低功耗電荷泵DCDC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計_圖文

1、電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文低功耗電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 姓名:楊志江申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):微電子學(xué)與固體電子學(xué) 指導(dǎo)教師:李肇基20060501摘要摘要高效率、低成本和低噪聲己成為便攜式設(shè)備中電源管理芯片的發(fā)展方向。其 中,電荷泵電路采用電荷轉(zhuǎn)移方式工作,在不需要電感元件情況下可實現(xiàn)一定升 壓,因此這類電源管理芯片在中低功率的應(yīng)用中倍受歡迎。該文分析設(shè)計的一種 低功耗電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換電路源于和海外公司的合作項目。它采用0.5微米標準 CMOS工藝制成,輸入電壓范圍為2.OV5.5V,且輸入電壓高于或低于輸出電壓時, 輸出電壓都可保持穩(wěn)定的低紋波輸出,并能自動工作于升壓或降壓模式。該

2、電荷 泵電路采用跳周期調(diào)制方式(PsM,有效的降低了芯片功耗,特別在輕負載情況下 提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。在典型情況下,芯片滿載時的靜態(tài)電流為lmA,空載時 的靜態(tài)電流僅為60uA,關(guān)斷電流小于O.01uA。電路還具有軟啟動、過熱保護及過 流保護等多重保護功能。在電路設(shè)計中,首先分析了跨周期調(diào)制的電荷泵Dc/Dc轉(zhuǎn)換電路的基本原理, 然后推導(dǎo)出電荷泵等效模型,以此為理論依據(jù)分析了電荷泵的兩種控制模式:線 性調(diào)制模式和跳周期調(diào)制模式。通過兩種調(diào)制模式優(yōu)缺點的比較并根據(jù)芯片低功 耗要求,選用跳周期調(diào)制模式進行了電路的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。在予電路設(shè)計中,作 者比較深入分析的內(nèi)容有:基準電路的原理及低電源電壓

3、下基準電路的設(shè)計:振 蕩器和控制電路中尖峰脈沖噪聲抑制、兩分頻電路及死區(qū)時間設(shè)定;驅(qū)動及模式 選擇電路中開關(guān)管的寬長比的選擇及模式轉(zhuǎn)換點的設(shè)計。在完成電路原理分析與電路設(shè)計的基礎(chǔ)之上,還應(yīng)用EDA軟件HsPIcE對各 個子電路模塊和整體電路進行了功能仿真及量化模擬。其中,整體仿真指標包括:芯片線性調(diào)整率和負載調(diào)整率、轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓紋波、芯片靜態(tài)電流、最大 負載電流、輸出電壓溫度特性及短路負載電流。仿真結(jié)果均達到預(yù)定指標,驗證 了作者在第二章中闡述的電荷泵Dc仍c轉(zhuǎn)換器的設(shè)計理論,是設(shè)計理論與實踐相 結(jié)合的一次有價值的嘗試。關(guān)鍵詞:電荷泵,Dc/Dc轉(zhuǎn)換電路,跳周期模式,線性模式AbstnI

4、ctHigll e伍ci吼cy10w cost a11d low noise arc bccomi芏19the development trend of DC,DC regulations due to the popularization of portable equipmentspo啪d fi伽 b暑吡ery.In tlle regIllationshnds,charge pump conVertcrs use c印acitors to storc and 協(xié)msfer energy and can work weU forst印up謝tllout也e need for a11洫duct

5、oL Therefore,印plicadons tllat nced low or medi岫power盯e making cha培e pump moreand more ath卸mvc.A low powerdissipation charge plmlp DaDC converter circ疵 llsing 0.5岫CMoS technology is presented m nlis p印er.T11js converter can gcnerate high precise output regulatio謝m麗de input voItage raIlge of 2.OV to 5

6、.5V The input voltage may vary aboVe ad below the ou印ut Vol扭ge atld tlle ol卸ut、ill remain i11reglll撕on wi也low ouq,ut voltageripple.Witll也e“Skip”modulation tcchIlique, quiescent cllrr即t a埠reduced to a minilIlized value of lmA with削lload,60uA謝tll n0load,aIld less tllaIl O.01uA in shutdown mode.111is c

7、onverter is thennally pmtected and cl】I瑚t lilIlited,protecting t11e10ad距d reglllator dl血ng fhult c鋤碰tions. In thedrc血dcsign ch印ter;tlle b嬲ic cllarge pump ope硎on pdnciple and eqllivalent circuit modelare givcn first.Then two control modes,pulskip mode aIld linear mode,are蛐aly踴d.Pmse skip modc islecte

8、d todesi印讓嗆whole chipo刪盟廿on趾d sIl_b block circllitcord協(xié)g to me comparison of廿le two con仃olmodes鋤d吐圮咒qllir咖ems of lOw powcr dissip撕on.Ill t11e sub block circuit desigIl,tlle contents tllat tlle aIltllor had introduced include:tlle principle of b甜ld gap voltage reference鯽d me desi印tecllniquein low p耐s

9、llpply;me刪ysis of spike plllse noise reje“011,舶queIlcy divider趾ddead tinle in oscill粕f and co曲Dl circllit;me selection ofme widtll鋤d kng山mtio offollr剛tdhes髓d 2lx modechange point in driver and moiIc selection circllits. B嬲ed on the cIlarge p啪p principle a11alysis趾d circllit design in血e begin.mgc11ap

