低功耗电荷泵DCDC转换电路的设计_图文_百度文库

1、电子科技大学硕士学位论文低功耗电荷泵DC/DC转换电路的设计 姓名:杨志江申请学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学 指导教师:李肇基20060501摘要摘要高效率、低成本和低噪声己成为便携式设备中电源管理芯片的发展方向。其 中,电荷泵电路采用电荷转移方式工作,在不需要电感元件情况下可实现一定升 压,因此这类电源管理芯片在中低功率的应用中倍受欢迎。该文分析设计的一种 低功耗电荷泵DC/DC转换电路源于和海外公司的合作项目。它采用0.5微米标准 CMOS工艺制成,输入电压范围为2.OV5.5V,且输入电压高于或低于输出电压时, 输出电压都可保持稳定的低纹波输出,并能自动工作于升压或降压模式。该

2、电荷 泵电路采用跳周期调制方式(PsM,有效的降低了芯片功耗,特别在轻负载情况下 提高了系统的转换效率。在典型情况下,芯片满载时的静态电流为lmA,空载时 的静态电流仅为60uA,关断电流小于O.01uA。电路还具有软启动、过热保护及过 流保护等多重保护功能。在电路设计中,首先分析了跨周期调制的电荷泵Dc/Dc转换电路的基本原理, 然后推导出电荷泵等效模型,以此为理论依据分析了电荷泵的两种控制模式:线 性调制模式和跳周期调制模式。通过两种调制模式优缺点的比较并根据芯片低功 耗要求,选用跳周期调制模式进行了电路的总体结构设计。在予电路设计中,作 者比较深入分析的内容有:基准电路的原理及低电源电压

3、下基准电路的设计:振 荡器和控制电路中尖峰脉冲噪声抑制、两分频电路及死区时间设定;驱动及模式 选择电路中开关管的宽长比的选择及模式转换点的设计。在完成电路原理分析与电路设计的基础之上,还应用EDA软件HsPIcE对各 个子电路模块和整体电路进行了功能仿真及量化模拟。其中,整体仿真指标包括:芯片线性调整率和负载调整率、转换效率、输出电压纹波、芯片静态电流、最大 负载电流、输出电压温度特性及短路负载电流。仿真结果均达到预定指标,验证 了作者在第二章中阐述的电荷泵Dc仍c转换器的设计理论,是设计理论与实践相 结合的一次有价值的尝试。关键词:电荷泵,Dc/Dc转换电路,跳周期模式,线性模式AbstnI

4、ctHigll e伍ci吼cy'10w 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 协msfer energy and can work weU forst印up谢tllout也e need for a11

5、洫ductoL 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谢m丽de input voItage raIlge of 2.OV

6、 to 5.5V 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谢tll n0load,aIld less tllaIl O.01uA in shutdown mode.11

7、1is converter is thennally pmtected and cl】I瑚t lilIlited,protecting t11e10ad距d reglllator dl血ng fhult c锄碰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踊d.Pmse skip modc is

8、lected todesi印让呛whole chipo删盟廿on趾d sIl_b block circllitcord协g to me comparison of廿le two con仃olmodes锄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鲫d me desi印tecllniquein lo

9、w p耐sllpply;me删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锄d kng山mtio offollr刚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.mg

10、c11apters,tlle au也or siInulated all mc眦b block circllits髓d whole cI卸circuit by印pIy啦EDA t00ls HSPICEandewlo百c.The t慨cal pe墒m姐ce ch撇cteristics include:nne and load订趾si咖response,emci%cy,o呻m vol协ge ripple,qlliescent c唧nt,maxiInllm load creIn,ou中ut V01tage tempemtIlre charactcristics and the shon TIci搦吐l

