（电路与系统专业论文）tftlcd低功耗多输出电源管理芯片的研究与实现.pdf

摘要 摘要 由于t f t - l c d 的高清晰度、高分辨率、低功耗、低工作电压使得其应用前景 非常广阔，其供电电源解决方案日益趋向集成化，但设计空间、成本、工作效率、 稳定性、瞬态响应特性都严重影响性能的迸步提高，且影响t f t - l c d 画面显示 质量，本文着力于研究t f t - l c d 的低功耗多输出集成供电方案的环路稳定性、工 作模式、尺寸大小及提高t f t - l c d 画面质量的电源理论和方法，提出t f t - l c d 单片集成供电电源的系统架构，其主要包括b o o s td c d c ，b u c kd c d c ，可调输 出多模式低纹波电荷泵，低静态电流l d o ，高性能轨对轨运算放大器，门宽调制 控制器g p m ，极大地提高了供电系统的集成度，减小了尺寸，降低了设计成本。 研究成果包括： 1 采用全占空比区间的分段线性斜坡补偿电路使得斜坡补偿电路在不同的占 空比区间具有不同的工作斜率，极大地改善了d c d c 的稳定性和带载能力，有效 地减小了斜坡补偿对系统带载能力和瞬态响应的负面影响。 2 为了t f t - l c d 供电方案设计成本和尺寸的减小，设计了一种新颖的适用于 b u c k 型d c d c 的驱动电路，在芯片内部采用一个电荷泵和自适应死区时间控制 逻辑的驱动电路，有效地提高了驱动效率。 3 为了能够有效地满足t f t - l c d 的外围数字驱动电路的供电需求，采用一种 双重自适应补偿结构的低静态电流的l d o 线性稳压器，该补偿技术能够产生两个 随负载变化的零点以抵消不同负载条件下的极点变化带来的影响，从而保证系统 的稳定性，该补偿技术几乎不消耗电流，有效地降低了系统的功耗。 4 针对t f t - l c d 的供电电源的需求，设计中提出可调输出多模式低纹波电荷 泵，作为t f t - l c d 栅极驱动电路的供电电源，有效地降低了系统的e m i ，提高了 t f t - l c d 的画面质量，根据负载大小采用不同的工作模式，降低了系统功耗。 5 提出电荷泵简便的环路稳定性验证方法，对于电压回路，将可调输出电荷 泵的功率管等效为压控电流源进行线性化，泵电容用电压源代替，可以得到波特 图进行验证。 6 应对t f t - l c d 闪烁现象产生的机制，论文中提出了门宽调制控制器g p m 和高压开关控制器，设计中采用输出延时可调和下降斜率可调控制环路，有效地 避免了t f t o l c d 栅驱动走线的寄生电容引起的闪烁现象，极大地提高了t f t - l c d 的画面质量。 7 为了避免由于跳转或栅寄生电容引起的电压突变导致的闪烁现象，设计一 种轨对轨高性能运算放大器，用于驱动t f t - l c d 的公共电极，该运算放大器的输 出级采用c l a s sa b 结构，其中含有压摆率增强电路，增强了瞬态响应速度，增 加了短路限流保护电路，从而提高了系统应用的安全性。 t f t - l c d 低功耗多输出电源管理芯片的研究与实现 质量 关键词：t f t - l c d ，集成电源管理，环路稳定性，工作模式，低功耗，画面 a b s t r a c t1 a b s t r a c t h i g h d e f i n i t i o n , h i g hr e s o l u t i o n ，l o wp o w e r , l o wv o l t a g em a k et h et f t - l c d ( t h i n - f i l mt r a n s i s t o rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) h a v ev e r yb r i g h tf u t u r e a n df i t st h e p o w e rs u p p l ys y s t e mo ft h et f t - l c db e c o m e sm o r ea n dm o r ei n t e g r a t e d ，t h ea r e a , c o s t ，e f f i c i e n c y , s t a b i l i t ya n dt r a n s i e n tr e s p o n s eo ft h ep o w e rs u p p l yw i l lb e c o m et h e b o n l e n e c kw h i c hl i m i t st h es p e e do ft h ew h o l es y s t e mi m p r o v e da n dd e g r a d e st h e p e r f o r m a n c eo ft f t - l c d s i n c ea b o v er e a s o n s ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h e r e s e a r c ho fl o o p s t a b i l i t y , c o n t r o lm o d ea n dd i m e n s i o no f i n t e g r a t e d l o wc o s t m u l t i o u t p u tp o w e rs u p p l ys c h e m ef o rt f t - l c d t h et h e o r ya n dm e t h o df o r i m p r o v i n gt h ed i s p l a yq u a l i t ya r ea l s op r o p o s e di nt h ep a p e n t h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h es i n g l ec h i pi n t e g r a t e dp o w e rs u p p l yw h i c hi n c l u d e s b o o s td c d c ，b u c kd c d c ，m u l t i m o d el o wr i p p l e c h a r g ep u m p 、析t ha c t i v e r e g u l a t i o n ，l o wq u i e s c e n tc u r r e n tl d o ，h i g hp e r f o r m a n c eo p ( o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ) ， g a t ep u l s em o d u l a t ec o n t r o l l e r ( g p m ) i sp r o p o s e d ，w h i c hi n c r e a s e st h ei n t e g r a t i o no f t h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，m a k e st h es i z eo ft h ep o w e rs y s t e ms m a l l e ra n ds a v e sc o s t t h ep r o d u c t i o no ft h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w ： 1 ap i e c e w i s el i n e a rs l o p ec o m p e n s a t i o nc i r c u i tp r o v i d i n gac o m p e n s a t i o ns i g n a l w h o s es l o p ev a r i e sw i t hd i f f e r e n td u t yc y c l e si sd e s i g n e d ，w h i c hr e d u c e st h en e g a t i v e e f f e c to fs l o p ec o m p e n s a t i o no nt h es y s t e m sl o a dc a p a c i t ya n dt r a n s i e n tr e s p o n s e 2 i no r d e rt os a v et h ec o s ta n da r e ao ft h et f t - l c ds u p p l ys y s t e m ，an o v e ld r i v e c i r c u i ts u i t a b l ef o rb u c kd c d cc o n v e r t e r si sp r o p o s e dw h i c hi sc o n s i s t e do fc h a r g e p u m pa n da d a p t i v ed e a dt i m ec o n t r o ll o g i c t h ep r o p o s e dd r i v ec i r c u i tm a k e st h e e f f i c i e n c yo ft h ep o w e rs y s t e mi n c r e a s eg r e a t l y 3 i no r d e rt om a k et h ep o w e rs u p p l ys a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ed i g i t a ll o g i c d r i v ec i r c u i to ft f t - l c d 。