10、ters,tlle au也or siInulated all mc眥b block circllits髓d whole cI卸circuit by印pIy啦EDA t00ls HSPICEandewlo百c.The t慨cal pe墑m姐ce ch撇cteristics include:nne and load訂趾si咖response,emci%cy,o呻m vol協(xié)ge ripple,qlliescent c唧nt,maxiInllm load creIn,ou中ut V01tage tempemtIlre charactcristics and the shon TIci搦吐l lo醴c

11、娃娌e盤。T孰sim堪a蛀on嫦s玨婦i槭cgte f漩也e Ic h嬲婦i啪d董kexpec栳嶇oIl,botll fIlllmit捧rl筘t鋤d electrical ch刪毗eristics-觸血ou寒h也e糟a陀 瑚肼odable最s嬲vantages oft啦s酬e甌娃is a worlhw】lile蛆d Val眭ble螄erien。 Key words:C瓣p刪曄,DemCC鋤慨Pmse S碰Mode,“黼齟Mode 獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工 作及取得的石開究成粱。據(jù)我所知,除了文中特別加以標注和致謝的地 方外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰

12、寫過的研究成果,電不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或遷書薅侵用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。簽名:聿缸汪 目翔:御年f月硼 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定,有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤,兔誨論文被查閱和氆嘲。本人授權(quán)憊予科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。(保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定簽名:整塹i竺 導(dǎo)師簽名:第一章引言第一章 引言電源是電子產(chǎn)品中一

13、個組成部分,為了使電路性能穩(wěn)定,往往需要穩(wěn)定電源。 便攜式電子產(chǎn)品采用電池供電,如何使穩(wěn)壓電源部分性能滿足電路的要求、并且 耗電省(能延長電池的壽命、安全性好、占空間小、重量輕成為設(shè)計便攜式電子 產(chǎn)品中一個重要任務(wù)。近年來,各種便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展迅猛,特別是手持式計 算機、移動通信裝置、視頻或音頻產(chǎn)品、照相機、醫(yī)療儀器及測試儀器等發(fā)展更 為神速,隨之發(fā)展的是各種新型電源Ic。電池的廣泛使用,給這一類電源帶來特 殊的要求:高效率、靜態(tài)電流小、很小的面積、低重量并且價格便宜q正是基于 這些特殊要求,電荷泵電路在中低功率應(yīng)用中成為各設(shè)計公司首選。2005年,電源管理IC市場呈現(xiàn)出快速增長的勢頭,除了

14、在傳統(tǒng)的白色家電市 場,2005年電源管理Ic的熱點應(yīng)用還主要集中在計算領(lǐng)域,主要包含臺式電腦、 筆記本電腦和游戲機。各種終端產(chǎn)品的日益普及和功能的不斷增加,對電源管理 Ic產(chǎn)品提出了更高的要求。目前,電源管理芯片發(fā)展的熱點表現(xiàn)在以下三個方面: (1降低功耗12J。在AC/DC應(yīng)用中,例如vCR、SVR、STB、DVD和DVCD 播放器、打印機、傳真及掃描設(shè)備中的開關(guān)電源,要求的是高功率效率,而待機 功耗是其中一大關(guān)鍵。在手機等DC/DC應(yīng)用中,要求的是功率管理。由于電池技 術(shù)很難追上增添這么多種功能對功率的需求,各大設(shè)計公司必須提供產(chǎn)品以優(yōu)化 電池壽命。在2005年,飛兆半導(dǎo)體公司推出了業(yè)界

15、首個串化器,解串器解決方案, 提供極佳的待機功耗。此外,通過整合多種功能、通過功率因數(shù)校正或采用準諧 振回掃式功率設(shè)計等拓撲結(jié)構(gòu)降低系統(tǒng)的待機功耗、EMI輻射、總體元件數(shù)目及 電路板空間。此外,國家半導(dǎo)體2005推出了工業(yè)上第一款數(shù)字控制的Pawerwise 系列能耗監(jiān)控元件,能夠降低電池驅(qū)動的手持產(chǎn)品數(shù)字處理器的能耗。微芯公司 在其PIc單片機和低電源模擬產(chǎn)品生產(chǎn)線產(chǎn)品中引入了片上納瓦技術(shù),在電源關(guān) 閉或休眠模式情況下只需要毫微瓦特的電流。(2高度集成化剛14】。電源管理芯片的另一發(fā)展趨勢是在更小的硅片上集成更 多功能特性,以更好的設(shè)計靈活性實現(xiàn)更強的系統(tǒng)用電性能,而不會增加成本。電子科技大

16、學(xué)碩士學(xué)位論文多個單一功能的電源管理器件組合的方法將會被類似PMU(電源管理單元的芯片 取代。例如,國家半導(dǎo)體的多功能電源管理單元LP3970內(nèi)置了11個線性穩(wěn)壓器、 2個Dc/Dc降壓穩(wěn)壓器、1個后備電池充電器及4個通用輸出,可為處理器提供 穩(wěn)壓供電。處理器也可以對LP3970進行數(shù)字控制,根據(jù)負載情況動態(tài)調(diào)節(jié)電源電 壓來減小功耗。Ma【im公司推出的MAx862l電源管理芯片,內(nèi)部集成了2個 Dc/Dc降壓器、4個線性穩(wěn)壓器、1個復(fù)位定時器和1個驅(qū)動器,而占面積僅為 16mm2。(3白光LED驅(qū)動瞪l。便攜式產(chǎn)品為LcD顯示器提供背光的光源是系統(tǒng)中耗 電量最大的部分。由于功率限制日趨苛刻,

