（电路与系统专业论文）高效率双端输出电荷泵的研究与设计.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 随着便携式电子设备的流行，各种各样功耗电子器件的集成度越来越高，相 应的电源管理系统也需要同步地改进。目前，电源管理系统设计者在面对由电池 供电的移动设备的应用时，面临的最大挑战就是如何满足其低成本、小体积、高 电能转换效率、快速响应和多通路电压输出等性能的要求。 针对这样的研究背景，本论文提出了一种新颖的高效率双端稳压输出电荷泵 芯片。它是一种开关电容型直流直流电压变换器，仅采用片外电容作为储能元件， 代替普通开关电源中体积较大的电感，因此具有体积小、低成本和低电磁干扰的 优点。在2 1 v 3 6 v 的输入电压范围内，该电荷泵能同时产生一路5 0 v 的升压 稳压输出和一路1 8 v 的降压稳压输出，可以为电子设备中的模拟电路、数字电 路和混合信号电路等供电：由于采用创新的共享开关电容阵列拓扑作为功率级， 片上集成的m o s f e t 功率开关和片外的电容能同时为两路输出提供电能，大大 降低了芯片面积和片外器件的数量。 本论文对现有电荷泵的拓扑、控制策略和分析方法进行了广泛的调研，在此 基础上推导出了一种准确的双端输出电荷泵理论模型，并通过电路仿真结果验 证，此模型的相对误差低于o 5 。在此理论模型的指导下，本论文创新地提出 了自动增益跳变控制策略，有效地将低增益的高效率特性和高增益的电压提升特 性结合在一起，使本电荷泵具有高效率和快速响应的优点。同时，该电荷泵采用 新颖的数字状态机控制器作为核心控制电路，很好地实现了两路稳压输出，提高 了总的电流负载能力，并使本电荷泵具有更多稳压输出通路的扩展能力。 本芯片采用t s m c0 3 5 u r nc m o s 工艺设计并完成制造，芯片面积为 2 7 5 m m x 2 2 5 m m 。测试结果表明，该电荷泵能实现5 0 v 和1 8 v 的同步稳压输 出，动态响应快速，符合设计要求；在增益跳变模式下，该电荷泵的电能转换效 率较传统电荷泵提升最大达到2 0 ，平均约为1 0 ，达到设计预期。 关键词：电荷泵，双端输出，高效率，自动增益跳变 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ef a s td e v e l o p m e n to fp o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e s t h ei n t e g r a t i o n so fa l l k i n d so fl o w - p o w e re l e c t r o n i cc h i p sh a v eb e e nm o r ea n dm o r ei n t e n s i v e ；a n dt h e p o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m sa r er e q u i r e dt ob ei m p r o v e da c c o r d i n g l y n o w a d a y s ，t h e m o s tc h a l l e n g e st h a tp o w e rm a n a g e m e r i td e s i g n e r sf a c ea r et h er e q u i r e m e n t so fl o w c o s t , l o wv o l u m e ，l o wp o w e r , h i g hp o w e re f f i c i e n c ya n df a s tt r a n s i e n tr e s p o n s ei nt h e a p p l i c a t i o i l so fb a t t e r y p o w e r e dp o r t a b l ed e v i c e s a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，ah i g h - e f f i c i e n c yd u a l - o u t p u tc h a r g e p u m pi cc h i pi sd e v e l o p e d t l l i sc h i pi sas w i t c h e d c a p a c i t o rd c d cc o n v e n e r , w h i c hu s e sc a p a c i t o r sa se n e r g y - t r a n s f e re l e m e n t si n s t e a do fb u l ki n d u c t o r s ；t h u st h i s c h a r g ep u m pf e a t u r