11、 lo醴c娃娌e盘。T孰sim堪a蛀on嫦s珏妇i槭cgte f漩也e Ic h嬲妇i啪d董kexpec栳岖oIl,botll fIlllmit捧rl筘t锄d electrical ch删毗eristics-触血ou寒h也e糟a陀 瑚肼odable最s嬲vantages oft啦s酬e瓯娃is a worlhw】lile蛆d Val眭ble蛳erien。 Key words:C瓣p删晔,DemCC锄慨Pmse S碰Mode,“黼龃Mode 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 作及取得的石开究成粱。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

12、经发表或撰写过的研究成果,电不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或迁书薅侵用过的材料。 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。签名:聿缸汪 目翔:御年f月硼 关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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,兔诲论文被查阅和氆嘲。本人授权惫予科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定签名:整堑i竺 导师签名:第一章引言第一章 引言电源是电

13、子产品中一个组成部分,为了使电路性能稳定,往往需要稳定电源。 便携式电子产品采用电池供电,如何使稳压电源部分性能满足电路的要求、并且 耗电省(能延长电池的寿命、安全性好、占空间小、重量轻成为设计便携式电子 产品中一个重要任务。近年来,各种便携式电子产品发展迅猛,特别是手持式计 算机、移动通信装置、视频或音频产品、照相机、医疗仪器及测试仪器等发展更 为神速,随之发展的是各种新型电源Ic。电池的广泛使用,给这一类电源带来特 殊的要求:高效率、静态电流小、很小的面积、低重量并且价格便宜q正是基于 这些特殊要求,电荷泵电路在中低功率应用中成为各设计公司首选。1.1电源管理芯片的发展趋势2005年,电源

14、管理IC市场呈现出快速增长的势头,除了在传统的白色家电市 场,2005年电源管理Ic的热点应用还主要集中在计算领域,主要包含台式电脑、 笔记本电脑和游戏机。各种终端产品的日益普及和功能的不断增加,对电源管理 Ic产品提出了更高的要求。目前,电源管理芯片发展的热点表现在以下三个方面: (1降低功耗12J。在AC/DC应用中,例如vCR、SVR、STB、DVD和DVCD 播放器、打印机、传真及扫描设备中的开关电源,要求的是高功率效率,而待机 功耗是其中一大关键。在手机等DC/DC应用中,要求的是功率管理。由于电池技 术很难追上增添这么多种功能对功率的需求,各大设计公司必须提供产品以优化 电池寿命。

15、在2005年,飞兆半导体公司推出了业界首个串化器,解串器解决方案, 提供极佳的待机功耗。此外,通过整合多种功能、通过功率因数校正或采用准谐 振回扫式功率设计等拓扑结构降低系统的待机功耗、EMI辐射、总体元件数目及 电路板空间。此外,国家半导体2005推出了工业上第一款数字控制的Pawerwise 系列能耗监控元件,能够降低电池驱动的手持产品数字处理器的能耗。微芯公司 在其PIc单片机和低电源模拟产品生产线产品中引入了片上纳瓦技术,在电源关 闭或休眠模式情况下只需要毫微瓦特的电流。(2高度集成化刚14】。电源管理芯片的另一发展趋势是在更小的硅片上集成更 多功能特性,以更好的设计灵活性实现更强的系

16、统用电性能,而不会增加成本。电子科技大学硕士学位论文多个单一功能的电源管理器件组合的方法将会被类似PMU(电源管理单元的芯片 取代。例如,国家半导体的多功能电源管理单元LP3970内置了11个线性稳压器、 2个Dc/Dc降压稳压器、1个后备电池充电器及4个通用输出,可为处理器提供 稳压供电。处理器也可以对LP3970进行数字控制,根据负载情况动态调节电源电 压来减小功耗。Ma【im公司推出的MAx862l电源管理芯片,内部集成了2个 Dc/Dc降压器、4个线性稳压器、1个复位定时器和1个驱动器,而占面积仅为 16mm2。(3白光LED驱动瞪l。便携式产品为LcD显示器提供背光的光源是系统中耗