17、因此功耗較低的白光LED仍然是最佳 選擇。眾多著名設(shè)計公司均正在開發(fā)結(jié)構(gòu)更緊湊、背光效率更高的自光um驅(qū)動 電路。此外,新一代的OLED顯示器的應(yīng)用也逐步升溫,各設(shè)計公司也正努力擴 展這方面的Um驅(qū)動。便攜式設(shè)備的廣泛應(yīng)用,將對電源管理形成大量新的需求。為了支持日益復(fù) 雜的系統(tǒng)電源要求和新功能,各大芯片設(shè)計公司提出了先進的、各具特色和尺寸 越來越小的電源管理解決方案。各種解決方案均需在效率、封裝尺寸、和成本之 間反復(fù)權(quán)衡,但小尺寸封裝的散熱能力不及大尺寸封裝產(chǎn)品,迫使提高器件的轉(zhuǎn) 換效率。因此,開關(guān)調(diào)節(jié)器正在取代線性調(diào)節(jié)器,以延長電池的工作時間,但噪 聲和電磁干擾的問題也隨之而來。然而,許多便

18、攜式設(shè)備都具有無線電電路和射 頻接收器,對噪聲都十分敏感。因此作為噪聲發(fā)生器的開關(guān)電源,勢必對這些敏 感電路形成潛在干擾。在傳統(tǒng)的解決辦法是使噪聲發(fā)生電路遠離對噪聲敏感的電 路。然而,當今的便攜式產(chǎn)品中,由于系統(tǒng)內(nèi)部布局非常緊密,這種做法已不再 可行,而加設(shè)屏蔽的方案則會因為成本和尺寸方面限制,變得不切實耐6J。一種切實可行的方案是使用高效率、低噪聲、低成本、無電感器型的電荷泵 Dc巾c轉(zhuǎn)換電路。在不需要外接電感元件的情況下電荷泵能實現(xiàn)一定的升壓。由 于無電感元件,所以克服了基于電感的功率源可能帶來的EMI問題,并且其效率 較高(可達90%,所占面積小,并且設(shè)計也較簡單,價格也較低,缺點是在多

19、檔 升壓至高電壓時卻存在效率急劇下降,且損耗發(fā)熱量增加的問題。因此,在需要 利用多檔升壓來實現(xiàn)高工作電壓的手機電源電路中,電荷泵電源的應(yīng)用范圍就受 到了限制。不過,在所需電壓不高、所占Pc板面積小、效率高、低噪聲和低成本2第一章i言鮑寢用中,噬蕊泵電源戲必備廠家的善選【7l。墾裁,因際黧內(nèi)在如何減小電耱泵的 功耗、噪聲及增大輸出功率方面進行了較為廣泛的研究。因此,本論文藏是基于 電焚泵低功耗、裹效率的蘩求進符設(shè)計的。采用霹周期控制模式,勢采用舞壓和 降壓自動轉(zhuǎn)換有效的提高了效率。所設(shè)計出來的芯片具有較廣闊的市場應(yīng)用前景。本謙澈戇強稼楚采蔫O.5鼬標準cMOS工藝寵成低秘耗電蘅聚Ic靜設(shè)計,勢

20、采用HsPICE進行仿真驗證。基本指標:輸出電壓為3.3V(or 2.5V佗+7v/3.OW5V; 輸入毫蓮藏圍秀2。卜5。5V最大輸密邀浚5婦遮;開關(guān)顙率為l凇%爨蓬效率 為90%;輸出電壓紋波典型值為40MvP-P;靜態(tài)電流典型值60uA;關(guān)態(tài)電流小于 。Ol娃;王佟瀣度藏匿.豹豐125;其壽軟啟動、轅出短鼴鐮護及避湛撩護襲憨。本文的主要工依是分櫥設(shè)計一耪自動勢降壓型低功耗漱蘅泵憊路。第一章介紹了電荷泵理論意義和實際價值并且提出了本課題簧達到的目標。 第二章酋先闡述了PSM調(diào)制的逛赫泵電路的童傳原理,得到丁其等效模型。 根撼等效模型分析了電荷鬃電路的參數(shù)指標及意義。最后分析了魄荷泵的兩種控

21、 制模式(線性模式和跳周期模式缺點,并根據(jù)應(yīng)用的霰要選取跳周期模式館為系統(tǒng) 整體架構(gòu)設(shè)計。第三章中,根據(jù)系統(tǒng)撰標的簧求,對本課題中的予電路模塊讖行詳細分析和 設(shè)計,包括:%w,電荷泵電路工作于l倍模式。Q1、Q3一直關(guān)斷,Q4閉合,僅 Q2受時鐘幣2的控制。1倍模式時輸出電壓及Q2的調(diào)制波形如圖2.2(B所示。電 荷泵的工作過程同樣分為開啟和跳周期階段。在開啟階段,Q2導(dǎo)通時,電源直接 對負載電容充電,輸出電壓上升,Q2關(guān)斷時負載從coLrr上汲取電荷,輸出電壓下 降,造成電壓紋波。經(jīng)過個周期的開啟階段后,輸出電壓逐步升高,當輸出電 壓過高,電荷泵工作于跳周期階段,電荷泵會根據(jù)負載電流大小跳過

