在输入上升的过程 中，输出在输入等于1 8 v 的时候翻转，在输入下降的过程中，在输入等于1 3 v 的时候翻转，迟滞量为0 5 v ，有效地避免了噪声的干扰。 一l i t，t i i 丝蠕h珥lid 竹 ”悖 时聃 图3 1 9 施密特触发器电路的迟滞特性仿真图 3 4 3 = 分频电路的设计 因为振荡器的产生的振荡信号的高电平和低电平的时间不同，而电荷所需的 控制信号需要占空比为百分之五十的振荡信号，所以就需要二分频电路。一般的 二分频电路由主从r s 触发器与反相器组成，如图3 2 0 当初态q 为o 时，即主 从触发器的置位端s 为1 ，清零端r 为0 ，在下一个时钟的下降沿，q 被置为l ； 另外一种情况，当q 为1 ，s 为o ，r 为1 ，在下一个时钟的下降沿，q 被置为 0 ；i i p 时钟的下降沿触发器翻转为与初态相反的状态。这样就产生了占空比为百分 之五十的振荡信号，产生的信号周期是振荡器产生周期的两倍，所以频率为之二 分之一【3 1 1 。 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 图3 2 0 主从r s 触发器构成的二分频电路 本文设计的二分频电路如图3 2 1 ，主电路由两个同步d 触发器组成，这样 比起由r s 触发器构成的电路，所需的晶体管少，而且能就能实现信号的二分频。 图3 2 1d 触发器构成的二分频电路 3 4 4 二分频电路的仿真 如图3 2 2 为电路的仿真结果，) 【5 、x 6 为两个逻辑相反占空比为百分之五十 的标准方波信号，且其周期为振荡器信号o u t e 的两倍，振荡频率约为7 3 0 k h z 。 第三章子电路模块的设计与仿真 t 豇 琵 蠢2 搴t hh- - 恻移 -h- 图3 2 2 二分频电路的仿真 3 4 5 二相不交叠时钟的设计 电荷泵的四个开关在正常工作时，需要不交叠时钟对其进行控制。不交叠时 钟信号的输入信号为二分频电路产生的占空比为百分之五十的方波，设计的关键 是对其死区时间的控制。死区时间是由反相器的个数来决定。非交叠时间的长短 会影响电源的效率和靠性，交叠时间过长会导致转换效率的下降，由于开关管寄 生参数的影响，交叠时间过短会导致开关的对通。 如图3 2 3 所示为一二相不交叠时钟发生电路，o s c 为前面讲述的二分频电 路产生的占空比为百分之五十的方波，输出的两个互补信号d 3 ，d 1 用来控制相 位功率管的开关。工作时序如下： o s c l l - d l 一0 _ d 3 - 1 ；d 虻1 0 _ d 3 1 0 - d l 一1 ( 3 2 1 ) 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 图3 2 3 二相不交叠时钟发生器 得到的非重叠时钟时序波形如图3 2 4 所示，可以清楚得看到死区时间，即d 1 、 d 3 均为低电平，这样就避免了功率管的同时导通。 ： o s c 广1l 厂 d l d 1 3 ： 图3 2 3 二相不交叠时钟发生器时序示意图 本文的二相不交叠时钟的设计有别于一般的电路。因为功率管很大，一般宽 长比能达到几千甚至上万比一，所以功率开关管需要驱动电路，驱动电路一般为 多级反相器，保证了驱动能力的同时还减小了响应时间。本芯片的驱动电路为两 级反相器构成，如图3 2 4 ，p 7 、n 4 ，p 8 、n 5 ，p 9 、n 6 ，p 1 0 、n 7 构成，后一级 m o s 管的宽长比约为前一级的十倍，在p 管和n 管中间的电阻是限制电流用， 因为管子尺寸很大，在电平翻转瞬间会出现p 管n 管同时导通的情况，这样就 会有瞬间大电流通过，烧坏m o s 管，有了电阻可以限制其电流在安全的范围之 内。巧妙得利用驱动电路做二相不交叠时钟电路里面的延时反向器，减小芯片面 积的同时完全不影响其性能。 第三章子电路模块的设计与仿真 图3 2 4 二相不交叠时钟发生器电路图 3 4 6 二相不交叠时钟的仿真 对二相不交叠时钟发生电路进行瞬态仿真，如图3 2 5 可以看到k 4 与k 2 & k 3 嚣 信号有明显的死区时间，避免了电源到地的功率管同时导通。 “。 。嘲南 “ 。 图3 2 5 二相不交叠时钟发生器的波形图 4 1 ，。嘶 ，。灿。 ，。 。m t 墨裔i 蓉、田鼻墨窗i： 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 一般电源管理芯片都会涉及到过温保护，欠过压保护，过流保护等保护电路。 以保证电路在不正常的环境下停止工作，防止电路不可逆损坏的发生。 3 4 7 过温保护电路的设计 在某些集成电路芯片由于电路本身工作时发热、散热不及时或者散热不均 匀，或者芯片外部环境温度较高的影响，都有可能会导致芯片工作温度的不断上 升。当芯片的工作环境温度过高时器件的电性能将会发生显著变化，导致电路不 能正常甚至烧坏整个芯片，因此我们在设计芯片时必须考虑设计过温保护电路。 一般来说我们只需要设计高温阈值点的保护电路，低温点的阈值一般由工艺来决 定。当然如果特殊要求芯片的工作温度在某一特定的范围内的话，可以由2 个温 度保护电路来构成。如图3 2 6 ： 图3 2 5 温度保护电路示意图 但是实际上我们只需要对高温点进行保护而已，对低温点我们一般不用考 虑，因为该点由工艺参数决定。过温保护电路主要是利用带隙电路产生的p t a t 电流源和p n 结对温度的敏感特性，来设计芯片的过温保护电路。为了避免保护 电路输出在阈值点附近发生振荡，o t p 电路需要有一定的迟滞量。当温度过高 时，输出一个固定电平控制电路，( 例如高温时输出电平关闭振荡器) 。电路停止 工作，等到温度恢复到正常范围后，电路又可重新开启，开始工作。 过温保护电路主要利用了三极管结电压v b f _ , 的一个温度特性，即负温度特 性，温度越高，v b e 越小，其为： a v b e 一1 5 m v c v 一- 一_ _ l a r o 2 2 ) 4 2 第三章子电路模块的设计与仿真 故我们设计最初让加在三极管v b e 上的电压还不能使三极管正常工作，当 温度升高时，v b e 开始下降，当v b e 下降到一定的程度时，三极管就会导通。 根据三极管结电压负温度特性的原理，我们就可以用来设计电路所需要的过温保 护电路。过温保护电路的原理如图3 2 7 所示： 图3 2 7 过温保护电路原理图 该电路由f i a t 电流源，温度敏感器件( 三极管) 、施密特触发器、n m o s 管、2 个反向器、2 个电阻来构成。在正常的工作温度范围里面，三极管的基极 电压v a 比b e 结的导通阈值v b e 小，因而q l 关断，施密特触发器的输入为高 电平，m o s 管导通，此刻电阻r 2 被m o s 管短路。则此时v a 为： 一ix g ( 3 2 3 ) 而后，随着温度的升高，三极管q 1 的导通阈值电压v b e 减小，而v a 不变， 当温度达到设定的过温值时，此时 匕一p ，舾= 争，r p k 常温+ - d ；y 7 雎- ( 温一2 7 ) ( 3 2 4 ) v 上 而后三极管q 1 导通，施密特触发器的输入变为低电平，m 9 关断。此时l 毪 串在电流回路中，则三极管基极电压会被抬高，即而v a 增大，使三极管q 1 的导 通加强，此时 圪- i ( r + 尺2 ) ( 3 2 5 ) 若温度降低，则三极管q 1 的导通阈值电压v b e 会变大，但由于三极管基 极电位抬高，使三极管q 1 并不马上翻转关断，而只有当温度继续下降，当温度 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 下降到电路所设定的重启温度时，此时 匕- 净，( 墨+ 心) 一汪+ 等争( & 启一2 7 ) ( 3 2 6 ) 口1 此时，v b e 大于v a , - - - 极管发生翻转，施密特触发器的输入为高电平，电阻 r 2 又被m o s 管短路，又使得v a 减小，加强了v b e 大于v a 。 瓦温- 静+ 2 7 ( 3 2 7 ) 过温。