e sa d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e ，l o wc o s ta n dl o we m i w i t hi n p u t v o l t a g eb e t w e e n2 1v 3 6 vt l l i sc h a r g ep u m pc a l ls i m u l t a n e o u s l yg e n e r a t eac o n s t a n t b o o s tv o l t a g eo u t p u to f5 o va n dac o n s t a n tb u c kv o l t a g eo u t p u to f1 b y , w h i c hc a l l s e r v ea ss u p p l yv o l t a g e so fa n a l o gc i r c u i t s ，d i g i t a lc i r c u i t sa n d m i x e d s i g n a lc i r c u i t si n a ne l e c t r o n i cd e v i c e t l l ec h a r g ep u m pu s e ss h a r e ds w i t c h e d c a p a c i t o r - a r r a ya sp o w e r s t a g e ；t h u st h eo n - c h i pm o s f e tp o w e rs w i t c h e sa n de x t e r n a lc a p a c i t o r sc a ns e r v e b o t ho u t p u tc h a n n e l st os a v ec h i pa r e aa n de x t e m a ld e v i c e s ，n l et h e s i sp r o v i d e si n v e s t i g a t i o n sa n dr e s e a r c ho fc h a r g ep u m p c o n c e p t s c o n t r o l s c h e m e sa n da n a l y s i sm e t h o d o l o g i e s ；a n di t p r o p o s e sa na c c u r a t em o d e l i n ga p p r o a c h f o ra n a l y s i so fd u a l o u t p u tc h a r g ep u m p s ，w h i c hi sv e r i f i e db ys i m u l a t i o nr e s u l t st h a t t h er e l a t i v ee r r o ri sb e l o w0 5 w i t ht h eg u i d a n c eo ft h i sm o d e l an o v e la u t o m a t i c g a i n - h o p p i n gc o n t r o la p p r o a c hi sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e sh i g he f f i c i e n c yo fl o w e r g a i na n db o o s tv o l t a g eo fh i g h e rg a i nt o g e t h e r , s ot h a tt h ec h a r g ep u m pa c h i e v e sf a s t t r a n s i e n tr e s p o n s e m o r e o v e rt h ec h a r g ep u m pu t i l i z e sad i g i t a ls t a t em a c h i n ea s c o n t r o lk e m e lc i r c u i t t 1 1 i sc o n t r o l l e re n a b l e st w os t a b l eo u t p u tv o l t a g e s i m p r o v e s o v e r a l ld r i v i n gc a p a c i t ya n db r i n g sp o s s i b i l i t yo fm o r eo u t p u tc h a n n e l s t h ec h i pi sr e a l i z e db yt s m c0 3 5 9 mc m o st e c h n o l o g y t h ec h i pd i es i z ei s 2 7 5 m i n x 2 2 5 