17、电量最大的部分。由于功率限制日趋苛刻,因此功耗较低的白光LED仍然是最佳 选择。众多著名设计公司均正在开发结构更紧凑、背光效率更高的自光um驱动 电路。此外,新一代的OLED显示器的应用也逐步升温,各设计公司也正努力扩 展这方面的Um驱动。1.2电荷泵在理论和实际应用方面的意义和价值便携式设备的广泛应用,将对电源管理形成大量新的需求。为了支持日益复 杂的系统电源要求和新功能,各大芯片设计公司提出了先进的、各具特色和尺寸 越来越小的电源管理解决方案。各种解决方案均需在效率、封装尺寸、和成本之 间反复权衡,但小尺寸封装的散热能力不及大尺寸封装产品,迫使提高器件的转 换效率。因此,开关调节器正在取代

18、线性调节器,以延长电池的工作时间,但噪 声和电磁干扰的问题也随之而来。然而,许多便携式设备都具有无线电电路和射 频接收器,对噪声都十分敏感。因此作为噪声发生器的开关电源,势必对这些敏 感电路形成潜在干扰。在传统的解决办法是使噪声发生电路远离对噪声敏感的电 路。然而,当今的便携式产品中,由于系统内部布局非常紧密,这种做法已不再 可行,而加设屏蔽的方案则会因为成本和尺寸方面限制,变得不切实耐6J。一种切实可行的方案是使用高效率、低噪声、低成本、无电感器型的电荷泵 Dc巾c转换电路。在不需要外接电感元件的情况下电荷泵能实现一定的升压。由 于无电感元件,所以克服了基于电感的功率源可能带来的EMI问题,

19、并且其效率 较高(可达90%,所占面积小,并且设计也较简单,价格也较低,缺点是在多档 升压至高电压时却存在效率急剧下降,且损耗发热量增加的问题。因此,在需要 利用多档升压来实现高工作电压的手机电源电路中,电荷泵电源的应用范围就受 到了限制。不过,在所需电压不高、所占Pc板面积小、效率高、低噪声和低成本2第一章§i言鲍寝用中,噬蕊泵电源戏必备厂家的善选【7l。垦裁,因际黧内在如何减小电耱泵的 功耗、噪声及增大输出功率方面进行了较为广泛的研究。因此,本论文藏是基于 电焚泵低功耗、裹效率的蘩求进符设计的。采用霹§周期控制模式,势采用舞压和 降压自动转换有效的提高了效率。所设计出来

20、的芯片具有较广阔的市场应用前景。1.3本课麓要达到的翻标本谦澈戆强稼楚采蔫O.5鼬标准cMOS工艺宠成低秘耗电蘅聚Ic静设计,势 采用HsPICE进行仿真验证。基本指标:输出电压为3.3V(or 2.5V佗+7v/3.OW5V; 输入毫莲藏围秀2。卜5。5V最大输密邀浚5妇遮;开关颡率为l凇%爨蓬效率 为90%;输出电压纹波典型值为40MvP-P;静态电流典型值60uA;关态电流小于 §。Ol娃;王佟瀣度藏匿.豹丰125;其寿软启动、辕出短鼹镰护及避湛撩护袭憨。1.4本文所徽瓣工作本文的主要工依是分橱设计一耪自动势降压型低功耗漱蘅泵惫路。第一章介绍了电荷泵理论意义和实际价值并且提出了

21、本课题簧达到的目标。 第二章酋先阐述了PSM调制的逛赫泵电路的童传原理,得到丁其等效模型。 根撼等效模型分析了电荷鬃电路的参数指标及意义。最后分析了魄荷泵的两种控 制模式(线性模式和跳周期模式缺点,并根据应用的霰要选取跳周期模式馆为系统 整体架构设计。第三章中,根据系统撰标的簧求,对本课题中的予电路模块谶行详细分析和 设计,包括:<1蒸准电路,分析了在低电源电压下基准的设计、输出基准电压酌 温漂及容蓑仿真结果;(2振荡器,分析了振荡器工作原理;(3控制电路,分析 了灸峰噪声稚镧毫路、2分频电爨殷死区聍间设定;(4驱动电路,分析了根据电 荷裂等效模型及最大输出电流的要求如何选取四个开关管宽