an o v e ll o wq u i e s c e n tc u r r e n tl d ow i t hd u a l a c t i v e c o m p e n s a t i o ns t r u c t u r ei sp r o p o s e d i tc a np r o d u c et w os y s t e mz e r o sv a r y i n g 、析t l ll o a d c u r r e n tt oc a n c e lt h en e g a t i v ee f f e c to fp o l ea td i f f e r e n tl o a do nt h es y s t e m ss t a b i l i t y n oc u r r e n tc o n s u m i n gm a k e st h ep o w e r c o n s u m p t i o no f t h es y s t e ml o w e r 4 a d j u s t a b l eo u t p u ta n dm u l t i p l em o d e sc h a r g ep u m pw i t hl o wr i p p l ev o l t a g ei s u s e da st h ep o w e rs u p p l ys y s t e mo ft h eg a t ed r i v ec i r c u i to ft f t - l c d ，w h i c hd e c r e a s e s t h ee m io ft h es y s t e ma n di m p r o v e st h ed i s p l a yq u a l i t yo ft f t - l c d s i n c et h ew o r k i n g m o d ei sd e c i d e db yt h el o a d ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sr e d u c e d 5 an o v e lm e t h o df o rv e r i f i c a t i o no ft h ec h a r g ep u m pi sp r o p o s e d f o rt h ev o l t a g e l o o p ，t h ep o w e rm o s f e to fa d j u s t a b l ec h a r g ep u m pi sm o d e l e da sav o l t a g ec o n t r o l l e d c u r r e n ts o u r c ea n dp u m pc a p a c i t a n c ei sr e p l a c e db ya v o l t a g es o u r c e ，w h i c hc a nm a k e t h es y s t e mm o d e ll i n e a r i z e d a n dt h ev e r i f i c a t i o no ft h e s y s t e mc a l lb eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h eb o d ep l o tf r o mt h es i m u l a t i o n 6 t op r e v e n to c c u r r e n c eo ff l i c k e rp h e n o m e n o no nal i q u i dc r y s t a l ，ag a t ep u l s e m o d u l a t ec o n t r o l l e r ( g p m ) i sd e s i g n e d t h el o g i cc i r c u i tf o ra d j u s t a b l e o u t p u td e l a ya n d a d j u s t a b l ef a l l i n gs l o p ei si n d u c e dw h i c hr e d u c e st h ef l i c k e rp h e n o m e n o nc a u s e db vt h e p a r a s i t i cc a p a c i t a n c ef o rr o u t i n go ft h eg a t ed r i v ew i r eo ft f t - l c da n di m p r o v e st h e d i s p l a yq u a l i t yo ft f t - l c d 7 t oa v o i dt h eo c c u r r e n c eo ff l i c kp h e n o m e