（电路与系统专业论文）一款基于linearburst控制模式高效正负电荷泵设计.pdf

摘要 本论文设计工作来源于西安电子科技大学的科研项目“深亚微米电源管理类 集成电路及各种数模混合集成电路的关键技术理论研究与设计 ，作者承担的是基 于l i n e a r b u r s t 控制模式的t f tl c d 控制器x d 3 2 1 8 高效正负电荷泵调节器的设 计。 论文首先介绍了电源管理芯片的现状及t f t - l c d 平板显示器供电芯片的研 究进展，并在此基础上介绍了t f t - l c d 的结构和工作原理；接着结合目前 t f t - l c d 驱动广泛采用的控制模式与工作模式，对x d 3 2 1 8 进行系统级设计；在 对子模块的设计做出详细介绍之前，本文对x d 3 2 1 8 所设计的电荷泵d c d c 转 换器的关键技术做了详细的论述与推导；最后给出了芯片x d 3 2 1 8 电荷泵电路的 整体仿真结果和电特性曲线。 环路稳定性和功耗是本文考虑的重点内容。 升压和降压的电荷泵分别采用3 倍电荷泵和一1 倍电荷泵结构来实现，使电压 转换电路能够采用相同的控制模式和对称的电路结构，大大简化了设计流程，特 别是缩短了电路后端设计时间，具有很大的工程应用价值。本电源电路系统的设 计，是以降低设计复杂性和减少供电系统功耗作为指导思想的。 x d 3 2 1 8 基于0 6 t t mb c d 工艺，采用5 v 低压供电，集成正负电荷泵电路， 实现输出电压分别为3 0 v 、7 v 的双电源供电电路。仿真结果表明已实现电路的 全部功能，芯片性能良好。 关键词：l i n e a r b u r s t 模式电荷泵t f t - l c db c d a b s t r a c t a m u l t i p l e - o u t p u tp o w e rs u p p l yf o rt f t - l c dx d 3 2 18b a s e do nl i n e a r b u r s t m o d ei sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h ep r o j e c t t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dd e s i g no fk e y t e c h n i q u ef o rd e e p s u b m i c r o np o w e rm a n a g e m e n ti ca n dm i x e d i c ” f i r s t l y , ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ep o w e rm a n a g e m e n ta n dt h er e s e a r c ho f t f t - l c df l a tp a n e ld i s p l a yp o w e rc h i pa r eg i v e n t h e nt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a l p r i n c i p l e o ft f t - l c da r ei n t r o d u c e d as y s t e mc o n s t r u c t i o no fx d 3 218i s a c c o m p l i s h e dw i mr e s p e c tt ot h ep o p u l a rc o n t r o lm e t h o da n do p e r a t i o nm o d eo f t f t - l c dd r i v e r b e f o r et h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h es u b - b l o c kd e s i g n ，t h ek e y t e c h n o l o g i e so fd c d cc h a r g ep u m pi nt h i sp a p e ra r ep r e s e n t e d f i n a l l y , s o m eo ft h e w h o l ec h i pp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r eg i v e n l o o ps t a b i l i t ya n dp o w e rd i s s i p a t i o na r et h ek e yp o i n t so f t h i sp a p e r 3 xp o s i t i v ec h a r g e p u m pa n d i xn e g a t i v ec h a r g e p u m pa r ei n t e