22、长比;(5模式转换电 路,分析了如何禳瓣开关管静导逶电阻选取转换点,并提滋了电路的竣透播藏。 第四章介绍了搬体电路联合仿真和容麓分析并给出仿真结果。整体仿真指标 包旗:(1受载藕线经调整攀;(2不霞乡都条箨下豹癌动;(3转换效率;(4输 出电压纹波;(5静态电流;(6最大负载电流;(7输出电压温度特性;(8短路 受载毫流。第五章是该课顾的总结,提出了作者的一些看法和建议。电子科技大学硕士学位论文2.1概述第二章 电荷泵电路工作原理分析电荷泵电路利用电荷转移的方式进行工作。通过泵电容,把电荷从输入转移 到输出,提供负载所需要的电流。电荷泵电路主要优点是采用电容储蓄能量,无 EM【干扰、噪声小、成

23、本低、静态电流及输出电压纹波均较小。并且,随着电荷 泵电路结构的改进,也可应用在需要大电流的应用电路中。电荷泵电路有2倍型、1.5倍型和反转型等多种结构,这些结构的转换效率都 和输入电压成反比。为了在输入电压较高时提高系统的效率,目前大多数电源管 理芯片均采用如2“1x或2“1.5“1x等多种结构相组合的形式。本论文所设计的电 荷泵电路就是采用2x/lx的结构,当输入电压低于输出电压时工作于升压模式但x nlode,当输入电压高于输出电压时工作于降压模式(1x mode。为了得到稳定的输出电压,电荷泵电路需要通过负反馈系统进行控制。慕本 原理是控制充放电回路上等效导通电阻的大小来稳定输出电压。

24、一般,等效导通 电阻大小主要由开关管的导通电阻、调制度M【9】和泵电容的大小决定。在一个确定 的系统中,泵电容的值是固定不变的,所以可以通过控制开关管上的导通电阻或 者控制调制度M的大小来稳定输出电压。这两种控制分别对应两种不同的控制模 式:线性模式(Line盯Mode和跳周期模式(Plllse shp Mode。本章在得到PsM调制 的2dlx电荷泵的基本模型并描述电荷泵参数后,再分析两种控制模式的优缺点及 应甩场合。2.2PsM调制电荷泵的基本理论2“1x型电荷泵电路的基本结构如图2.1所示【81,包含输入电容(c柚、输出电 容(coLrr、泵电容(C砌神和4个开关MOs管。其中,除Q3为

25、NM0s管,其余均 为PMOs管。由于NMOs管的迁移率比PMOS管高约3倍,在相同的导通电阻下 NMOs管所占芯片面积比PMOs管要小很多。但是,若Ql、Q2和Q4选用订OS 管作为开关管,随泵电容充放电,栅源电压VGs的变化会对NM0s导通电阻产生 很大影响,所以Q1、Q2和Q4选用PMOs更好。4筻二章电荷泵魄路工幸擎凝理分析V虹卜豳2.12蚋x型电祷泵电路基本结构当翰F%咿,PsM调制的电荷泵电路工作予2倍模式。此时,电荷泵的工作 j建程可分必嚣个除段:瑟窟黢段_秘跳周嬲除毅。圈2-2(A是2馈模式霹pSM调测 的电荷泵输出电腿典型波形。其中,币1、叩2是网2-1中控制四个开关管的两相