m m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a lt h a tt h ec h a r g ep u m pc a np r o v i d e s y n c h r o n o u so u t p u t so f5 0 va n d1 8 v 、i t hf a s tt r a n s i e n tr e s p o n s ea n dh i g he m c i e n c y w h i c hm e e t st h es p e c i f i c a t i o n i ng a i n h o p p i n gc o n d i t i o n s ，t h ec h a r g ep u m pi m p r o v e s a v e r a g ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f10 a n de v e n2 0 m a x i m u m w h i c hi sc o n s i s t e n t w i t hd e s i g ne x p e c t a t i o n s k e yw o r d s ：c h a r g ep u m p ，d u a l - o u t p u t ，h i 曲一e f f i c i e n c y , a u t o m a t i cg a i nh o p p i n g 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 浙江大学硕十学位论文 图目录 图1 1d i c k s o n 电荷泵电路示意图2 图1 2 典型两相倍压器单元3 图1 3 倍压器级联实现的多倍升压器4 图l - 4 八状态多相倍压器结构5 图1 5 分数倍增益降压电荷泵电路示意图6 图2 1 典型分压器电荷泵功率级电路示意图8 图2 2 倍压器电路示意图13 图2 3l m 2 7 7 0 应用电路示意图15 图2 - 4l m 2 7 7 0 多增益切换示意图1 5 图2 5 倍压器简单模型1 6 图2 6l t c l 9 1 1 系统框图1 7 图2 7 基于电荷泵的后调制稳压器系统原理图1 9 图2 8 电流型预调制电荷泵电路示意图2 0 图2 - 9 典型电压型预调制电荷泵的系统示意图。2 l 图2 1 0 为连续时间调制电荷泵的电路示意图2 2 图2 1 ll t c l 9 11 电荷泵效率测试结果2 3 图2 1 2 脉冲跳变调制的电荷泵示意图2 4 图3 1 三相位电荷泵电路拓扑。2 6 图3 2 状态4 时仿真结果波形31 图4 1 本电荷泵系统结构示意图3 4 图4 2 双端输出电荷泵电路示意图3 5 图4 3t 4 状态时功率级电路结构3 6 图4 4t 3 状态时功率级电路结构3 7 图4 5t 2 状态时功率级电路结构3 8 图4 6 自动增益跳变技术3 9 图4 7v 6 t 设置示意图4 1 图4 8 状态转换图4 2 图4 9 开关电容软启动4 6 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 v 浙江大学硕士学位论文 图4 1 0 动态衬底偏置功率管剖面示意图4 7 图4 1 lt 2 状态下轻载时仿真结果一4 8 图4 1 2t 2 状态下重载时仿真结果4 9 图4 - 1 3t 3 状态下轻载时仿真结果一5 0 图4 - 1 4t 3 状态下重载时仿真结果5 0 图4 1 5t 4 状态下轻载时仿真结果5l 图4 1 6t 4 状态下重载时仿真结果5 2 图4 1 7t 4 状态下动态负载仿真结果5 3 图5 1 输出比较器电路图5 5 图5 2 输出比较器中两级运放电路图5 5 图5 3 输出比较器中放大器的频率特性5 6 图5 - 4 输出比较器的瞬态响应5 7 图5 5 状态机电路图5 9 图6 1 本电荷泵芯片的版图规划6 0 图6 - 2 本电荷泵芯片版图6 1 图6 3 本电荷泵芯片封装引脚规划6 2 图每4 本电荷泵芯片照片6 3 图6 - 5 系统测试电路原理图6 4 图6 - 6 应用电路p c b 照片6 4 图6 7 静态负载测试波形，1 0 2 = l m a ，c h 4 = ( 3 1 ，c h 2 = g 2 6 6 图6 8 静态负载测试波形，1 0 2 = l m a ，c h 4 = g 3 ，c h 2 = g 4 6 6 图6 - 9 静态负载测试波形，1 0 2 = 2 0 m a ，c h 4 = g 1 ，c h 2 = ( 3 2 6 7 图6 1 0 静态负载测试波形，1 0 2 = 2 0 m a ，c h 4 = g 3 ，c h 2 = g 4 6 8 图6 - 1 1 静态负载测试波形，1 0 2 = 6 0 m a ，c h 4 = g 1 ，c h 2 = g 2 6 9 图6 1 2 