g r a t e d ，w h i c h a l l o wt h es a m ei n n e r - c o n t r o l l e dc i r c u i t s t h i sp r o v i d e sas i g n i f i c a n ts i m p l i f i e dd e s i g n p r o j e e tf o rt h ew h o l e c i r c u i td e s i g n ，e s p e c i a l l yf o rb a c k - e n dd e s i g na n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n t h i sp a p e rf o c u s e so ns i m p l i f y i n gd e s i g np r o c e s sa n dl o w e r i n gd o w nt h e p o w e rd i s s i p a t i o n t h ed e s i g no fx d 3 218i sb a s e do nt h e0 6 p mb c dp r o c e s s t w oc h a r g e p u m p s a r ei n t e g r a t e dt op r o v i d e3 0 va n d - 7 vo u t p u t sf r o m5 vi n p u t sr e s p e c t i v e l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ei na p p l i c a t i o ni se x c e l l e n ta n dc a nm e e t t h ep r o s p e c t i v es p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d s ：l i n e a r b u r s tm o d ec h a r g ep u m pt f t - l c db c d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 2 蚕放 导师躲姚 日期：矽，口- 7 r 日期：乡d 7 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简述电源管理芯片的现状和发展概要，着重说明了t f t - l c d 平板显 示器供电芯片研究的现状及发展趋势，然后对论文的产生背景和论文的主要工作 及各个章节进行了简要介绍。 1 1 电源管理芯片的现状和发展概要 电子与信息技术的发展日新月异，电子产品广泛地应用于各个领域，特别是 便携式电子产品和微型电子产品的快速发展，成本越来越低，消费群体越来越大， 市场非常广阔川【2 】。笔记本电脑、便携式m p 3 播放机、便携式d v d 播放机、互联 网接入设备、便携式g p s 终端、数码相机、个人数字助理( p d a ) 等正在快速发 展，便携电子设备已经成为我国和全球电子信息市场最有发展前景的产业。而这 些电子产品大都采用电池供电，在很多应用场合，有限的电源能量成为电子产品 发展的一个重要瓶颈，比如移动电话的小型化、待机时间和发射功率，极大地受 到电池体积的限制，如何最大限度地提高电池能量的利用效率，扩大电池使用周 期，成为电子设计人员面临的一个重要课题。 在工艺方面，随着工艺的进步，集成电路的规模越来越大，对电源的要求越 来越高，一方面电路要正常工作，需要足够的电源电压；另一方面，集成电路特 征尺寸越来越小，加上降低功耗的要求，电源电压又不能过高，因此电路所允许 的电源电压范围越来越小。同时，为了减小电源波动可能对电路带来的不良影响， 希望电源输出尽量稳定，输出噪声尽量小。然而，我们所能直接获取的电源往往 达不到要求，或是过高，或是过低，或是不够稳定，有时甚至极性不对，更重要 的是，直接利用这些电源往往效率很低，这就需要一个电源管理器来改善电源性 能。近年来，电源管理在飞速发展的同时不断有新的创新。电源管理的创新主要 表现在两个方面： ( 1 ) 提高电池的功率转换效率【3 】【4 】。对于手机等便携式设备，电源管理更多地 集中在两个环节，即提高电池的功率转换效率和利用效率。由低压差线性变换器 ( l d o ) 转向开关电源的发展趋势即是顺应前者的需求，而后者则是通过厂商各自的 新技术来改善负载器件的功率利用率。l d o 具有成本低、封装小、外围器件少和 噪音小等优点。它的效率取决于输出电压与输入电压之比：t l = v o u t v i n ，因而它适 用于压差变化不大的降压场合，压差稍大就会显露出效率低的弊病，造成功率的 浪费，并可能因芯片发热对系统稳定性产生不良影响。而开关电源是以电感电容 作为储能元件，通过不同的拓扑结构可以完成升压、降压和反转电压的功能，具 2 一款基于l i n e a r b u r s t 控制模式高效正负电荷泵设计 有很好的应用前景，功率转换效率可高达9 0 以上。