26、时 Vb位甲l1nn厂n门广 审21门一厂门门厂 :峰“! nT :mT:开寓阶袋 靴周期除段 (A2辔摸式广水:八 蛰2门门门 门门门 I I I I_.争r_争嘲 l 盯 mT I 井意阶段鹳期期阶段(Bl壤模式 圈2.2PsM调制电稽泵的输出电压及四个开关的调制波形钟信号,翰w是稳定的输出电压,4啪是输出电压的纹波,r怒蹭个开关在工作 时的工作周期。送输出嗽压较低,电荷聚工作予汗痘阶段,首先Q2、Q3导通, Ql、Q4关断,怨略MOS管导通电阻,浆电容厩端被充电;其次,Q2、Q3关断, Ql、Q4开启,浆电容c舢负端被充电,同时电荷通道c瑚转移到输出电察 coUT。可觅,灵有在Ql,Q4

27、导遴时,耀9l为低电平辩c0Lrr方会被充电,输出 电压上升,丽在Q2、Q3导通,即lp2为低电平时,coUT只对负载放电,输出电腿 下降,蘸既造成输出电舔纹波。经过荐个周期静开启阶段后,输出电压逐步弁商,电子科技大学硕士学位论文高过一定值,电荷泵将工作于跳周期阶段,根据负载电流大小跳过m个周期。此 时四个开关均关断,仅负载从CoUT汲取电荷,输出电压下调。当圪>%w,电荷泵电路工作于l倍模式。Q1、Q3一直关断,Q4闭合,仅 Q2受时钟币2的控制。1倍模式时输出电压及Q2的调制波形如图2.2(B所示。电 荷泵的工作过程同样分为开启和跳周期阶段。在开启阶段,Q2导通时,电源直接 对负载电

28、容充电,输出电压上升,Q2关断时负载从coLrr上汲取电荷,输出电压下 降,造成电压纹波。经过"个周期的开启阶段后,输出电压逐步升高,当输出电 压过高,电荷泵工作于跳周期阶段,电荷泵会根据负载电流大小跳过m个周期。 此时仅负载从coUT上汲取电荷,输出下调。下面将定量的分析PsM调制的2“1x 电荷泵输出输入关系,并得到等效模型。从图22中看出,当负载大小不同时,PsM控制信号将跨过一定的周期不工 作,从而稳定输出电压。而在开启阶段四个开关的工作频率,固定,占空比D为 50%。设开启阶段的周期数为n,而跳周期阶段跳过的周期数为m。定义PsM调 制模式下的调制度:M=一形=%圳 (2-

29、1 其中石为开关的有效工作频率,为未跳周期时开关的工作频率,是不变量。 乒,所以OMsl。把上式表示为工的形式:石=(1一f×, (22 则图2-2中平1、啦的调制波形可等效为图2-3中所示波形。在有效工作周期瓦内,四个开关的导 适时间不变,为:=D×肜2膨 (2-3 而四个开关均关断的时间%职为:孙=兀一:=尚×÷cz4, lM,' 、 7乃。南I.1. I "1厂T厂 甲2几厂I I f IT._卜lTon Ton Tbfrd B C图2-32倍模式时甲1、啦 的等效调制波形当输出电流不同时,可等效为控制殇盯的大小来稳定输出电压。因

30、此,2倍 型电荷泵电路在一个有效周期疋内有A、B和c三种不同的工作阶段【1o】【111,如图 6第二章电荷泵电路工作原理分析2-4所示。为讨论方便,只考虑四个开关管的导通电阻Ro及泵电容的串联等效电 阻ESR,并假设四个开关管的导通电阻相等。厶和厶分别是A阶段和B阶段的平 均电流。图2.3中标出了A、B、C三个阶段对应的时间。如果电荷泵输出己处于稳定 状态,则A阶段对泵电容充的电荷应该等于B阶段泵电容所放的电荷,因此 。z撕2厶。Z抽 (2_5I一个有效工作周期瓦内输入平均电流b为m:坐孕婴:2如××乒上W =一 =Z 嚣×D ×n lZO t只有在B阶