静态负载测试波形，1 0 2 = 6 0 m a ，c h 4 = g 3 ，c h 2 = g 4 6 9 图6 1 3v o l 动态负载测试波形7 1 图6 1 4v 0 2 动态负载测试波形7 2 图6 1 5 放大的重载转轻载过程7 2 图6 1 6 放大的轻载转重载过程7 3 图6 1 7v 0 2 通道t 2 状态下效率7 5 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 v i 浙江大学硕上学位论文 图6 18v c a 通道t 3 状态下效率7 6 图6 1 9v 0 2 通道t 3 状态下效率放大曲线7 8 图6 2 0v 0 2 通道t 4 状态下效率7 9 图6 2 1v 0 2 通道t 4 状态下效率8 1 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 浙江大学硕上学位论文 表目录 表3 1 电荷泵大信号建模验证的仿真状态3 1 表4 1 多增益组合分配一3 6 表4 - 2 功率管动态衬底偏置辅助开关管工作情况一4 7 表5 1 输出反馈电压比较器指标表5 4 表6 一lv 0 2 通道t 2 状态下效率7 4 表6 2v 0 2 通道t 3 状态下效率7 5 表6 3v 0 2 通道t 3 状态下效率放大曲线参数表7 7 表6 4v 0 2 通道t 4 状态下效率7 8 表6 5v o l 通道t 4 状态下效率8 0 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 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，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：聋等氇耵呵 签字日期：川 年石月f 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、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。本人授权逝鎏盘堂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适用本授权书) 学位论文作者签名：韩硎 签字日期：h 矿孑年6 月【。日 导师签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文作者毕业后去向：工作 工作单位：艾意凯咨询( 上海) 有限公司电话：1 3 6 4 6 8 6 9 2 3 0 通讯地址：上海市南京西路1 1 6 8 号中信泰富广场3 4 楼邮编：2 0 0 0 4 1 浙江大学硕上学位论文 第一章电荷泵电源管理芯片的概况 1 1 应用背景 现在各式各样便携式电子设备正走向千家万户和各个工业应用领域。不论这 些设备中用到怎样的电子器件和芯片，电源管理模块都必不可少，而且这些设备 对其电源管理模块的要求也越来越高。 通常，这些便携式设备，包括手机、m p 3 4 和数码相机等，要求电源管理模 块的体积小、电能转换效率高、成本低，而且应用电路也要尽量简单。同时，便 携式电子设备通常用电池供电，而电池的输出电压会随着使用时间增长而相应下 降，另外多模式工作的电子设备所消耗的电流也非常不固定，其取决于设备的运 行环境和状态( 如m p 4 播放视频时功耗大，处于待机模式时功耗小) ，因此一个 好的电源管理模块需要能够适应变化范围比较大的输入电压和负载电流。 一个便携式电子设备通常具有许多不同种类的芯片和电路，如模拟电路( 运 算放大器、比较器、模拟开关等) 、数字电路( 单片机、d s p 和f p g a 等) 和混 合信号电路( 如模数转换器和数模转换器等) ，以及一些需要特殊偏压和驱动电 压的器件等。这些电路和器件需要不同的直流供电电压，这就要求电源管理芯片 具有同时提供多路输出电压的能力( 包括升压和降压的) 。实际上，现在很多电 源管理产品和学术研究成果已经具有了这方面的能力，如文献【1 】和德州仪器公 司产品t p s 6 5 1 2 x 2 等。 目前常用的直流转直流电源控制芯片或集成稳压器主要分成三个大类：线性 电源、开关电源和电荷泵电源。线性电源以低压降稳压器( l d o ) 为代表【3 】， 通过线性调节稳压元件的导通电阻来实现稳定的降压输出。l d o 的特性是使用 方便、体积小、纹波小，但它的效率低，而且不能产生升压输出，已经不能满足 上述的现代电源管理系统的要求，因此现在应用领域也越来越少。 开关电感型直流直流变换器( 俗称开关电源) 是现在应用较为广泛的电源管 理系统。它使用电感作为储能元件，利用开关的通断将能量传递到输出端【4 】。 开关电源具有较高的电能转换效率，能升压能降压，同时具有多路电压输出的能 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 浙江大学硕士学位论文 力，在负载电流大于5 0 0 m a 的应用领域尤其多见。