但无论是电感式还是电容式 开关电源都存在一定的缺点，设计人员需要针对具体应用选择最佳的转换方式。 电感式开关电源转换效率高、应用范围广，但由于采用电感、电容器件而造成面 积大、纹波大，可以通过提高开关频率的方法解决此问题。电容式开关电源在输 出电压与输入电压为合适倍数关系时，效率可高达9 0 以上，但其输出电压和输 出电流受限，另外转换效率受到输出与输入电压比值的影响。 ( 2 ) 电源管理的另一个研究热点是提高负载器件的功率利用率，如何做到“恰 好满足需求 ，实现最大限度的节能是问题的关键。美国国家半导体( n s ) 和德州仪 器( t i ) 等公司分别倡导自己的解决方案。n s 的p o w e r w i s e 闭环自适应电压调节 ( a v s ) 技术使便携设备动态地调节性能和功耗，可以将电池使用时间延长2 5 到 4 0 0 。a v s 通过一个反馈机制，动态地将电压调节到特定操作所需的最低水平， t f t - l c d 电源管理集成电路的研究设计在高性能模式中采用额定电压，而低性能 模式中则降低电压，实现功耗的降低。t i 的动态电压调节( d v s ) 技术将处理器与电 源变换器连接成闭环系统，通过1 2 c 等总线动态地调节其供电电压和频率，以提高 功率利用效率。该公司的电源管理芯片t p s 6 5 0 1 0 集成了充电电路、电感式d c d c 和l d o 。另外，它还可以通过1 2 c 总线对各路输出电压进行调节，非常适合为o m a p 等类似处理器供叫5 】【刨。 1 2t f t l c d 平板显示器供电芯片研究现状及发展趋势 液晶最早是由奥地利植物学家莱尼茨尔( f r e i n i t z e r ) 在1 8 8 8 年首先发现的，它 是一种几乎完全透明的物质，同时呈现固体与液体的某些特征。二十世纪六十年 代起，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或折射。 经过反复测试，1 9 6 8 年在美国发明了液晶显示器件，随后l c d 液晶显示屏就正式 面世y t 7 】【8 】。t f t - l c d 技术【9 - 1 2 】是半导体微电子技术和液晶显示技术巧妙结合的光 电技术。t f t - l c d 产品自投放市场到现在只有短短十余年时间，其技术和规模发 展速度已经可以与微电子技术发展相比。t f t - l c d 亮度高，有效显示面积大，能 够提高播放动态画面的能力，具有轻薄、省电、抗干扰能力强和节省空间的优点， 应用非常广泛。 t f t - l c d 产品是高集成技术的体现，集成有背光源、驱动电路以及印刷电路 板等，需要完备的电源控制器供电。电源控制器的设计除了必须满足相应性能要 求之外，还需要满足面积小、重量轻以及成本低等要求，通常通过多种d c d c 转 换器的集成来实现多路输出。电源控制器作为t f t - l c d 模组的供电方案在很大程 度上影响其性能以及成本。为了满足设备对电源提出的持续缩小尺寸、降低成本 等苛刻要求，各大电源芯片厂商正尝试把线性稳压器、d c d c 转换器和充电i c 等 第一章绪论 3 不同元件集成到单个器件上，提高设计的灵活性来实现更强的系统用电性能。多 个单一功能的电源管理器件组合的方法将会被类似p m u ( 电源管理单元) 的芯片取 代。t f t - l c d 板驱动电路非常复杂，主要包括有源极驱动和栅极驱动，其供电芯 片更是要求有多个输出的高集成方案来实现。目前，市场上流行的t f t - l c d 板供 电芯片，都采用单片集成的方案，在不同程度上解决了这两个驱动系统的电源需 要。事实上，在欧美及日本等芯片开发制造技术较为先进的地区，各大芯片公司 在这种电源管理器件上进行了大量的研发工作。例如，m a x i m 公司推出的 m a x l5 31 电源管理芯片，内部集成了一个高性能升压调节控制器、3 个线性稳压 控制器和一个用于顺序启动的延时可调电路。l i n e a r 公司针对大型t f t - l c d 板驱 动系统推出的t p s 6 5 1 6 0 电源管理芯片，内部集成了一个b o o s t 升压变换器，一个 降压变换器和两个电荷泵电路。 t f t - l c d 的源极供电系统多用线性稳压和功率运算放大器来实现：其栅极驱 动供电则需要用多个d c d c 升降压转换器来解决。通常的d c d c 电压转换有两 种解决方案：一种是电荷泵方式，另一种是电感开关升压方式。在实际应用中， 这两种转换方式具有相同的功能。电荷泵电路利用分立电容将电流从输入端传送 到输出端，仅依靠外部电容器即可实现升压、降压、电压逆变等转换，整个转换 过程不需要电感；其占用面积小、结构简单、无电磁干扰。相比而言，电感开关 升压方式则采用电感型d c d c 升压转换原理，也能够实现高低压转化，需要使用 电感( 作为外围器件) 和高速开关管来实现能量转换。