n o nc a u s e db yv o l t a g ec h o p p i n gf o r b o u n c ea n dp a r a s a t i c ec a p a c i t a n c e ，ah i 曲p e r f o r m a n c eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r ( o p ) i s d e s i g nt od r i v et h ec o m m o ne l e c t r o d eo ft f t - l c d t h ep r o p o s e do pc a ni n c r e a s et h e t r a n s i e n tr e s p o n s es p e e df o rt h es l e wr a t ee n c h a n c ec i r c u i ta d d e da n dg u a r a n t e et h e s a f e t yo f t h es y s t e mf o rt h es h o r tc u r r e n tl i m i tc i r c u i ta d d e d k e yw o r d s ：t f t - l c d ，i n t e g r a t e dp o w e rm a n a g e m e n t ，l o o ps t a b i l i t y , o p e r a t i o n m o d e ，l o wp o w e r , d i s p l a yq u a l i t y 声明尸明 学位论文独创性( 或创新性) 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：j 恤 日期上竺- 二上l 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攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守l i t 规定) 本人签名：煎彗兹 日期2 翌翌：2 ：! 导师签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 t f t l c d 低功耗多输出集成供电电源方案 18 8 8 年澳洲植物学家f r e i n i t z e r 首先发现液态晶体( l i q u i dc r y s t a l s ) 或称结晶 液体( c r y s t a l l i n el i q u i d s ，简称液晶) 的存在，并开启之后相关的基础研究与发展【l j 。 进入“信息革命”时代，显示技术及显示器件正在加速推进其平板化的进程。 t f t - l c d 以其高清晰度、高分辨率、低功耗、易于大规模生产等特点成为液晶乃 至整个面板显示技术的主流，显示器集电子、通信和信息处理技术于一体，对与 其息息相关的电源管理技术的发展具有重大的推进作用1 2 j 。t f t - l c d 供电方案日 益走向高集成度、高效率、低功耗、小设计尺寸、低设计成本，这对t f t - l c d 的 集成供电方案提出了更高的要求。随着t f t - l c d 对电源需求的日益专业化和繁杂， 需要采用t f t - l c d 集成供电解决方案的应用主要包括移动电话、p d a 、电子书、 g p s 、安全驾驶显示、多媒体显示、笔记本显示和监视器等，t f t - l c d 集成电源 管理的任务就是将可以获取的电能转换成适应t f t - l c d 需要的电能形式，并进行 合理有效的保护、控制和分配1 4 引。 d c d c 变换器就是一种应用日益广泛、极其重要的电源管理方式，是实现直 流电源之间电压转换的重要方式，实际中，效率达到9 6 以上的d c - d c 变换器在 市场已经不罕见【6 】。而且电路尺寸小、重量轻、工作可靠，成本低廉，因此越来越 受到重视，并被广泛的应用于各种电子产品中。 电容式电荷泵是无需电感的，但需要外部电容器【7 j 。由于工作于较高的频率， 因此输入端噪声可用一只小型电容滤除，电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的 开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间，由于其具有低e m i 、低噪声、 低成本、高效率等优点【8 】，可作为t f t - l c d 的栅极驱动电源【9 ，1 0 l ，有效地降低了其 对t f t - l c d 的噪声干扰i i i ，1 2 。 l d o 线性稳压器在工作电流、最小输入输出压差、噪声及封装等方面进行了 改进，这使便携式设备设计师必须更加慎重研究电源管理解决方案，其可以作为 t f t - l c d 外围接口及控制电路【1 3 ”】的供电电源，有效地减小了噪声对t f t - l c d 的干扰，降低了系统功耗【l 6 。 