但是，正因为开关电源用到 电感元件，它的缺点也就凸显出来，即成本更高、体积较大、e m i 影响严重等， 而且电感上的电流不能发生突变这一特性也影响了开关电源的动态响应。这些缺 点使得开关电源在许多领域不能得到应用。 第三种电源是开关电容型直流直流变换器( s w i t c h e dc a p a c i t o rd c d c c o n v e r t e r , 俗称电荷泵稳压器，c h a r g ep u m p ) ，一般用于消耗电流比较小的便携 式设备中。电荷泵用电容作为储能元件，通过开关将整个开关电容阵列切换到不 同的电路结构来实现不同的调压比。因为不使用电感，电荷泵具有体积小、成本 低、易于集成、e m i 较小的优点；同时，电荷泵的电能转换效率虽然低于开关电 源，但明显优于l d o 。而且电荷泵既可升压也可降压，能够同时提供多路不同 电压输出，动态响应较快，符合现代便携式设备对电源管理系统的要求，因此电 荷泵稳压器在各种中低负载电流的设备中得到广泛的应用。 1 2 电荷泵电源的发展现状 1 2 1d i c k s o n 电荷泵 1 9 7 6 年，d i c k s o n 在c o c k c r o r w a l t o n 提出的传统的电源拓扑基础上进行了 改进，提出了一种利用电容作为能量传递器件的稳压器，这就是首次提出的现代 电荷泵稳压器【5 】。该电荷泵由片上电容和片上二极管组成，通过一个两相时钟 控制。该电路拓扑后来被称为d i c k s o n 电荷泵，其电路示意图如图1 1 ， 竿中掣中 iit 孛e 暑串孝c 皇丰镪 iit- 图l - ld i c k s o n 电荷泵电路示意图 7 当时钟为高时，处在奇数位置的电容向所有在偶数位置的电容放电；相应地， 指导老师：吴晓波，赵梦恋 作者：韩世明 2 浙江大学硕士学位论文 在时钟为低时，处在偶数位置的电容向奇数位置的电容放电。因此，在时钟的节 拍控制下，电能从电源传递到输出电容上。d i c k s o n 电荷泵只能实现升压变换， 并且其电压转换增益完全取决于电容个数和二极管压降，不易调节。同时， d i c k s o n 电荷泵采用二极管作为电流导通阻断器件，因此在二极管上产生较大压 降，既不能实现较高的电能转换效率，也不利于有效地散热。因此，d i c k s o n 电 荷泵现在很少在电源管理系统中应用，而只是用于一些需要高压偏置的电路中 ( 如e e p r o m 和f l a s h 的读写偏置电压等) 。 在许多文献中也提到针对d i c k s o n 电荷泵的改进方法，如用p m o s 代替二极 管作为电流通断开关【6 】，因此减小了开关管的导通电压，从而减小了电荷泵的 导通损耗，减小了芯片面积，增大了转换效率。但这些改变并不能从本质上改变 d i c k s o n 电荷泵的缺点。 1 2 2 倍压器( v o l t a g ed o u b l e r ) 及其改进型电荷泵 在d i c k s o n 提出用开关电容阵列作为储能原件的基本思想启发下，结合现在 c m o s 工艺技术的发展，一些新的电荷泵拓扑应运而生，如两相倍压器，和在倍 压器基础上改进的多相升压器【7 】。 图1 2 所示为一个典型的两相倍压器单元， v s s 图l - 2 典型两相倍压器单元 图中所示，v i n 是供电电源电压，v + 是输出电压。简单对这个倍压器的工 作原理进行解释，我们可以假设此倍压器的初始状态是相位i 。在这个相位，充 电电容c 1 被充电到电源电压v i n ，同时假设输出电容c l 没有初始充电电荷。 在相位i i ，倍压器将电容c 1 的低压节点连接到供电电源上，同时将其高压节点 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明3 浙江大学硕士学位论文 连接到电容c l 上。此时电容c 1 上的电荷与c l 共享，最终输出电压v + 会高于 供电电压v i n 一个电压值。这种电荷传递的机制使得v + 的电压上升。下一步， 倍压器又回到相位i ，电容c l 又从供电电源处补充电荷，而电容c l 将保持上个 相位充到的电荷。之后电路又转到相位u ，而这次c l 上的电压又会比上次相位 i i 时高，因为又进行了一次电荷传递。通过许多个周期充电，最终电容c l 上的 电压会被充到两倍的输入电压值，所以此类电荷泵顾名思义，称为倍压器。 1 2 3 多倍升压器 倍压器的电压增益只能是2 ，也就是说其最大输出电压也只可能是供电电压 的两倍( 实际情况中也不可能完全达到) 。因此，当需要更大的输出电压时，就 要用到多倍电压转换器。图1 3 所示为用多个倍压器级联得到的多倍电压转换器。 在m a k o w s k i 对开关电容型多倍电压转换器的研究论述中，他提出了一个理论升 压极限倍数，并且把这个数字和f i b o n a c c i 数联系起来。