因为电感货源较少，标准 规格和尺寸较少、电磁干扰多且成本较高、对布线敏感，电荷泵设计方案为实际 工程应用带来很大的方便。电荷泵电路采用电容储存能量，外接组件少，非常适 合用于小体积应用要求，并且随着其电路结构的改进和工艺水平的提高，这种技 术越来越成熟，具有越来越广泛的应用【1 3 1 。在t f t - l c d 栅极驱动电源解决方案中， 电荷泵电路的应用成为研究的热点。目前，这类产品的设计厂商主要集中在美国、 日本、韩国等集成电路技术发展比较发达的国家。在我国，设计厂商主要分布在 台湾。与日本、韩国和我国台湾地区相对比，我国大陆的t f t - l c d 产业刚刚起步， 在产业、技术、人才等方面的竞争力还比较弱。在资金、技术实力与日、韩和台 湾厂商相比不占优势的情况下，发展t f t - l c d 事业的模式将采取从上下游产业链 做起的策略。尽可能吸引玻璃基板、液晶材料、彩色滤光片、背光源、电源控制 器、驱动i c 等上游产业的聚集，对于提高国内t f t - l c d 产业竞争力是重要的【1 4 1 。 1 3 论文主要工作和章节安排 本论文主要论述了基于l i n e a r b u r s t 控制模式的高效正负电荷泵的设计。首先 介绍了电源管理芯片的现状及t f t - l c d 平板显示器供电芯片研究进展，并在此基 4 一款基于l i n e a r b u r s t 控制模式高效正负电荷泵设计 础上介绍了t f t - l c d 的结构和工作原理；然后对电荷泵d c d c 变换器的工作原 理进行了详细的分析，并对开关变换器常用的几种控制模式及电流模式电荷泵的 稳定性进行了论述；之后结合目前t f t - l c d 驱动广泛采用的控制模式与工作模式， 提出了本文中正负电荷泵的整体设计方案和具体实现方法。在对子模块的设计做 出详细介绍之前，本文对x d 3 2 1 8 所设计的电荷泵d c d c 转换器的关键技术做出 了详细的论述与推导；最后给出了芯片x d 3 2 1 8 电荷泵电路的整体仿真结果和电 特性曲线。该芯片采用以模拟为主的数模混合集成电路来实现，仿真结果表明该 芯片基本功能已经全部实现，各项性能指标均符合设计要求。 论文共分为六章，第一章是绪论，简要介绍了电源管理芯片的现状和发展概 要及t f t - l c d 平板显示器供电芯片研究的现状及发展趋势；第二章论述了 t f t - l c d 栅极驱动方式及原理；第三章描述了电荷泵d c d c 转换器的研究与设 计，包括基本电荷泵电路、电荷泵控制电路的设计、电荷泵的稳定性分析及本论 文所设计的电荷泵d c d c 变换器；第四章介绍了电荷泵的系统设计与研究，包括 x d 3 2 1 8 的系统规划、设计要求，芯片总体功能框图、原理及典型应用电路；第五 章介绍了x d 3 2 1 8 正负电荷泵的子模块电路设计，重点介绍带隙基准产生电路、 振荡器电路、数字软启动电路、过温保护、b u f f e rp 驱动电路以及模式切换电 路的设计思路、实现方法和仿真验证结果；第六章对整体电路进行仿真验证，给 出各项性能指标的仿真测试结果；最后是结束语。 第二章t f t - l c d 的栅极驱动方式及原理 第二章t f t l c d 的栅极驱动方式及原理 本章茸先介绍了t f t 的特性和工作原理，接着说明了t f t - l c d 显示器的驱动 原理，为本文中栅极驱动方案的设计提供了理论依据。 21t f t 特性和工作原理 液晶是具有流动性的物质，分子排列结构不像固态晶体那样坚固，在外电场 作用下，分子排列状态很容易发生变化。因此利用外加电场即可改变液晶分了的 取向，产生光调制，这就是液晶显示的基本原理。 这种由电场产生的光调制现象叫做液晶的电光效 应( e l e c t r o o p t i c e f f e c t ) ，它足液晶显示的基础。 t f t - l c d 般采用t n 型液晶，其结构如图21 所示。当上下两块玻璃之间没有施加电压时，液 品的排列会根据上下两块玻璃的配向膜而定。对 于t n 型的液晶来说，上下的配向膜的角度差恰 为9 0 度，所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转9 0 度。 电光效应如图2 2 所示5 i 。当入射的光线经过上面的偏 极化的光波。通过液晶分子时，由于液晶 分子总共旋转了9 0 度，所以当光波到达 r 层偏光板时，光波的极化方向恰好转了 9 0 度。而下层的偏光板与上层偏光板垂 直，所以光线便可以顺利地通过。但是如 果对上f 两块玻璃之删施加电压时，液晶 分子的排列都变成站立状态。此时通过上 么獬。 譬彩 雪蓬萤 麓融 “ m 罔2 2 电光效麻( t n ：常白模式) 层偏光板的单方向的极化光波，经过液晶分子时便不会改变极化方向，因此就无 法通过f 层偏光板。 t f t - l c d 技术是微电子与液晶显示巧妙结合的一种技术。t 器件的特性与 用于l s i ( 大规模集成电路) 的m o s f e t ( 余属氧化物半导体场效应晶体管) 的 特性相同，它们唯一的区别为m o s 器件的半导体材料是单晶体材料，t f t 的半导 体材料是薄膜材料。