门宽调制控制器g p m 通过输出下降延时和斜率可调结构消除t f t - l c d 的栅 极驱动线的寄生电容引起的闪烁现象，有效地改善了画面质量( 1 7 j 。 高性能轨对轨运算放大器，由于其具有低失调电压、低功耗、高压摆率、高 带宽的特点，可以作为t f t - l c d 的公共电极的驱动，避免t f t - l c d 栅驱动线的 t f t - l c d 低功耗多输出电源管理芯片的研究与实现 寄生电容引起的闪烁现象，极大地提高t f t - l c d 的画面质量【1 8 】。 设计空间、成本、工作效率、稳定性、瞬态响应等特性是决定t f t - l c d 集成 供电芯片性能的重要指标，本论文的目的就是研究t f t - l c d 集成低功耗多输出电 源电路解决方案，探寻高效、低噪声、低e m i 、稳定和改善画面质量的电源管理 理论1 1 9 j 和方法。 由于t f t - l c d 集成供电电源变换器涉及到自控理论、脉宽调制、数模混合、 非线性、串扰、电流模方法、电磁干扰( e m i ) 、地弹( g r o u n db o u n c e ) 【2 引、低 功耗【2 4 】、功率器件的集成实现等诸多领域，因此其研究成果也对许多其它领域有 所帮助。 1 2 t f t l c d 的物理结构和工作原理 1 2 1 t f t - l c d 的物理结构 物质像水一样都有三态，不同的物质以不同的状态存在。t f t - l c d t 2 5 2 7 1 液晶 态是介于固体和液体之间的一种状态，这种状态是材料的一种变化过程，在此过 程中，物质即在固态和液态之间存在，称之为液态晶体。这种液态晶体的首次发 现在公元1 8 8 8 年，被奥地利的植物学家f r i e d r i c hr e i n i t z e r 在植物中分离精制的安 息香酸胆固醇的溶解行为时所发现，此化合物加热到1 4 4 5 。c 时，固体会融化，呈 现一种介于固体和液体之间的状态，这种情况会一直维持到1 7 8 5 。c ，才形成清澈 的液体。在1 8 8 9 年，研究相转移及力学平衡的德国物理学家对此化合物进行了更 详细的分析，在偏光镜下，该化合物具有异方性晶体所特有的双折射率之光学特 性，即光学异相性，此后科学家将此一新发现的性质，称为物质的第四态一液晶。 b l a c km a t r i xp r o t e e t i v e 行i m 图1 1t f t - l c d 的横截面结构图 随着笔记本电脑、手机、m p 4 等便携式电子设备的普及发展，液晶显示由于 其轻薄的特点使它成为继c r t 显示后更为广泛使用的显示材料f 2 o l ，而应用在具 第一章绪论 3 有1 0 亿像素的高清电视显示器将更具有吸引力【3 l 】，低功耗设计也将为t f t - l c d 应用带来广阔的前景【3 2 1 。t f t - l c d 薄膜晶体管液晶显示是利用薄膜晶体管产生电 压，以控制液晶转向的显示设备。图1 1 是t f t - l c d 的液晶显示的切面结构图， 在上下两层玻璃间存储液晶从而形成平行板电容器c l c ，其大小约为o 1 p f 。在实 际应用中，c l c 无法将电压保持到下一次画面更新，即当t f t ( 薄膜晶体管) 对电容 充好电时，无法将电压保持住，直到下一次t f t 再次对此点充电。t f t - l c d 以6 0 h z 的画面更新频率，需要保持约1 6 m s 的时间，这样一来，电压有了变化，所显示的 灰阶错误，因此在面板的设计中会引入一个存储电容c s ，从而使充电电压能保持 到下一次画面更新的时候。t f t 的信息是通过s o u r c ed r i v e r 获取的，反映出显示的 灰阶。 由于液晶分子的结构为异方性，其所引起的光电效应就会因方向不同而有所 差异，即液晶分子在介电系数及折射系数等光电特性上都具有异方性，因此可以 利用这些性质来改变入射光的强度从而形成灰阶，应用于显示设备上。液晶的光 学和电学特性主要包括： 1 ) 介电系数s 将介电系数分解为两个方向的分量，分别为s ，和e 上，当e ， s 上时，称之为介 电异方性为正型的液晶，可以用在平行配位；当g ， 5 0 时，固定频率峰值电流模式 9 9 j 控制方式存在固有的开环不稳 定现象，出现亚谐波振荡【1 眦1 0 2 】。若采用传统的斜坡补偿方法，用同一不变的补偿 斜率来满足芯片在所有占空比包括在最大的d i d t 下( 即最坏情况下) 的稳定性， 会导致斜坡补偿量大量过剩，严重的影响了开关电源的瞬态响应特性和峰值电感 电流，特别是空载状态，输出电流为零时，过量的补偿还可能导致峰值电流模控 制转变为电压模控制，这不是所期望的。这就需要有一种电路能在不同占空比下 产生不同的补偿斜率来解决上述问题，通过引入分段线性斜坡补偿来防止大占空 比情况下的亚谐波振荡，从而使恒定频率结构稳定【1 0 3 , 1 0 4 。 