31、段,泵电容才会对CoUT充电。而在三个阶段caLrr都对负载放电。故coLrr在B阶段所充的电荷应该等于在一个有效周期瓦内CoUT对负载所放的电荷,即,ow×冗=厶×7。 (27所以,。w=如×7.0×乒 (2-8比较式(2-6和式(2-8,可得输入输出电流 关系为 图2_42x电荷泵在一个周 期内的三种状态五=2×而w (29下面讨论输出电压和输入电压的关系。在A阶段,泵电容两端电压为胁一=一2胁×一E豫×厶(2-10 在B阶段,泵电容两端电压为陆一口=%叮一踟+2RD×厶+ESR×厶 (2一11 泵电

32、容上的电荷在A阶段和B阶段之差就是在一个有效周期疋内流向负载的 净电荷,因此Q=99=c,啪×(陆m一4一踟一口 (2.12电子科技大学硕士学位论文 把公式(28、(29、(2lO和(211带八【2lnJ得Q=。×2踟一乃wc笔水R洲北勰所以,在一个有效周期疋内的平均输出电流可写为如w=二×Q=乒×。咖×12一%wc惫搿胄洲化艘把(214表示为%叩的函数,得pow:2%,一如。×【_L.+兰墨!兰一+垄婴1蓐×D,(1一M×D(1一M×D。 带入,;:fl一吖×r及D:0.5,匕式化简为: (2

33、13 (2-14 (2一15%计=2P知一f兰等×【.=_去+8胁+4础】 (2.16 1一M厂×CP啪 。从公式(2.16很容易得到PsM调制下2倍型电荷泵电路的等效模型为一个电 压源和三个等效电阻串联的结构,如图2.5所示。其中包括了输出负载电容的串联 等效电阻E奴。从等效电路可看出,在PSM调制模式下,当负载电流变化时,可 通过改变调制度肘来调整电荷泵的等效电阻得到稳定的输出电压。例如,当负载 电流减小,电荷泵工作的周期数n减小而跳过的周期数聊增加,调制度M增加, 因而增大了等效电阻,稳定了输出电压。此外,在线性调制模式时,埘踟,系统 通过调制矗D大小稳定输出电压。因

34、此当仁O时,图2.5就转换为线性控制模式 时电荷泵的等效电路。图2-5PsM调制时2X电荷泵的等效电路8第二章电荷泵电路工作原理分析当自动升压降压电荷泵工作在l倍模式时,同样可以通过调制度M来得到1倍模式的等效模型。开关Q2的等效工作频率也用公式(2.2表示。开关Q2的等效 调制波形如图26所示。在一个有效周期兀内,Q2, 的导通时间不会改变,可用公式(23表示。而Q2跳“口一脚t, 周期的时间为:P2一。广j广一 胁=兀一=焉二篆×÷(217 矗一:2nM1,、7:1=:。 则此时电荷泵在一个有效周期乃内也可分为A、d 四 B两个工作阶段,如图2.7所示。两个阶段对应的时

35、图2-6l倍模式时开关管Q2的 间见图2.6。厶表示A时间段的平均电流。等效调制波形IA Q2÷口.严卫a IIo玎 Rm图2-71X电荷泵在一个周期内的两种状态如果电荷泵输出已处于稳定状态,显然只有在A阶段才会有输入电流厶。则 在一个有效周期疋内输入电流平均值为肌=厶××Z(2-18 而在A阶段电源对coUT充的电荷应等于在一个有效周期疋内CoLrr对负载放的电荷,所以 厶w=厶××(2-19比较上两式可看出,输入平均电流和输出平均电流的关系为 h=而w (2.20 下面讨论输出电压和输入电压的关系。在A阶段的平均电流大小可表示为 厶:堕二坠