t f t 的功能就是个开关管，常用的t f t 是三端元器件。对 于显示屏来说，每个像素可以看作足象索电极和公用电极之间的一层液晶，在电 路分析中等效为一个电容，等效电路如图2 3 所示。 6 一款基于l i n e a r b u r s t 控制模式高效正负电荷泵设计 开生唧 r 一 信号线d 图2 3 液晶工作原理图 要对像素充电，栅极就要加高压，使开关 导通并对信号线d 施加目标电压。当像素电极 被充分充电后，对栅极施加低压( 系统应用常 要求关断电压为负压) ，使开关g 断开。电容 中电荷得到保存，电极间的液晶分子继续有电 场作用。 2 2t f t l c d 显示器的驱动原理 2 2 1t f t - l c d 的基本原理 t f t - l c d 的子像素结构如图2 4 ( a ) 所示，每一个子像素都是由邗t 开关，液 晶、存储电容、像素电极、公共电极和数据走线等组成。彩色显示是在液晶表面 加入一层彩膜来实现，三个子像素组成一个像素点，每个子像素对应红( r ) 、绿( g ) 、 蓝( b ) 三基色中的一种。子像素一般排列在水平方向( 即行驱动电极上，其结构如图 2 4 ( b ) 所示。 用于t f t - l c d 的液晶都是工作在t n 模式，通常工作在常白方式，即像素电 极上加上信号电压时像素显示黑色，不加电压时显示白色。液晶对彩膜透过的光 具有选通作用，像素电极加电之后，阻止三色光通过，不加电时让光线穿透，这 样就可以通过控制加在子像素电极上的电压来控制液晶对光线的选通，从而使液 “| jt t xii | | 、iv l t f r 一j r 像素蝴一 。 7 公共电撮+ f l ( a ) 子像素单元 c 偏振膜 r gb 1 1 叮陈列 ( b ) 彩色像素点 图2 4 像素组成结构示意图 晶能够显示颜色。加在子像素上的电压一般不都是相同的，用来控制子像素灰度 的大小。这些电压叫做灰度电压。灰度电压与数字显示数据一一对应。这样，改 变数字显示数据，就可以改变灰度电压的大小，从而使液晶屏上r 、g 、b 三色不 同灰度的光叠加在一起，显示各种各样不同的颜色。t f t 在显示过程中起到电子 开关的作用，t f t 的栅极都接在行扫描线上，t f t 的源极接在列驱动线上，t f t 的漏极接在液晶的子像素电极上，这样当加在行扫描线的电压为该行的选通电压 时，该行的所有t f t 被选通，列驱动线上的信号就能够通过1 r i 、t 加到液晶的子像 素电极上驱动液晶工作。 第二章t f t - l c d 的栅极驱动方式及原理 7 2 2 2t f t - l c d 模组结构 要驱动一块t f t 液晶显示屏，需要两组信号：列驱动信号和行扫描信号。从 驱动的角度来看，这两组信号分别由两种驱动电路来实现，即列驱动器( s o u r c e d r i v e r ) 和行驱动器( g a t ed r i v e r ) 。列驱动器负责r 、g 、b 三色数据的接收、采样和 保持，经d a 转换后输出驱动液晶的具体电平信号。行驱动器产生逐行扫描信号， 从而实现对l c d 显示像素的寻址。除此之外，行、列两个驱动电路需要时序控制 电路( t c o n 或t i m i n gc o n t r o l l e r ) 来提供正确的时序，需要图像存储器来存储r 、g 、 b 显示数据，需要电源管理电路( 包括d c d c 电压转换电路，v c o m 驱动电路和 g a m m a 基准电压电路) 来生成所有的工作电压和驱动电压。所有这些电路模块和液 晶显示屏组合在一起就形成t f t 液晶显示模组( l c m 或l i q u i d sc r y s t a lm o d u l e ) 。 液晶显示模组由t f t - l c d 面板和驱动芯片组成。对于大屏幕的t f t - l c d ，由 于分辨率较高，行和列的数目都比较大，采用分立的t c o n 芯片、s o u r c ed r i v e r 芯片、g a t ed r i v e r 芯片和电源管理芯片组合的方法驱动l l6 1 ，如图2 5 所示。 - i g a m m a 基准电压电路 l t c o n l s o 叫1 c ed l i v e l n o ls o u r c ed l i v c fn 0 1 0 上上 蓝 上 上 上上上上 上 上 脚 苫 7 瑶 7 蛩 7 君 7 节 7 。番7 哥 7 碍 节 芒馨 譬 上上上上上上 上 上 幽 考7 碍 7 霹 7 霹 7 簪 7 君 。节 7 瑶 。节 脚 吕 宫 上上上上上上_ l上 7 霹 7 蛩7 罨 7 弓 7 砝 7 节 7 砝 7 节 。l 上上上上上上上上 密 寸 7 罂 7 霹 7 罨 7 p 7 器 。 