22、m個周期。 此時僅負載從coUT上汲取電荷,輸出下調(diào)。下面將定量的分析PsM調(diào)制的2“1x 電荷泵輸出輸入關(guān)系,并得到等效模型。從圖22中看出,當負載大小不同時,PsM控制信號將跨過一定的周期不工 作,從而穩(wěn)定輸出電壓。而在開啟階段四個開關(guān)的工作頻率,固定,占空比D為 50%。設(shè)開啟階段的周期數(shù)為n,而跳周期階段跳過的周期數(shù)為m。定義PsM調(diào) 制模式下的調(diào)制度:M=一形=%圳 (2-1 其中石為開關(guān)的有效工作頻率,為未跳周期時開關(guān)的工作頻率,是不變量。 乒,所以O(shè)Msl。把上式表示為工的形式:石=(1一f, (22 則圖2-2中平1、啦的調(diào)制波形可等效為圖2-3中所示波形。在有效工作周期瓦內(nèi),

23、四個開關(guān)的導(dǎo) 適時間不變,為:=D肜2膨 (2-3 而四個開關(guān)均關(guān)斷的時間%職為:孫=兀一:=尚cz4, lM, 、 7乃。南I.1. I 1廠T廠 甲2幾廠I I f IT._卜lTon Ton Tbfrd B C圖2-32倍模式時甲1、啦 的等效調(diào)制波形當輸出電流不同時,可等效為控制殤盯的大小來穩(wěn)定輸出電壓。因此,2倍 型電荷泵電路在一個有效周期疋內(nèi)有A、B和c三種不同的工作階段【1o】【111,如圖 6第二章電荷泵電路工作原理分析2-4所示。為討論方便,只考慮四個開關(guān)管的導(dǎo)通電阻Ro及泵電容的串聯(lián)等效電 阻ESR,并假設(shè)四個開關(guān)管的導(dǎo)通電阻相等。厶和厶分別是A階段和B階段的平 均電流。圖

24、2.3中標出了A、B、C三個階段對應(yīng)的時間。如果電荷泵輸出己處于穩(wěn)定 狀態(tài),則A階段對泵電容充的電荷應(yīng)該等于B階段泵電容所放的電荷,因此 。z撕2厶。Z抽 (2_5I一個有效工作周期瓦內(nèi)輸入平均電流b為m:坐孕嬰:2如乒上W =一 =Z 囂D n lZO t只有在B階段,泵電容才會對CoUT充電。而在三個階段caLrr都對負載放電。故coLrr在B階段所充的電荷應(yīng)該等于在一個有效周期瓦內(nèi)CoUT對負載所放的電荷,即,ow冗=厶7。 (27所以,。w=如7.0乒 (2-8比較式(2-6和式(2-8,可得輸入輸出電流 關(guān)系為 圖2_42x電荷泵在一個周 期內(nèi)的三種狀態(tài)五=2而w (29下面討論輸出

25、電壓和輸入電壓的關(guān)系。在A階段,泵電容兩端電壓為脅一=一2脅一E豫厶(2-10 在B階段,泵電容兩端電壓為陸一口=%叮一踟+2RD厶+ESR厶 (2一11 泵電容上的電荷在A階段和B階段之差就是在一個有效周期疋內(nèi)流向負載的 凈電荷,因此Q=99電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 把公式(28、(29、(2lO和(211帶八【2lnJ得Q=。2踟一乃wc筆水R洲北勰所以,在一個有效周期疋內(nèi)的平均輸出電流可寫為如w=二Q=乒?？?2一%wc憊搿胄洲化艘把(214表示為%叩的函數(shù),得pow:2%,一如?！綺L.+蘭墨!蘭一+壟嬰1蓐D,(1一MD(1一MD。 帶入,;:fl一吖r及D:0.5,匕式化簡為: (

26、213 (2-14 (2一15%計=2P知一f蘭等【.=_去+8脅+4礎(chǔ)】 (2.16 1一M廠CP啪 。從公式(2.16很容易得到PsM調(diào)制下2倍型電荷泵電路的等效模型為一個電 壓源和三個等效電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu),如圖2.5所示。其中包括了輸出負載電容的串聯(lián) 等效電阻E奴。從等效電路可看出,在PSM調(diào)制模式下,當負載電流變化時,可 通過改變調(diào)制度肘來調(diào)整電荷泵的等效電阻得到穩(wěn)定的輸出電壓。例如,當負載 電流減小,電荷泵工作的周期數(shù)n減小而跳過的周期數(shù)聊增加,調(diào)制度M增加, 因而增大了等效電阻,穩(wěn)定了輸出電壓。此外,在線性調(diào)制模式時,塒踟,系統(tǒng) 通過調(diào)制矗D大小穩(wěn)定輸出電壓。因此當仁O時,圖2.5就