m a k o w s k i 提出了一种新 的两相时钟电荷泵，需要2 n 个电容，3 n 一1 个开关；这种电荷泵的电压增益为2 n 阶的f i b o n a c c i 数，这比一般级联倍压器的电荷泵增益要大。 v s $ v s $ 图1 3 倍压器级联实现的多倍升压器 下面的结论给出了多相位时钟控制倍压器的增益极限。即一个没有用变压器 作为能量转换器件的开关电容型直流直流电压变换器，在只有一个供电电压的情 况下，其电压增益不可能大于： 坳，= 警甜 其中n 是变换器中的电容个数，l r r 是输出直流点平，而是输入直流电 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明4 浙江大学硕上学位论文 平。图1 _ 4 所示为一个基于多相位倍压器结构的三级电荷泵，其中包括八个电路 状态，可产生电压增益为8 。在这个电荷泵的输出端，设计者用输出电容g o a d 来积累传递过来的电荷。如果用压控开关来实现该电荷泵，则需要一个三相位的 时钟对此电路进行控制。因为图1 2 中的电路受两相时钟控制，我们称之为“两 相倍压器结构，而图1 4 中的电路受多相时钟控制，因此我们称之为“多相倍 压器结构。 暑 c 嚣 栩赡一 c 脚 c 一 知口 e 毒 m 图1 _ 4 八状态多相倍压器结构 1 2 4 分数倍的降压器 c 删 e 嘲 c 删 在电子设备中，我们不仅需要较高的电压，还需要较低的电压，因此需要增 益倍数为分数的降压电荷泵。在传统升压电荷泵研究的基础上，设计者们衍生出 了一些关于分数倍增益的降压电荷泵的学术成果【8 】和商用芯片【9 】。 文献【8 】提出了一种n 级开关电容型直流直流降压变换器拓扑，如图1 5 所示 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明5 浙江大学硕士学位论文 s ck 图l - 5 分数倍增益降压电荷泵电路示意图 这个电荷泵电路包括一个控制器件s c 和n 级电荷泵。第一级包括一个输出 电容c l ，与其并联的有一个负载电阻r l ，同时所有其它的n - l 级电荷泵包括一 个电容和三个晶体管器件。这些半导体器件( m 、n 和s ) 都受到互补信号的控 制。 在文献提到的电荷泵中，在充电时钟相位，电容c l 和c i 都以串联的方式连 接在输入电源上；相应地，在放电时钟相位，电容都与负载电容和负载电阻并联， 把电荷释放到输出端。理论上说，电容两端的电压不会在电路结构改变时变化， 因此这样一个简单的降压器就得以实现了。电容( 包括c i ，c 2 ，c n ) 的个 数n 由所需要的降压比来决定。 1 3 研究目标、意义和难点 随着s o c 技术的发展和成熟，越来越多的芯片集成了数字电路和模拟电路 ( 称为模数混合信号电路芯片) ，但是电源管理系统集成的发展相对滞后。多通 道输出电荷泵的研究是一个新兴方向，它涉及的电荷泵要能够同时提供两路输出 电压，一路供给模拟电路，一路供给数字电路，保证整个s o c 芯片的正常工作。 这样的电荷泵具有广泛的应用前景，因此这方面的研究也就意义重大。 尽管多路输出电荷泵的应用广泛，但在商业产品方面只有很少的电荷泵具有 这样的特点，相关的学术研究成果也非常有限。即使有相关的产品，也通常是简 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 6 浙江大学硕士学位论文 单的两个或多个电荷泵的集成，没有涉及到电容和开关共享使用的思想，同时也 没有共享控制环路，这样的产品和学术研究意义不大。 我们需要设计的双端输出电荷泵要具有以下特点： 需要采用共享复用的开关电容阵列来降低成本； 两路输出，其中一路升压供给模拟电路，一路降压供给数字电路； 两路输出可以共享电流驱动能力； 设计的双端输出电荷泵要能够具有更多路输出的潜在能力； 设计的电荷泵要具有较高的效率。 同时，本系统采用t s m c0 3 5 u r nc m o s 工艺来实现，使得整个芯片面积下 降、工作频率增大( 因此外接器件大小变小) 且易于集成。用此工艺实现的芯片 不需要什么特殊的半导体器件，可以和受其供电的芯片在工艺上很好地兼容。 相应的，由于电荷泵电压转换器具有一些特有的缺陷，比如效率比开关电源 低，而且效率跟随输入电压变化( 具体在第二章有所介绍) ，在片上集成较多的 c m o s 开关，以及针对多路输出电荷泵的控制方法缺乏等。因此，要克服电荷泵 的这些缺陷，达到我们制定的目标，就成为此电荷泵设计的重大难点。 指导老师：吴晓波。赵梦恋作者：韩世明 7 浙江大学硕士学位论文 第二章电荷泵原理和传统电荷泵技术 2 1 电荷泵设计中的基本问题 开关电容型直流直流电压变换器利用电容作为储能元件，通过开关对电路结 构进行变化，根据不同的电路结构，将电能从电源传递到输出端，完成电压转换。 