该设计方法可以减小斜坡补偿对系统带载能力的负面影响，该方法将整个芯 片的占空比分成三个区间，在占空比全区间产生一种可在不同占空比区间产生不 同斜率的分段线性斜坡补偿信号，从而在大占空比时电感电流仍然能保持较大的 峰值，从而保证系统的带载能力和稳定性。它适用于升压型d c d c 转换器，通过 改变反馈电压亦可用于降压型d c d c 。 为了减小t f t - l c d 电源芯片的设计尺寸和成本，在b u c k 型d c d c 设计中占 用相同版图面积的情况下，p m o s 管的导通电阻远大于n m o s 管的导通电阻，为 了减小版图面积，降低d c d c 输出级功率管的导通电阻，提高芯片的效率，输出 级高端和低端全采用l d n m o s 管。为了使输出级高端和低端的l d n m o s 管过驱 动电压相等，这就需要外部增加一个额外的高电平电源去驱动输出级高端功率管， 因此有必要采用基于电荷泵的电容自举电路产生一个高电平，这样既提高了驱动 效率，又减少了对外部多个电源的需求，巧妙地实现了对b u c k 型d c d c 输出级 功率管l d n m o s 的驱动，本章分析了电荷泵调整器和电容自举产生的机理，论述 了b u c k 型d c d c 电源与驱动电路之间的关系，进而提如一种基于电荷泵的新颖 的可用于集成d c d c 的驱动电路，测试结果证明驱动电路效果良好。 t f t - l c d 低功耗多输出电源管理芯片的研究与实现 3 2 一种全占空比区间分段线性斜坡补偿 峰值电流模式是双闭环控制系统，电流内环是瞬时、快速的，按照逐个脉冲 工作的；电流内环负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容。 峰值电流模式的带宽比电压模式的大。 峰值电流模式的优点有暂态闭环响应较快、设计控制环路简单、输入电压的 调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美、具有瞬时峰值电流限流功能 及可自动均流并联等。 但峰值电流模式也具有缺点：如占空比大于5 0 时开环不稳定，存在难以校 正的峰值电流与平均电流的误差，需要斜率补偿、对噪声敏感，抗噪声性差及对 多路输出电源的交互调节性能不好。 本章提出了一种全占空比区间分段线性的斜坡补偿电路设计。该方法将整个 芯片的占空比分成三个区间，可在不同占空比区间产生不同斜率的斜坡补偿信号， 从而在大占空比时电感电流仍然能保持较大的峰值，减小斜坡补偿对系统带载能 力的负面影响，从而保证系统的带载能力和稳定性。它适用于升压型d c d c 转换 器，通过改变反馈电压亦可用于降压型d c d c 。 3 2 1 斜坡补偿与亚谐波振荡 图3 1 斜坡补偿示恿图 斜坡补偿原理【1 叫如图3 1 。其中m 、m 和m 2 表示斜率，且均为正数。“为 电感电流受到干扰后的变化量，由图3 1 可以求出 她一“幸焉( 3 - 1 ) 易知电流环稳定的条件为 望 祟慨：fl 一熹1 饥( 3 - 4 ) 2 j d 2 d j 2 由式( 3 4 ) 可得补偿斜率r n 与占空比d 的函数图如图3 2 所示 其中 - j 1 2 一一_ = ：_ 一一二 0 5 l r i 7 图3 2 补偿斜率v s 占空比 ”( 乳= ( 气监) 一 ( 3 - 5 ) 式( 3 - 5 ) 中m 2 为最大电感电流下降斜率，由最大输出电压及最小的电感值确 定。由图3 2 可知，补偿斜率r n 是占空比d 的增函数，取d = 1 0 0 ，即m 0 5 m 2 时，满足所有占空比下系统的稳定性条件【1 0 5 , 1 0 6 。 3 2 2 分段线性斜坡补偿原理 升压型d c - d c 芯片框图如第一章图1 5 所示，主要由基准、振荡器、斜坡补 偿、启动和故障控制( 包括软启动、欠压锁定、过流保护、过温保护、过压保护 等) 、误差放大器、p w m 比较器和驱动电路等主要模块组成。基准模块产生1 2 v 、 0 8 v 、0 3 5 v 、0 3 v 、0 1 5 v 五种基准电压。芯片的电流峰值限制值为3 a 。振荡器 的频率为1 m h z 。在欠压锁定模块中，当电源电压v 酣低于2 0 v 时，关断芯片， 避免芯片工作在不稳定的模式。斜坡补偿模块主要是产生斜坡补偿信号，与电感 电流采样信号进行叠加，进而与误差放大器产生的信号进行比较得到电感电流峰 值检测信号。 t f t - l c d 低功耗多输出电源管理芯片的研究与实现 d 1 d 2dd 3( ) 图3 3 补偿电流曲线 对于整个芯片，把占空比分成3 个区间来进行分段线性补偿。由式( 3 - 4 ) 可 知，在d 5 0 时，不加斜坡补偿( m = 0 ) 即可满足系统稳定性条件。考虑留有一定 的裕量，在占空比超过3 0 时为电感电流采样信号增加一个斜坡补偿信号。由于 补偿斜率m 是占空比d 的增函数，所以每个区间的补偿斜率由该区间的最大占空 比决定。