27、轉(zhuǎn)換為線性控制模式 時電荷泵的等效電路。圖2-5PsM調(diào)制時2X電荷泵的等效電路8第二章電荷泵電路工作原理分析當自動升壓降壓電荷泵工作在l倍模式時,同樣可以通過調(diào)制度M來得到1倍模式的等效模型。開關(guān)Q2的等效工作頻率也用公式(2.2表示。開關(guān)Q2的等效 調(diào)制波形如圖26所示。在一個有效周期兀內(nèi),Q2, 的導(dǎo)通時間不會改變,可用公式(23表示。而Q2跳“口一腳t, 周期的時間為:P2一。廣j廣一 脅=兀一=焉二篆(217 矗一:2nM1,、7:1=:。 則此時電荷泵在一個有效周期乃內(nèi)也可分為A、d 四 B兩個工作階段,如圖2.7所示。兩個階段對應(yīng)的時圖2-6l倍模式時開關(guān)管Q2的 間見圖2.6。

28、厶表示A時間段的平均電流。等效調(diào)制波形IA Q2口.嚴衛(wèi)a IIo玎 Rm圖2-71X電荷泵在一個周期內(nèi)的兩種狀態(tài)如果電荷泵輸出已處于穩(wěn)定狀態(tài),顯然只有在A階段才會有輸入電流厶。則 在一個有效周期疋內(nèi)輸入電流平均值為肌=厶Z(2-18 而在A階段電源對coUT充的電荷應(yīng)等于在一個有效周期疋內(nèi)CoLrr對負載放的電荷,所以 厶w=厶(2-19比較上兩式可看出,輸入平均電流和輸出平均電流的關(guān)系為 h=而w (2.20 下面討論輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系。在A階段的平均電流大小可表示為 厶:墮二墜 2RD (221電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文上式帶入式(219,整理后司得如w:挲乒 (2-22 2R。 。

29、 、 。 把式(222表示成%叮的函數(shù),并把公式(22、(23帶入得踟w:踟一如x黑 (2.23 fl一朋。D 、 7在PSM調(diào)制下,D:o.5,上式簡化為%盯:踟一,0w蕓墮熹 (2.24 (1一M 、 7從公式(224可得PSM調(diào)制的1倍型電荷泵等效電路,見圖2.8所示。其中包 括了負載電容的串聯(lián)等效電阻E鼬。在PsM調(diào)制模式下,當負載電流變化時,為 了得到穩(wěn)定的輸出電壓,可通過改變調(diào)制度M來調(diào)整電荷泵的等效電阻來實現(xiàn)。 在線性調(diào)制模式下,公式(2-23中膨=o,D=l,則等效電路中等效電阻為馱D,可 通過調(diào)制足D來穩(wěn)定輸出電壓。躲唧圖2-8PsM調(diào)制時1x倍型電荷泵的等效電路1、輸出電壓

30、%盯從上兩節(jié)的分析可以看出場盯:2一黑【熹+8鼢+4腳】(2xmode 1一M廠CP啪 。 、 7脅:踟一砌!墨竺(1一M10(1xmodc第二章電荷泵電路工作原理分析在以上公式中,控制導(dǎo)通電阻R0或者控制調(diào)制度M來得到穩(wěn)定的輸出電壓, 這兩種控制方式分別為線性模式(Linear Mode和跳周期模式(Pulse sKp Mode。 2、輸出電壓紋波p諱輸出電容caUT在一個周期內(nèi)會被充放電,因此造成輸出電壓紋波。在實際應(yīng) 用中,輸出電壓紋波需控制在一個較小的范圍內(nèi)。下面討論2倍和l倍模式的輸 出電壓紋波和哪些參數(shù)有關(guān),并提出減小紋波的方法。(1升壓模式(2x mode在A和c階段,只有負載從

31、輸出電容汲取電荷,因此輸出電壓會下降%w, 即輸出電壓紋波,所以可得腸。:魚!蘭!墊!堡2cD叩 從(2.16式中解出10UT,并帶入上式可得%1w=l 一 (為w (2-26 (2降壓模式(1x mode 在B階段,只有負載從輸出電容汲取電荷,因此輸出電壓會下降%w,即輸 出電壓紋波,所以可得 踟w:絲!蘭蘭竺(227cDw 從(2.24式中解出IoLrr,和公式(2-17一起帶入上式可得 %時:!垡二絲型蘭!絲!8R。(1D計/。 從(2.26、(2-28可看出五點:第一,在%盱一定的情況下,輸出電壓紋波和 輸入電壓成正比;第二,當p知一定,輸出電壓紋波和輸出電壓成反比;第三,輸 出電壓紋

32、波和頻率成反比;第四,增加CoUT或減小CPum可有效的減小紋波。但 重要的是,減小CPum會影響系統(tǒng)的輸出電流驅(qū)動能力;第五,負載越輕,調(diào)制度 肘越大,因此紋波越大。3、效率在便攜式設(shè)備中,效率是最重要的指標。電荷泵電路的效率可由輸出功率和 輸入功率之比得到絲一 器嘏予科技大學(xué)碩士學(xué)位論文雅嘲(%=等=等等 , 粕可由兩部分組成:系統(tǒng)的靜態(tài)漱流電,和對泵電容充放電的電流。則(229 式可筲成如下形式黔呻(%=意篆驀筆b s妨當是舞壓模式時掰=2,降醫(yī)模式融圩=l。如果忽臻龜,則電茍漿電路黔效率 估算公式為雅嘲黝=篆 辨嘞渤=等 (2x mo玉(1x m醚ef2-31 (2-324、電滾輸出熊