在这种电压变换器中，电路结构的变化一般通过时钟来控制，根据上文介绍，时 钟可以是两相的，也可以是多相的，在不同的相位，充电电容( f l yc a p a c i t o r ) 或 从电源处充电，或向输出电容( o u t p u tc a p a c i t o r ) 泵去电荷，顾名思义，这种电 压变换器又称为电荷泵。 2 1 1 电压转换比( 增益) 在我们分析电荷泵的理想电压增益的时候，基本上忽略了负载电流和导通电 阻的影响，因为这些因素会导致实际的输出电压下降，影响增益值的分析。 第一章简单介绍了几种电荷泵的基本原理：通过对倍压器的分析，我们得出 了它的增益为2 。现在以分压器( 即增益为0 5 x ) 作典型降压电荷泵的例子来分 析它的增益。 典型分压器的功率级电路示意图如图2 1 ， v o u r c l 图2 - 1 典型分压器电荷泵功率级电路示意图 首先需要振荡器( o s c ) 产生两个时钟信号m l 和0 2 ，这两个时钟信号必 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明8 浙江大学硕士学位论文 须是互补的，同时这两个时钟之间需要有死区( d e a dt i m e ) ，保证两个相位的开 关管不会同时导通。所有的开关都受这两个两相时钟的控制。当时钟l 为高时， 充电电容c l 的正极连接在电源端v i n ，而其负极连接在输出端点v o t r r ，也就是 输出电容c l 的正极，这时候通过充电电容c l 和输出电容c l 在电源和地之间形 成一条通路，从而使电容c i 和电容c l 都能从供电电源处得到电荷，所以这个相 位可以称为是“充电相位”。注意，这时候，从电容c l 通过的充电电流不仅流入 电容c l ，还有一部分流入负载，为负载提供电流。当时钟0 2 为高时，充电电容 c l 的正极连接在输出端点，即与输出电容的正极连接在同一点上，而其负极板 直接通过开关接到地。这时候通过开关的连接，实际上电容c l 已经和电容c l 呈现并联的电路结构，因此电荷会在电容c l 和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。同时，在这个相位，电容c l 和电容c l 之间传递 的电荷也会有一部分流向负载，为负载提供电流，所以这个相位可以称之为“电 荷平衡相位 。 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 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， 。+ = 其中，l ，比l 和分别是电容c l 和电容c l 两端电压和输入供电电压。 在第二个相位，有， 。= 因为我们已经假设电容两端电压不变，因此可以推得 v o u t = 。= = 三 其中v o t r r 为输出电压，因此可以看到，最终的输出电压是输入电压的一半， 因此称为分压器。 在电荷泵增益的分析中，很容易进入一个误区，那就是把电压增益简单地理 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 9 浙江大学硕士学位论文 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 x 的增益是由 电容c l 和电容c l 在西l 这个相位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，o 5 倍输入电压；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，我们在上文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，除开它而考虑充 电电容的取值，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( 如在简单分压器中，电容两端的稳定电压是o 5 倍输入电压) ，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， 因此不能像电感型变换器调节占空比一样连续调节。 2 1 2 开关管导通电阻 上文分析得到的电荷泵电压增益是理想中的电压增益，也可以说是电荷泵可 以产生的最大电压。但是，在实际中，电荷泵的性能会受到很多其它因素的影响， 其中很重要的一个就是开关管的导通电阻。 导通电阻最大的影响有两点，其一是充电放电电流流过导通电阻，会在导 通电阻上产生较大压降，导通电阻上的压降越大，充电电容和负载电容上充得的 电压就越小，相应地最终输出电压就越小，也正是考虑到这个因素，设计者们才 会用开关管取代d i c k s o n 电荷泵中的二极管作为电流导通关断元件：另外，在导 通电阻上会产生较大的功率损耗，不仅影响整体效率，也会产生较多热量，对芯 片散热产生问题。因此，除了使用开关电阻值作为电压调制的电荷泵，其它电荷 泵中的导通电阻都要做得尽可能小。 