7 砝 7 节+ 脚 复 上上上上上上 上 磊莹 7 瑶蛩7 碍 7 廿 7 砝 7 p 7 b 7 簪舞 羞 望 喜上上上上上上上上 7 簪 7 节 7 节 7 霹7 爵 7 节 7 爵 7 节0士 图2 5 大尺寸液晶屏驱动解决方案 其中，各驱动芯片的功能如下： t c o n 芯片为时序控制器，控制液晶显示模组中各模块协调动作，也是m p u 与液晶显示模组的接口，将差分小信号数据进行转换得到数字电平数据，送给 s o u r c ed r i v e r 做为d a c 变换时的选通数据。 g a m m a 基准电压电路调节g a m m a 校正曲线所用的基准电压。这些基准电压在 s o u r c ed r i v e r 中进行进一步的分压得到多阶灰度电压。 s o u r c ed r i v e r 主要功能是进行多阶灰度电压生成，显示时序调整，数字显示数 8 一款基于l i n e a r b u r s t 控制模式高效正负电荷泵设计 据到模拟灰度电压变换及输出信号放大等，是大屏幕t f t - l c d 显示最核心的 器件。 g a t ed r i v e r 产生行扫描信号，选通或者关闭t f t 开关，来配合s o u r c ed r i v e r 的动作。 d c d c 电压转换电路产生整个模组系统所需要的各种电压。 v c o m 驱动电路产生t f t - l c d 面板上的公共电极的驱动电压。 总的来说，t f t - l c d 显示器驱动模块是一个非常复杂的系统，目前流行的栅 极驱动电源方案【1 7 d 9 1 ，除了要求有栅的正负开启关断电压外，还需要有高压输出 控制电路。本文所提出的方案中，通过电荷泵电路实现稳定正向高压和负电压的 输出，用开关电路实现高压输出的控制功能，适合于t f t - l c d 板供电应用。相对 电感开关变换方式来说，电荷泵电路不需要外接电感，既可以实现升压变换还能 够提供负压变换，具有无e m i 干扰、噪声小、成本低、静态电流及输出电压纹波 小的优点。栅驱动系统需要正向高压和负向电压的输出，本文利用电荷泵电路来 实现这两种电压变换要求。这两个电荷泵电路采用对称结构，大大简化了电路设 计过程，非常适用于本系统。 第三章电荷泵d c d c 转换器的研究与设计 9 第三章电荷泵d c d c 转换器的研究与设计 本章在介绍基本电荷泵电路原理、电荷泵控制电路的设计以及稳定性基本理 论的基础上，给出了本文所设计的电荷泵d c d c 转换器。 3 1 基本电荷泵电路 3 1 1 电荷泵基本工作原理 电荷泵 2 0 - 2 5 1 类似于电容乘法器，其作用是使输出电压为输入电压的倍数。电 荷泵的缺点是电压调节特性相对较差。若对电荷泵的性能要求较高，则选用串联 电阻较小的电容( 例如，陶瓷电容) 。电荷泵的原理是通过周期性的开关电容通路 以达到电容电压的转换。起初，先将电容与电源电压相连，然后再将电容与输出 端相连。电荷泵根据输出电压与输入电压的关系可分为正向电荷泵和负向电荷泵。 以正向电荷泵为例对电荷泵原理进行分析，其基本结构如图3 1 所示，电荷 泵电路包括四个开关m 1 、m 2 、m 3 、m 4 、泵电容c f 和输出电容c o u t 。v 矾为电 源，i a 是电源对泵电容的平均充电电流，i b 、i p 是泵电容的平均放电电流，i l o a d 是负载电流，a 和b 是时钟信号，r m l l h 是m 1 m 4 的导通电阻。为了便于 说明其工作原理，我们用一个工作周期举例说明。一个工作周期可分为三个阶段： 充电阶段，能量传输阶段，等待阶段。 匪a b b a v 珊 图3 1 电荷泵电路的基本结构图 相位a ：充电阶段，m 1 ，m 2 导通，m 3 ，m 4 关断，电源v 矾通过m 1 ，m 2 对泵电容充电，此时泵电容两端的平均电压为： = 一i a ( r m l + r m 2 )( 3 1 ) 相位b ：能量传输阶段，m 1 ，m 2 关断，m 3 ，m 4 导通，电源v 矾通过泵电 容和m 3 ，m 4 向负载电容c o l r r 放电，输出电容两端的平均电压为： v o 胛= + 一，丑( 3 + 4 )( 3 - 2 ) 1 0 一款基于l i n e a r b u r s t 控制模式高效正负电荷泵设计 相位c ：等待阶段，m 1 ，m 2 ，m 3 和m 4 都不导通，v 卟c f 、c o t r r 之间无 电荷转移，v c f = 常数。 稳态时泵电容两端电压保持恒定，即： i 鲒i ( p j l z 傩鲥) = i a q c p ( p h a s e b ) ( 3 - 3 ) 当a t a = a t b = a t ( a t a ，a t b 分别为一个周期内相位a 和相位b 的持续时间) 时，泵电容c f 的平均充电电流等于平均放电电流，假定充放电的时常数足够大， 则有： i i e l = i l i = i 厶i ( 3 - 4 ) 开关m 1 - - m 4 周期导通，电荷在v i n ，c f ，c o u t 与负载之间不断转移，当电 荷泵接成闭环时，输出电压v o t r r 就可以达到稳态。