33、力電荷泵的電流輸出能力和輸出電援、泵電容大小及開關(guān)頻率有密切關(guān)系。由 公式(2-16和(2塒,褥如胛:上竽塑坐墜坐生 (2x mode (2m 0盯=一 ZX m0eJ l ZJj, 蔓+8置幫+4勰fxCP御玉滯:壁塹二絲羆譬玉!二絲 (1x麓&稼.3的 4震洲 。 。 從上面鹺個公式砸褥出五點:第一,拜篷翻降壓模式的魄流輸出能力均粒輸 入電鹺成正比;第二,電流輸出能力和輸出電艇成反比。第三,盡量減小矗洲可 提高電流輸出能力。不過開關(guān)鐐的面積及動態(tài)功耗(即對開關(guān)柵電容充放電造成的 功耗均增加,影響轉(zhuǎn)換效率。第霸,對升壓模式來說,增大cP哪及增大開關(guān)頻 率,可提高輸出電流能力。第贏,驅(qū)動電流越

34、小,則調(diào)制度材越大,即系統(tǒng)跨過 的瘸麓數(shù)越多。2。2。|裂周期調(diào)制模式和線性諼制模式的較為了穩(wěn)定輸出電壓,電荷漿電路需騷用負反饋進行控制。從公式(2-16、(2也3 可瀲蓉掰,控制鼢或調(diào)稍度掰靜大小可以得掰穩(wěn)定輸出電邋。兩個控制變量對 應(yīng)不同的控制方式【12】【13】f14】:線性模式(Linear Mode和跳周期模式(skip Mode。籀二章電荷泵電路工作原理分析們2圈2母工作在線性模式的電旖祭拓撲結(jié)構(gòu)圖2110工作襁跳周期模式的電荷泵拓撲結(jié)構(gòu)在戥周期模式下夔撼羚結(jié)奄。反饋嬲絡(luò)由分壓電阻Rl、R2巍遲澇比較器暖ystofetic comp刪組成。和線性橫式不同的是,跳周期模式工作于一種火

35、信號狀態(tài)。當 魄醚耀高于遲滯比較器的上遲滯電愿圪孵孵,比較器輸出信號關(guān)凝振蕩器,此時 四個開關(guān)均關(guān)斷,輸出電容提供負載所需黌的全部電流。潞輸出電容上電壓逐漸 減少到小予比較器的下遲滯電壓璩掰,比較器輸出信號開庭振蕩囂,電費泵正常 工體,通過泵電容搬電荷從輸入轉(zhuǎn)移封輸出。線性模式(Lillear Mode和跳周期模式(S軸p Modo是電旖泵控制中兩種常用螅 嗽電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文模式,他們的區(qū)別主要有以下三點:1、靜態(tài)電流坫電荷泵靜態(tài)電流是指由p知提供,但并未經(jīng)過CPuMP并輸出到CoUT的電流。它由兩部分組成:七日和七,。其中,五筘是電荷泵控制電路的靜態(tài)偏置電流,如基 準源、比較器等的靜

36、態(tài)偏置電流,在系統(tǒng)的工作過程中基本上為一常量。b是系 統(tǒng)工作過程中,在一個有效周期乃對開關(guān)柵電容充放電的平均電流,如果開關(guān)管的柵壓為%叮,則,。為而:如+掣 (2-35o其中,對2倍模式,c=4阢踟。對1倍模式,C=耽C鈿。當工作于線性控制模式時,L=r;而跳周期時,Lr。可見,不管是l倍 模式還是2倍模式而(船fp如凼而(工加ear一幻出特別是在輕負載情況下,跳周期模式的島要遠小于線性模式,因此跳周期模 式有助于提高在輕負載時系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。2、輸出電壓紋波公式(2-18、(2-20分別為2倍和l倍模式時的輸出電壓紋波,即腸。:壘堅蘭!塑墨翌2 CD卯%。:生!蘭墮 CDw(For2xmod

37、e (For 1xmode當工作于線性模式時,z0阡=0;而跳周期時,%蒂加。可見,不管是l倍模式 還是2倍模式%w(蕊印一如如p%w(三艦咿一肘礎(chǔ)3、輸入電流紋波電荷泵電路的主要缺點之是在開關(guān)過程中,造成較大的輸入電流紋波。圖 21l、圖2.12分別是跳周期控制模式和線性控制模式時的輸入電流紋波151(只分 析工作于升壓狀態(tài)的情況,降壓狀態(tài)的情況同理。輸入電流隨開關(guān)QlQ4的開 啟和關(guān)斷而周期性變化。當開關(guān)Q2、Q3開啟,輸入電流突然上升,隨后按指數(shù) 關(guān)系下降,下降程度由充電回路的電阻和泵電容乘積決定。當Q2、Q3關(guān)斷到Q1、14第二章電荷泵電路工作原理分析Q4開啟這段時間為死區(qū)時間(Dea

38、d Time,目的是防止四個開關(guān)同時導(dǎo)通而對地產(chǎn) 生很大的電流。因此在死區(qū)時間四個開關(guān)均關(guān)閉,輸入電流突降到零。死區(qū)時間1廣寸廠 啦廣1rI_十。j二型二盟. 1丁1rr p 1廠一 圖2-12工作在線性模式時輸入電流紋波結(jié)束后,Ql、Q4開啟,輸入電流和上一變化相同。圖2-8中r0船的時間段為輸 出電壓高于了上遲滯電壓,四個開關(guān)均關(guān)閉,因此輸入電流為O。本論文所設(shè)計的低功耗電荷泵電路原理圖如圖2.13所示,是基于電荷泵跳周 期控制模式而設(shè)計。四個開關(guān)是由工作在線性區(qū)的MOS管組成。其中Q3為NM0s 管,其他均為PMOs管。電荷泵有兩種工作模式:升壓模式(2x和降壓模式(1x。 當工作在升壓