在现在常见的电荷泵稳压器中，功率开关管一般是片上集成的c m o s 开关 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明l o 浙江大学硕十学位论文 管( 有的直接单独用p m o s 或n m o s 实现) 。这些功率开关管在受到驱动开通 时，一般处在晶体管的深线性区，体现大信号电阻的特性，其导通电阻可以看成 是 2 瓦甄1 鬲 c 0 ( 一) 从上式可以看出，导通电阻的大小主要与开关管的宽长比和驱动电压 大小有关，要想得到小的导通电阻，就必须增大开关管的宽长比，即增大了面积， 或者增大驱动电压。同时，在实际电路中，功率管的导通电阻受到很多因素的影 响，比如版图设计，与其连接的金属线的宽度和长度等；因此，最好的确定导通 电阻的方法是通过仿真和后仿真来确定。把开关管放到系统工作环境中进行后仿 真，因为其体现大信号电阻的特性，所以可以直接按简单公式得出 ：华 其中a v 是导通电阻两端的瞬态电压，是流过导通电阻的瞬态电流。 2 1 3 功率损耗分析 在任何一个电源管理系统中，系统在电能转换过程中损失的功耗都可以用以 下的公式来表示 最。醛= 一e o 盱= k 一易 其中，p l o s s ，和尸o u t 分别是功率损耗、输入功率和输出功率；而， s u p ，v o ，o 分别是输入电压，供电电流，输出电压和负载电流。 在一定的工作情况下，考虑稳压输出，即输出电压不变，而南是由负载 决定的，也没有变化，所以要降低功率损耗就要减小供电电流，s u p 了。在一 个电荷泵稳压器中，消耗的供电电流主要来自以下几个方面 1 0 ，1 1 】： 1 )片上功率开关管导通电阻上的损耗，户尺0 n ，其中j 是流 过开关管的平均电流。在升压电荷泵中，开关管上流过的电流一般 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明1 1 浙江大学硕士学位论文 比负载电流更大，与升压的倍数有关，因此在升压电路中，尤其要 注意开关管导通电阻的大小。 2 )片上功率开关管的驱动损耗。由于m o s f e t 开关管的面 积较大，因此在其栅极节点具有较大的寄生电容。当开关管开通或 关断时，需要驱动电路对其寄生电容进行充电放电，造成功率损耗。 对于一个具有c 的栅极寄生电容，以厂为开关频率，矿为驱动电压 的开关管来说，它的驱动损耗是o s c v ! r , 从此式可以看出，要减小 驱动损耗最有效的办法就是降低开关频率。 3 )片上功率开关管的开关损耗。开关管导通时，理论上其 两端电压为零而电流不为零；开关管关断时，理论上其两端电压不 为零，但是电流为零；但是，在开关管开通或关断过程中会有一小 段时间，开关管两端电压不为零，而且电流也不为零。在电压和电 流交叠的这段时间里，开关消耗的功耗称为开关损耗。开关损耗直 接和m o s f e t 开关管的大小和开关频率有关。因此，减小开关损耗 最有效的方法也是降低开关频率。 4 ) 电容串联电阻上( e s r ) 的功率损耗，妇e s r 。 5 ) 静态电流( i q ) 功耗。在一个电荷泵稳压器中，需要许 多模拟、数字的控制电路，它们也会消耗一定的功耗。在测量这部 分功耗时，可以将输出空载，此时的输入电流就几乎全部是静态电 流贡献的了。 综上所述，为了减小整体的功率损耗，最行之有效的方法就是减小开关管的 导通电阻，降低开关频率( 可以采用多模式等方法) ，以及使用低压低功耗的控 制电路。 2 1 4 电能转换效率 对于没有经过电压电流调制( 即输出是稳压或稳流) 的电荷泵来说，能量 的损失会出现在开关管的导通电阻上，开关损耗，或者d i c k s o n 电荷泵的二极管 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 1 2 浙江大学硕士学位论文 等地方。如果是经过调制的电荷泵，其效率就决定与输出电压或电流。我们就以 一个输出电压恒定的倍压器作为典型分析一下电荷泵的理论效率，在此分析中先 不考虑开关损耗、驱动损耗等。 图2 - 2 倍压器电路示意图 在第一个相位中，令电源输入电流为 ，则电容c l 上充到的电压为 _ 2 吉n 出 电容c 2 此时在单独向负载放电，因此，电容c 2 下降的电压是 4 = 专n 西 在第二个相位中，令电容c l 的放电电流是如，则c l 上下降的电压是 矗。击e ：厶函 电容c i 的放电电流有南部分流入负载，其余进入c 2 ，所以电容c 2 在这个 相位升高的电压为 ：b2 虿i ：( 厶一j r 渺 因为在稳态时，电容在两个相位上升的电压和下降的电压分别相等，因此有 a 屹l _ = a l 口 a 圪2 彳= a 圪2 丑 解上述方程可以得出， 指导老师：吴晓波，赵梦恋作者：韩世明 浙江大学硕十学位论文 令功率损耗对应的损耗电流是 k = 管 则可以得出，一个周期内的效率为 打： 丝生! ： 匕生三 ： 匕 l v l n 2i d t + y l n l o v l n 2 1 0 1 + y l n i 毒2 v l n + v l n i 掷| 1 0