令负载电流为i l o a d ，则： = j 脚( 2 + 誓) ( 3 5 ) 出 由式( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 、( 3 - 4 ) 、( 3 5 ) 可得： g o w = 2 一( 2 + 等) ， ( 3 - 6 ) 3 1 2 基本电荷泵电路结构 ( 1 ) d i c k s o n 电荷泵【2 6 】 d i c k s o n 电荷泵的电路原理如图3 2 所示，电路的时钟幅度为v h ，二极管的正 向导通电压为v d ，寄生电容为c s 。电路的升压是通过沿着二极管链在每个时钟周 期内的连续充放电实现的。 v 二 图3 2d i c k s o n 电荷泵 不考虑c s ，在时钟相位由为低电平时，二极管d l 导通，v i n 通过d l 对节点l 的 电容c 充电，稳定后节点1 的电压为v 删一v d ；当巾切换到高电平v h 时，节点1 的电 压变为v h + 刖- - v d = v 矾+ ( v h - - v d ) ，使得d 2 导通，给节点2 的电容充电，直到 节点2 的电压变为v 烈+ ( v h v d ) 一v d 时d 2 重新截止。当巾再次变为低电平时，节 点2 的电压变为v h + v i n + h v d ) 一v d = v 烈+ 2 ( v h - - v d ) 。依次类推，电压传过 n 级以后，输出端的电压为： v o w = + n x 嘛一圪) 一 ( 3 - 7 ) 考虑寄生电容c s 的影响，时钟电压v h 会在传输过程中衰减到原来的i 二了。 第三章电荷泵d c - d c 转换器的研究与设计 1 1 站 ( 南卜斗 p 8 ， 电路中二极管实际就起到了一个开关的作用，但这个开关不是理想的，是有 一定导通电阻的开关，每个开关的导通电阻可以表示为币i 虿了1 孑= 其中黜 是电荷泵的工作频率。如果电路的输出电流为i o u t ，那么在整个开关链上的压降 就为币i 虿l o 了u t 孑= 这样输出电压的表达式变为： 叮= 州( 矗一屹一面毒蠢) - p 9 ， 上面的式子可以写成： v o 时= v o 一o 叮r d( 3 - 1 0 ) 其中 = 一州( 南一屹 ( 3 - 1 1 ) r o2 石最石( 3 - 1 2 ) 由式( 3 1 0 ) 可以得到电荷泵电路的 一个直流模型，如图3 3 所示，v o 和r o 分别由式( 3 - 1 1 ) 和式( 3 1 2 ) 给出。 、， 由于输出负载电阻的影响，我们还 需要注意的就是输出电压上的纹波电 压v r ，该电压可以用下面的式子进行计 算： = 图3 3d i c k s o n 电荷泵的直流模型 乇w 一 w 缸c d 叮k x r o 肋c o w ( 3 1 3 ) d i c k s o n 电荷泵在c m o s 技术下实现的实际电路如图3 4 所示，电路中用二极管 接法的n m o s 管代替了图3 2 中的二极管，输出电压表达式中就需要把二极管的正 向导通电压v d 改为m o s 管的阈值电压v t h ： w = + 石若i 一一面溉 一c 3 - 4 ， 我们定义在每个电容和m o s 管的节点上的电压变化为a v ，根据以上分析， 有： 1 2 一款基于l i n e a r b u r s t 控制模式高效正负电荷泵设计 矿= 两c 一面丽l o u t ( 3 - 1 5 ) 图3 4 四级d i e k s o n 电荷泵在c m o s 技术中的实现 电荷泵电路两级之间的电压差可写为： 一一l = a v 一 ( 3 - 1 6 ) 一d i c k s o n 电荷泵的缺陷是当电源电压减小时，时钟幅度v h 会降低，由式( 3 1 5 ) 和式( 3 - 1 6 ) 知a v 和一一。都会随之降低。一旦一一。= a v - 吃 ( 3 - 1 8 ) 当时钟相位巾是低电平时，节点2 和3 的电压比节点l 的电压高2 xa v ，因此 m s 2 的栅源电压为2 a v ，在这个时钟相位期间，理想状态下，需要m s 2 关断，必 须要： 第三章电荷泵d e i x ：转换器的研究与设计 1 3 2 x a v ( 3 - 2 0 ) 2 a v 圪( 3 - 2 1 ) 不同于前面的是，这两个条件是可以同时满足的。 ( 3 ) 交叉耦合式电荷泵【2 8 】 交叉耦合电荷泵具有很高的效率和精度。图3 7 是一个基本交叉耦合式倍压电 荷泵单元，电路的时钟幅度为v n ，m o s 管m l 和m 2 连续在开与关之间切换以使电 容c l 和c 2 充电到v n 。经过几个时钟周期，输出电容c o t r r 2 ：极板的的电压就可以达 n v 吖w h ，若满足v 玳= v h ，就可以得到下面的关系式： 1 4 一款基于l i n e a r b u r s t 控制模式高效正负电荷泵设计 y o u r = z xr 肼 u 。