39、模式時,在一個周期的上半個周期,Q2、Q3開啟,電源對泵電容充飄子稃技大學(xué)碩士學(xué)位論文電。稀下半個溺麓,聚電容淘負載毫籜放電,毅提供受載繇鬟豹輸爨電滾。澎輸 出電壓過高時,輸出的分壓信號玩刪高于比較器的上遲滯電壓時,比較器輸出 痿號關(guān)顴叛蔟器,酉個努關(guān)鷺笑淹,系統(tǒng)撮攆受載電流夫,j、霧遂一定豹黌鬻。忿 時僅有負載電容對負載放電。巍輸出電壓逐步減小到小于比較器的下遲滯電壓時, 振蕩囂叉開瘧,電源爻遙過蒙瞧容霹受載毫容避孬充電。懿瘸鬟控麓方式斃有效降低系統(tǒng)功耗,提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。特別是在輕負載(負載電流小的情況下,改善 熬效果筻嘉瑟驤黢。霉2一14是產(chǎn)l鞠昆,島口一5姒噻,工終在霧援期模式電薅袈簸

40、 出電壓的典型波形。霎耋 l。lj鎊蚋矗 凈-韻搿叫 l l .h.一一ILK.一一J、 i 卜 &. 一1一。、 罰3. J 、=二: 0叫卜套me 5uo,diV圖中z.D表示振蕩器開啟時間,%即表示振蕩器關(guān)斷時間,即跳過的周期。根 據(jù)公式(2-30,褥16卜第二章電荷泵電路工作原理分析耽呦(%=意淼式中如為系統(tǒng)靜態(tài)電流,包括了子電路偏置電流和對四個開關(guān)管柵充放電的電流。 在重負載下,計算效率時此電流可以忽略。但在輕負載下,比如輸出電流只有幾 毫安,此電流對效率就會有極大影響。因為對四個開關(guān)柵電容充放電的靜態(tài)電流 可達1mA也mA。從圖214看到,殤盯這段時間振蕩器及四個開關(guān)均斷開,四個

41、開關(guān)的柵電容無充放電電流。特別是在輕負載下,時間%盯更長,大大降低了開 關(guān)損耗,提高了系統(tǒng)的效率。此外,低功耗設(shè)計中,也要盡量減小子電路的靜態(tài) 偏置電流,最大可能的提高效率。從效率公式還可以看出,隨輸入電壓升高,系統(tǒng)的效率會降低。為了在較高 的輸入電壓下提高系統(tǒng)的效率,當圖2.13中的Mode selector模塊檢測到輸入電壓 高于設(shè)定的輸出電壓時,系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為降壓模式(1x。在降壓模式中,Q1、Q3始終 關(guān)閉,Q4長開,系統(tǒng)僅通過控制Q2的開啟和關(guān)閉來穩(wěn)定輸出電壓,電源直接對 負載電容進行充電。反饋控制機理和升壓模式相同。輸出電壓可高于輸入電壓,也可低于輸入電壓。因此,電荷泵最好能選擇輸 入

42、和輸出電壓的最大值作為子電路的最高電源。圖2.13中的Powcrselector通過比 較%w和P知大小,輸出%惻=max碭隅。并且,開關(guān)Q2、Q4為PMOs,為 了防止PMOs的源端或漏端與襯底間的PN結(jié)正向?qū)?Q2和Q4的襯底也應(yīng)該 連接最高電源%刪。系統(tǒng)還具有一些保護電路,如熱保護電路(mm試Protect、限流電路(cllrrent Linlitl等。前面已經(jīng)分析了低功耗自動升降壓電荷泵的轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓、輸出電壓 紋波、輸出電流驅(qū)動能力。基于上述對電荷泵電路基本原理的理解,我們設(shè)計了 一款低功耗電荷泵電路,具體電路在第三章中詳述。17電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章子電路模塊設(shè)計與

43、仿真在第二章已經(jīng)介紹了2倍和l倍電荷泵電路的工作原理和參數(shù)描述等,這些 基礎(chǔ)理論對實際電路的設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。一個完整的電荷泵包含了:帶隙 基準源、振蕩器、控制時序電路、電源選擇電路、2x1x模式選擇電路、遲滯比較 器、電荷泵開關(guān)、開關(guān)驅(qū)動電路、過溫保護電路、軟啟動及限流電路。整個系統(tǒng) 是同組成員共同完成。其中,作者主要對基準、振蕩控制電路、模式選擇及驅(qū)動 電路進行了分析與設(shè)計,本章將予以重點介紹。帶隙基準源原理如31所示【16】【。利用BE結(jié)負溫度特性和蹄的正溫度特性 =隱c+撕圖31帶隙基準源的基本結(jié)構(gòu)得到與溫度無關(guān)的基準電壓。輸出電壓公式為陸=+冊f3.11的溫度系數(shù)約為-2mv,聆