将该区间最大占空比代入式( 3 - 4 ) 可得该区间的补偿斜率。最后得到分段 线性补偿电流曲线如图3 3 的实线所示。 若仅用单一斜率的补偿斜坡来对系统进行补偿，那么补偿斜率r n 必须满足系 统在最坏情况下开环稳定性要求( 设所需最大补偿斜率为k 3 ) ，对应电流补偿信号如 图3 3 虚线所示。 当占空比为d ，系统在这两种情况下均能稳定( 见图3 3 ) 。对比这两曲线，可 以看出用单一斜率补偿的斜坡电流幅度为：而采用分段线性补偿的斜坡电流幅 度为a l ，其差值a a = a o 一4 为过剩的补偿电流幅度，该差值造成的不良影响正是 使系统的瞬态响应特性变坏，极大地降低电感峰值电流，使带载能力下降。因此 采用分段线性补偿可以根据占空比来决定斜坡补偿的电流幅度，从而很好的改善 系统上述性能。 3 2 3 分段线性斜坡补偿电路的实现 分段线性斜坡补偿信号是利用振荡器 1 0 7 , 1 0 8 l 与斜坡补偿模块中的分段线性函 数电路来产生的，如图3 4 所示：图3 4 虚线左侧为斜坡电流产生电路，虚线右侧 为振荡器，其产生频率为1 m h z 的芯片时钟信号。对来自振荡器的锯齿波信号 v r a m p 进行斜率转换和v - i 变换产生斜坡补偿电流，电路利用分段线性电流实现 斜坡补偿，这一改进型的斜坡补偿技术可以实现更优化的电流环补偿，降低补偿 电流对系统峰值电流指标的影响。图3 4 中振荡器部分由偏置电流产生电路、折 一一 芑健n 3 o o i s 第三章d c d c 的斜坡补偿及驱动电路的研究 3 7 叠式共源共栅比较器、电容充放电回路及控制逻辑等四部分组成。v r e f 为基准模 块产生的参考电平，v h 和v l 为v r e f 的分压。当电容c a p 开始充电时，控制逻 辑将m 2 2 关断，当电容电压v c a p 充至v h 时，比较器输出o s c 为高电平“l ”，通 过控制逻辑使m 1 2 导通，电容c a p 开始放电至v l ，比较器输出低电平“0 ”，通 过控制逻辑使m 1 2 关断，再次经入充电过程，如此循环，从而产生锯齿波信号 v r a m p 。o s c 产生时钟信号o s c 的频率为1 m h z 。在此过程中，流过q l 和q 2 的 电流分别为i q l 、i q 2 ；( w l ) m 2 ：( w l ) m 1 = k ：l 。 图3 4 斜坡补偿电路原理图 由电容c a p 的充放电过程的推理分析，可知v r a m p 的范围为v l v h 。f ( q 0 、 f ( q 2 ) 分别为q l 和q 2 的导通函数，即 ，( q 1 ) = + 形唧3 一嘲l 一乇l 尺2 一l ( 3 6 ) h q 2 ) = 凹+ 叼3 一2 一乇z r 3 一2( 3 - 7 ) 根据迭代定理，此时n l 、n 2 点电位可以表示如下 = j 丽r 4 ( 3 - 8 ) = ( 3 - 9 ) 当f ( q o o ，f ( q 2 ) o 时，q l 和q 2 都不导通，此时n l 的电位为v m ，n 2 的电位 为v n 2 ，v l v r a m p v h 。o s c 信号占空比为d o s c ，将v r a m p 信号分为三个区间 l ，v g + a v d ， v l + a v i ，v l + a v 2 ， v l + a v 2 ，v h 】，则v r a m p = v l + v l 对应的 系统占空比为d l ，即 4 + 卷仆夕= + 两v m 瓦r 4 ( 1 砺- d o 刁s c ) ( 3 _ 1 。) 在0 - - d 1 第一占空比区间内不引入斜坡补偿，斜坡电流为0 。在第n 个时钟 周期t 内 t f t - l c d 低功耗多输出电源管理芯片的研究与实现 麓v mr 4 三竺+ 苏二冀黟羰 隆 击+ 菥糍 卜“ 则v r a m p = v ：l + a v 2 对应的系统占空比为d 2 ，即 d 2 + 黄 ，) = + 等 ( 3 1 4 ) k z 厂n t , n t + d 2 丁如i = k 而v 删丽p ( n t + d 2 t ) k 鼍器( 3 _ 1 5 ) 珑螂2 i 瓦瓦m p t m 而m pk 面v l i ( r 4 酉+ r 丽5 ) + 而v m r 4 ( 3 16 ) = k l s l o p b l n t , n t + 1 1 一d o s c ) t g 七i s l o p b n t , n t + l 飞一o s c 0 ) j q 2 ) ( 3 - 1 7 ) = 研堕学+ 器舞礁，班产+ 筹， 足足+ 足冠+ 心胛7 足2 尼 。 