36、 2RD (221电子科技大学硕士学位论文上式带入式(219,整理后司得如w:挲××乒 (2-22 2R。 。 、 。 把式(222表示成%叮的函数,并把公式(22、(23带入得踟w:踟一如"x黑 (2.23 fl一朋。D 、 7在PSM调制下,D:o.5,上式简化为%盯:踟一,0w×芸堕熹 (2.24 (1一M 、 7从公式(224可得PSM调制的1倍型电荷泵等效电路,见图2.8所示。其中包 括了负载电容的串联等效电阻E鼬。在PsM调制模式下,当负载电流变化时,为 了得到稳定的输出电压,可通过改变调制度M来调整电荷泵的等效电阻来实现。 在线性调制模式下

37、,公式(2-23中膨=o,D=l,则等效电路中等效电阻为驮D,可 通过调制足D来稳定输出电压。躲唧图2-8PsM调制时1x倍型电荷泵的等效电路1、输出电压%盯从上两节的分析可以看出场盯:2一黑×【熹+8鼢+4脚】(2xmode 1一M厂×CP啪 。 、 7胁:踟一砌×!墨竺(1一M10(1xmodc第二章电荷泵电路工作原理分析在以上公式中,控制导通电阻R0或者控制调制度M来得到稳定的输出电压, 这两种控制方式分别为线性模式(Linear Mode和跳周期模式(Pulse sKp Mode。 2、输出电压纹波p讳输出电容caUT在一个周期内会被充放电,因此造成输出电

38、压纹波。在实际应 用中,输出电压纹波需控制在一个较小的范围内。下面讨论2倍和l倍模式的输 出电压纹波和哪些参数有关,并提出减小纹波的方法。(1升压模式(2x mode在A和c阶段,只有负载从输出电容汲取电荷,因此输出电压会下降%w, 即输出电压纹波,所以可得肠。:鱼!兰!垫±!堡2f2.251cD叩 从(2.16式中解出10UT,并带入上式可得%1w=l ×一 (为w (2-26 (2降压模式(1x mode 在B阶段,只有负载从输出电容汲取电荷,因此输出电压会下降%w,即输 出电压纹波,所以可得 踟w:丝!兰兰竺(227cDw 从(2.24式中解出IoLrr,和公式(2-

39、17一起带入上式可得 %时:!垡二丝型兰!±丝!(2.288R。×(1D计×/。 从(2.26、(2-28可看出五点:第一,在%盱一定的情况下,输出电压纹波和 输入电压成正比;第二,当p知一定,输出电压纹波和输出电压成反比;第三,输 出电压纹波和频率成反比;第四,增加CoUT或减小CPum可有效的减小纹波。但 重要的是,减小CPum会影响系统的输出电流驱动能力;第五,负载越轻,调制度 肘越大,因此纹波越大。3、效率在便携式设备中,效率是最重要的指标。电荷泵电路的效率可由输出功率和 输入功率之比得到丝一 器嘏予科技大学硕士学位论文雅嘲(%>=等=等等 , 粕可

40、由两部分组成:系统的静态漱流电,和对泵电容充放电的电流。则(229 式可筲成如下形式黔呻(%=意篆蓦笔b s妨当是舞压模式时掰=2,降医模式融圩=l。如果忽臻龟,则电苟浆电路黔效率 估算公式为雅嘲黝=篆 辨嘞渤=等 (2x mo玉>(1x m醚ef2-31 (2-324、电滚输出熊力电荷泵的电流输出能力和输出电援、泵电容大小及开关频率有密切关系。由 公式(2-16和(2埘,褥如胛:上竽塑坐坠坐生 (2x mode (2m 0盯=一 ZX m0eJ l ZJj, 蔓+8置帮+4勰fxCP御玉滞:壁堑二丝罴譬玉!二丝 (1x麓&>稼.3的 4震洲 。 。 从上面鹾个公式砸褥出五