44、的溫度系數(shù)為o+085rnv/。對上式求導(dǎo) 的溫度系數(shù)約為-2mv,n的溫度系數(shù)為o.085mv,。對上式求導(dǎo) 等:籌+M等 (3_2 趕 dT 諷 。篁三童王皇墮堡堡堡鹽蘭墮塞令d陳夕石=o,并帶入和阼的溫度系數(shù),可得M為235。如果BE結(jié)的 導(dǎo)通壓降為O.6v,則輸出基準電壓為飛盯=O.6礦+23.5x0.026礦=1_2l 1y (33 1_211v的基準電壓約等于硅的禁帶寬度,因此稱為帶隙基準。其電路的實現(xiàn) 方式如圖3.2所示,輸出基準電壓表示式為:=2+(1+%1所ln8其中=(1+胄%1ln8,調(diào)整R2、Rl比值使臚23.5,可得帶隙基準電壓。圖32傳統(tǒng)帶隙基準源 圖3-3電流模式

45、基準源傳統(tǒng)帶隙基準源1.2v的固定輸出對低電源電壓是個較大的限制,此外運放的 共模輸入范圍更是限制了電源電壓的降低。例如,如果采用PMos輸入的差分對, 電源電壓最低為pk2+I所mI+2I脅I。標準cMos工藝制成里,在較低溫度下,玩s 約為o.8V,I所mI約為o.9V,I%rI取o.1V,三者相加為1.9V?？梢?當輸入電壓 小于1.9v,傳統(tǒng)帶隙源就已不再適用。1999年,H.Banba等人提出了一種電流模 式基準源18】,其基準輸出可根據(jù)電阻比值進行調(diào)節(jié),消除了傳統(tǒng)帶隙基準輸出對 電源電壓的限制,其電路實現(xiàn)方式如圖3.3所示。假設(shè)運放環(huán)路增益很大,運放兩 輸入端相等。則如=脅%l (

46、3-4 厶2=9鼉珞2(3-5 則流過MPl的電流為如z=%l+玨%2(3-6 19露予群技大學(xué)碩士學(xué)位論文如果三個PM0s的寬長比均棚同,則輸出基準可表示為;翰一震3(阮%2+珩h%1 (37 逶耋溪葦%2幫(%p氌s翁太棗褥囂與漩度無美翡基準電匿。麩式o-7看出,輸出基準電壓可較自由的調(diào)節(jié), 不會嗣定在1.2V左右。為了減小遮放對電源電壓的限制,霹菠掰低藏氌瞧壓囂佟、BiC氧重os工 藝、和D咖OST,但這都將增加芯片懿裁逡殘本。程檬難eM0s王藝中,種較佳的方法是降低遴放的欺模輸入 范強嘲,麴強34疑承。假設(shè)遮藏夔舔 路增益很大,則兩輸入端電壓相等。并VIN且,取濺PMOS竟長戮鞠月,粥

47、壽F舞裹達式成囊:醞=懟+2一y%2斕 (38 (弗崛+(比廿%2;%毒 (3-9 (%3+(聰%2=%4(3-lo 上三式可算出琢即的襲達式為融=面%嘞蛔+薏鬻魯 (3-11 霹冕,透當調(diào)熬邀阻大,l、,霹褥與濕魔無關(guān)豹蒸準鬯簇。熱萊運敖愛P凇S 輸入的藏分結(jié)構(gòu),則電源電壓燎低為礦2+i許”j十i2聆小小于翻3-2和圖3-3中的最低電源電壓。在標準cM0s工藝中,電潦電壓瑟低至1.5v。不過霆3-4中的基準也有較大的缺點。兩個偏置電流需要由專門的電流產(chǎn)生電路提供偏 援,增加了功耗。且這穢基準中電阻太多,占用芯片露積,增擻了成本。本文 所設(shè)計電荷泵系統(tǒng)最低輸入電滕為2V,對輸出基準值也無特殊要

48、求,所以作 者采用傳統(tǒng)基準結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,下節(jié)將介紹基礁的具體結(jié)構(gòu)。第三章子電路模塊設(shè)計與仿真正確靜態(tài)偏置,碭i鯽J、乃蛔2的偏置電壓分別設(shè)為1.2V、O.9V。濾波電路目的R5VIN一翟糾嶼呵嶼與十c淵,蘆刨1jK上IdN4硐ilTlC3I66.6K一 :R4攀剖1卯pFl35K :R2R3一 :70&I1硼坦noUT卅vP臀到吒 帥-【NlI叫VNRl MN5j卜j舊ISl37K=ClVREF J Q3姍3n 眥s2X行一C2瞄N2I古staftupCjrc誠OPBiasCirc誠B鋤dg印c吖oFmerCh證=圖3-6帶隙基準源中的運放結(jié)構(gòu)是提高輸出基準的PSRR。MP5、MP6為線性區(qū)電阻,和Cl、C2組成兩級RC低21電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文通濾波電路。下面著重分析基準核電路?；鶞史€(wěn)定工作時,運放鉗位%、%兩點電壓相等,所以p鈿l=P鈿2+局c2R1(312 尺j=2R2,所以如=2如,并且%嚴玢In(矽趵。因此上式簡化為缸:=(蹦m%l (3-13 輸出基準電壓為M酐=2+缸2(Rl+胄3+(缸1+缸2R4(314把式(3-13帶入上式,簡化得脅=