z z ) 如果考虑到开关m o s 管s l 和s 2 的导通电阻陆) 和负载电阻对输出电压 的影响，可以看到v o u t 实际是这两个电阻分压的结果，因此有： v o u t - 瓦2 xv忑m xr m a o ( 3 - 2 3 ) 电路的输出纹波电压可以由下面式子得到： 2 虿i o g r ( 1 i + 丽1 ( 3 - 2 4 ) 上面我们介绍的三种电荷泵电路都是升压 电荷泵，而且其增益都是固定的，要改变电压 增益就必须改变电路形式，比如，它们都可以 通过增加单元电路的级数来达到增加增益的目 的。如果要求在很宽的输入电压范围下，完成 输出电压的稳定，这些的电荷泵电路还是会有 很大的能量损耗，而得不到很高的效率。在电 池供电的便携式应用场合，更需要一种可以用 同一种结构实现多种增益的电荷泵电路。 ( 4 ) 分数增益电荷泵 图3 7 交叉耦合式倍压电荷泵单元 分数增益电荷泵，就是以开关电容为基础的d c d c 变换器。关于这方面的研 究很早是以研究二极管电容增压电路开始的，以此为基础，在上世纪9 0 年代初期， 电荷泵转换器电路结构从理论上得到了很系统的研究【2 9 】。 图3 8 给出了一种有5 个电容的开关电容变换器，其不同相位时的等效电路如 图3 9 中的电路所示，当妒为高电平时，输入电压v 州给四个并联的电容充电，输出 电容器c o t r r 对负载放电，因此，4 个电容上充的电荷量为4 x v i n x c ，输出电容器 上的电荷量为v o u txc o l r r ；当为高电平时，5 个电容上的电荷重新分配，c o o t v 图3 8 带有5 个电容的开关电容电荷泵 上的电荷仍为v o t r r x c o u t ，4 个串联电容上的电荷为( v o t r r - v i n ) x c ，根据开关电 第三章电荷泵d c d c 转换器的研究与设计 1 5 容电荷泵原理，可以推出图3 8 中的开关电容变换器在理想情况下的电压增益为 g i = v o t r r n 烈= 5 ，但这个还不是该电路的最高增益【3 0 l 。 下面介绍开关电容d c d c 转换器电压增益的定理： 定理1 ：含有k 个电容( 包括输出电容器c o r n ) 的开关电容转换电路的理想增益 为： g 胎) = 等= 器 ( 3 - 2 5 ) 其亡p p ( k ) 和q 是整数，满足下面的不等式： 拟奴0 夙【p 江彳胁【q g 最( 3 2 6 ) 脚 0 如【尸 硅彳夙豳 l( 3 2 7 ) f k 是第k 个f i b o n a e c i 数。 f i b o n a c c i 数的定义为： 阵= 1 e = 1 ( 3 2 8 ) i 疋= 只一2 + e 1 ， k 1 可以得至u f i b o n a c e i 数的序列为：1 、1 、2 、3 、5 、8 、1 3 、2 l 、3 4 、5 5 、， 代入式( 3 2 6 h 3 2 8 ) 中可以得到开关电容转换电路升压应用时的增益为： 1 g ，( 七) 最( 3 - 2 9 ) 根据定理1 ，对于图3 9 中的电路，其升压增益可配置的范围为： 1 g i ( 5 ) 8 ( 3 3 0 ) cc cc ) 由为高电平( b ) 巾为高电乎 图3 9 开关电容电荷泵电路在不同相位时的等效电路 分数增益电荷泵电路的另一个有用的应用是，能够实现降压( b u c k 或 s t e p d o w n ) 功能。将图3 8 中电路的开关相位重新分配成如图3 1 0 所示的电路变化 形式，我们可以得到新的电压增益g i = 1 5 。 比较图3 9 和图3 1 0 ，可以发现一个非常有趣的现象，如果不考虑输出电容器 c o u t 和输出电阻r m a d ，只要将图3 9 中的v 烈和v o t r r 互换位置，即可得到互为倒数 关系的电压增益，因此我们可以将定理1 扩展为定理2 。 定理2 ：含有k 个电容( 包括c o u r ) 的开关电容转换电路的理想增益为 哪) = 等= 器 ( 3 _ 3 ) 其中p ( k ) 和q ( 1 【) 是整数，满足下面的不等式： 1 6 一款基于l i n e a r b u r s t 控制模式高效正负电荷泵设计 m a x a b s p ( k ) pa b s q ( k ) b v - v h 2 ( v h 为a 2 的滞回电压) ，a 2 输出为低电压，系统不会进入 突发工作模式。当输出负载降低时，输出电压将会提高，输出电压反馈引脚的电 压v v a 也相应提高。此时，由于电 压误差放大器a l 为负反馈，因此 v f 将随之降低，但仍高于v f v h 2 ， 突发工作模式比较器的输出仍然 为低电压，系统仍然不会进入突发 工作模式。当输出负载降低到一定 工 滞回比较器 = 图3 1 4 突发模式原理图 的值时，v f 将低于v f v h 2 ，a 2 输出将从低电压翻转变为高电压，控制电路将使 高端m o s f e t 关断并停止开关操作，此时输入不再向输出端传输能量，输出的大 电容将维持低的输出负载，因此输出电压逐渐降低，v f b 也相应地降低，此时v f 随之提高，但仍低于v a + v h 2 ，突发工作模式比较器仍然输出为高电压，高端 m o s f e t 仍然关断