设计s l o p e 端产生的斜坡补偿电流通过电阻r iv 和风e n s e 转化斜坡补偿电 压信号，r s m , j s e 为电感电流采样电阻，则最终系统在任意一个周期斜坡补偿斜率 和补偿电流如下 萧， 霉 第三章d c d c 的斜坡补偿及驱动电路的研究 3 9 _一m(r4+rs)(d,-d,) ：茎，业一呈生二幺1iltlg d , o p e $ 2 1 - d o s c - d j2 百生一百 0 d q 日d 岛 ( 3 - 1 9 ) 皿d 1 0 0 n t t n t + d l t n t + d i t t n t + 岛丁( 3 - 2 0 ) n t + d e t t 1 0 0 其中，q = + 老擀a = + 铹 号 图3 5 斜坡补偿等效原理图 斜坡补偿等效原理如图3 5 所示，反馈电压v w 与基准信号v r e f 比较得到差 值放大信号v e a ，电感电流峰值采样信号与斜坡信号叠加后产生信号v s l g m a ，v 队 与v s i g m a 比较得到峰值监测信号，对每个周期信号进行监测。当电感电流在每个 周期达到峰值时，电感电流峰值为i s w ，主开关管导通电阻为i b s o n ，电感电流峰 值限制为i l i m ，则 = 删= 岛如s 0 + 巧蜀y + 如一，o k ( 3 - 2 1 ) b o o s t 型d c d c 最大负载电流为 k = r 一等夕岳，业= 孚专，。= 孑c 3 垅， 由式( 3 - 2 1 ) 可知，当v e a 一定时，m 。l o p e ( i 。j o p c ) 越小，i s w ( 最大值为i l i m ) 越大。 由此，由式( 3 2 1 ) 和( 3 2 2 ) 及图3 6 仿真结果可得，分段线性斜坡补偿在满足系统 稳定性的前提下，大大减小了斜坡补偿对系统带载能力的影响。 3 2 4电路仿真及测试结果 1 ) 电路仿真结果 ，1，肼刃历历 + + 一 一 p p 。= = = = = +rrk t f t - l c d 低功耗多输出电源管理芯片的研究与实现 l 卜l i ”i t _ ” j _ 1 一 0 3 m刀11l 1l 1 1 丝蟛仫蟛簪俐d 图3 6 线性与分段线性斜坡补偿电流波形 基于0 6 mb c d 模型，用h s p i c e 仿真本电路，结果如图3 6 所示，表明分 段线性斜坡补偿电流瞬态特性良好。当占空比为d 时，在满足系统稳定性的条件 下，分段线形斜坡补偿电流小于线形斜坡补偿电流，由公式( 3 2 1 ) 和( 3 2 2 ) 可知采 用分段线性斜坡补偿大大降低了对电感电流峰值的影响，使系统的带载能力提高 了2 0 ，具体见表3 1 。 表3 1 该升压型d c d c 芯片的主要电特性表 电源电压2 5 v3 6 v 5 5 v 频率f s 1 m h z1 m h z1 z 峰值电流1 5 a 2 1 a3 a 效率 9 0 9 2 9 3 r o s o n o 1 8 qo 1 6 q0 1 4 q d s l o p e t e m p d 3 0 3 0 d 6 0 6 0 d v r e f 2 ，比较器的输出o u t 为高，关断m l ，c c l 开始放电， 当v c l a m p 电压下降到v l 时，v r i v l v l d o ， 由此可得出，对于任意一个m 时钟周期，当m t p t m t p + a t 时，v 烈对电容c c l 进行充电，则 i c n m t e , m 零+ 叼：心c o , 7 - - t ( v , n 一划吲一肇掣0 ( 3 - 2 3 ) 切i z j 第三章d c d c 的斜坡补偿及驱动电路的研究 当m t e + a t t ( m + 1 ) t p 时，电容c c l 进行放电，则 由此可得 i 啷 m i p 啦( m + 岍p 】- 岍o x 鼍 f ，一。一j 2 2 ( 3 2 4 ) i 圪+ 纽掣 一 一a t m l p t m l p + z x l 班 奠一一哪扒州洲3 2 5 ) 爹 一 皇 5 岁 r a 耳所巧+ a t ( 州+ 1 ) 乃 图3 1 4 电荷泵箝位调整器的输出波形 图3 1 4 为电荷泵箝位调整器的输出波形，由图3 1 4 示意可知输出纹波为 = 一屹 ( 3 2 6 ) 由( 3 2 5 ) 式和( 3 - 2 6 ) 式可以得出 i ! 盟玎昂 f 刀t p + a r _ _ d v c l i u t ) ： a 。t ，1 ( 3 - 2 7 ) 西 l 一粤丑玎t 户+ a t f 门州昂 【仍一a t ) 、 f 圪+ 笠掣竽型胛零 零+ 凹 一 善一哪泛m 屏( 3 - 2 8 ) t f t - l c d 低功耗多输出电源管理芯片的研究与实现 图3 1 5v b s t 与l x 2 的时序图 电荷泵箝位调整器产生电压v c l a m p 通过二极管d 2 向电容c b s t 充电，如图3 1 5 所示，l x 2 是输出级产生与振荡器同频、占空比为d 的方波信号，利用电容自 举【1 1 3 1 1 5 】效应产生v b s t ，巧妙地实现了b u c k 型d c d c 的高端驱动电平的产生。 由图3 1 5 可知，当n t c t ( n + d ) t c 时，