丽i 7 _ 一“7 u “ d l 礓启zx ( r 百l + 矿r 2 ) 厂- - v b e 常t a + 2 7 ( 3 2 8 ) 重启。石矿：7 一+ 、j a l 勉滞一茄o ( 3 2 9 ) - ，口r ，o 1 其中调节r 1 可以调节设定的过温点，调节l 匕则可以设定迟滞温度的大小。 为了得到更好的驱动波形我们加入了施密特触发器，其可用来对输出波形进行调 整。这样当过温保护电路的输出为低电平时芯片正常工作，输出为高电平时使芯 片停止工作。实际的过温保护电路如图3 2 8 所示，电路左边的q i a 、q i b 、n 4 、 n 5 、p 7 、p 8 构成了p t a t 电流源。 3 4 8 过温保护电路的仿真 图3 2 8 过温保护电路图 电路的仿真如图3 2 9 、3 3 0 ，先从低温向高温扫描，从2 0 ( 2 扫到1 4 0 c ，在 第三章子电路模块的设计与仿真 1 2 5 1 2 ，o u t 端电压由低电平翻转到高电平，关闭电路。从1 4 0 向2 0 扫描时， o u t 端的电压在9 0 时从高电压翻转至低电压，电路此时重新开始工作迟滞 温度量为3 5 。 图3 2 9 过温保护低温向高温扫描图 图3 3 0 过温保护高温向低温扫描图 耘， 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 3 4 9 欠压保护电路的设计 欠压保护电路是电源芯片和便携式产品中的重要模块，当电源电压过低时系 统稳定性会下降以及导致数字电路的误操作。尤其在开关电源芯片中，电压的稳 定非常重要，因此需要在芯片内部集成欠压锁定电路，来提高电源的可靠性和安 全性【3 2 1 。 由于外在供电原因，当电源电压过低不能满足电路正常需要时，欠压保护电 路关断其他电路模块，使芯片停止工作。例如，当芯片长时间工作，由于电源损 耗，电源电压下降，或者其他原因造成电压瞬时或暂时下降，可能造成逻辑电路 产生错误信号，使芯片出现误操作。另一方面，由于电源电压可能存在着一定的 波动，如果波动电压的大小恰好使比较电路工作在闭值电压附近，就会造成比较 器输出就不稳定。因此，欠压锁定电路需要设计一定的迟滞量，当电源电压上升 并超过欠压锁定阐值一定量后，芯片才重新启动，避免了电源电压的波动出现的 不稳赳3 3 1 。 欠压保护电路的原理图如图3 3 1 所示，利用电阻分压来采样电源电压，如 果电源电压在正常工作范围，则欠压锁定电路输出高电平，同时关断n o ，r 2 接入电路；当电源电压减小，低于欠压锁定阑值时，电路输出低电平，关断芯片， 同时开启n o ，r 2 被短接，使得电阻分压减小，电路可靠关断，避免电压波动造 成误操作；当电源电压再次上升时，由于电阻r 2 被短接，电源电压必须超过欠压 锁定闭值一定量，电路才能重新启动。 第三章子电路模块的设计与仿真 图3 3 1 欠压保护电路原理图 实际的欠压保护电路如图3 3 2 所示，电路中的运放由经典的七管两级运放 组成，正输入端接反馈电压，负输入端接带隙基准产生的基准电压。 图3 3 2 欠压保护电路原理图 降压式电荷泵型开关电源芯片的分析与设计 3 4 1 0 欠压保护电路的仿真 对欠压保护电路进行瞬态仿真，电源电压先从2 v 上升到5 v ，可见之前o u t 电压一直为0 ，直到电源电压为2 9 v 时，o u t 端电压翻转为高电平，随电源电 压一起变化。当电源电压从5 v 下降2 v 时，o u t 端电压先跟随电源电压一起变 化，直到电源电压为2 8 v 时，o u t 端电压翻转为0 v ，关闭电路，可见整个欠 压保护电路的迟滞量大约为1 0 0 m v 。 3 4 1 1 误差放大器的设计 图3 3 3 欠压保护电路仿真 电荷泵需要随着负载以及电源电压的不同随时调整输出，使其达到稳定的 值。误差放大器通过比较输出值和之前设定好的参考电压形成一个负反馈环，从 而稳定电压。本文采用的是折叠式共源共栅放大器，此类放大器的输入和输出的 范围较大。图3 3 4 的框图给出了运放的主要部分1 3 4 1 。c m o s 运放的差分跨导级 构成了运放的输入级，输