41、点:第一,拜篷翻降压模式的魄流输出能力均粒输 入电鹾成正比;第二,电流输出能力和输出电艇成反比。第三,尽量减小矗洲可 提高电流输出能力。不过开关镣的面积及动态功耗(即对开关栅电容充放电造成的 功耗均增加,影响转换效率。第霸,对升压模式来说,增大cP哪及增大开关频 率,可提高输出电流能力。第赢,驱动电流越小,则调制度材越大,即系统跨过 的瘸麓数越多。2。2。|裂§周期调制模式和线性谖制模式的较为了稳定输出电压,电荷浆电路需骚用负反馈进行控制。从公式(2-16、(2也3 可潋蓉掰,控制鼢或调稍度掰静大小可以得掰稳定输出电邋。两个控制变量对 应不同的控制方式【12】【13】f14】:线性模

42、式(Linear Mode和跳周期模式(skip Mode。籀二章电荷泵电路工作原理分析们2圈2母工作在线性模式的电旖祭拓扑结构图2110工作襁跳周期模式的电荷泵拓扑结构霆2-9楚电瑟凝王终予线性模式下戆强羚缝=|鸯。反绩瓣络枣分燕毫难爱l、塞2和谈差放大器(E肿r Ah但组成。电压P妇M婚会随输出电压的变化而变化,珞黜 襄蒸准电垂强疆黪误差信琴经过误差放大嚣放大黪,逶遥控裁电瓣震涮懿大奎采 稳定输出电压。电黻RD可由工作在线性医的PMOS构成。图2.10是电荷泵工作在戥周期模式下夔撼羚结奄。反馈嬲络由分压电阻Rl、R2巍迟涝比较器暖ystofetic comp删组成。和线性横式不同的是,跳周

43、期模式工作于一种火信号状态。当 魄醚耀高于迟滞比较器的上迟滞电愿圪孵孵,比较器输出信号关凝振荡器,此时 四个开关均关断,输出电容提供负载所需黉的全部电流。潞输出电容上电压逐渐 减少到小予比较器的下迟滞电压璩掰,比较器输出信号开庭振荡嚣,电费泵正常 工体,通过泵电容搬电荷从输入转移封输出。线性模式(Lillear Mode和跳周期模式(S轴p Modo是电旖泵控制中两种常用螅 嗽电子科技大学硕士学位论文模式,他们的区别主要有以下三点:1、静态电流坫电荷泵静态电流是指由p知提供,但并未经过CPuMP并输出到CoUT的电流。它由两部分组成:七日和七,。其中,五筘是电荷泵控制电路的静态偏置电流,如基

44、准源、比较器等的静态偏置电流,在系统的工作过程中基本上为一常量。b是系 统工作过程中,在一个有效周期乃对开关栅电容充放电的平均电流,如果开关管的栅压为%叮,则,。为而:如+掣 (2-35o其中,对2倍模式,c=4阢踟。对1倍模式,C=耽C钿。当工作于线性控制模式时,L=r;而跳周期时,L>r。可见,不管是l倍 模式还是2倍模式而(船fp如凼<而(工加ear一幻出特别是在轻负载情况下,跳周期模式的岛要远小于线性模式,因此跳周期模 式有助于提高在轻负载时系统的转换效率。2、输出电压纹波公式(2-18、(2-20分别为2倍和l倍模式时的输出电压纹波,即肠。:垒坚兰!塑±墨翌2

45、CD卯%。:生!兰堕 CDw(For2xmode (For 1xmode当工作于线性模式时,z0阡=0;而跳周期时,%蒂加。可见,不管是l倍模式 还是2倍模式%w(蕊印一如如p%w(三舰咿一肘础3、输入电流纹波电荷泵电路的主要缺点之是在开关过程中,造成较大的输入电流纹波。图 21l、图2.12分别是跳周期控制模式和线性控制模式时的输入电流纹波151(只分 析工作于升压状态的情况,降压状态的情况同理。输入电流随开关QlQ4的开 启和关断而周期性变化。当开关Q2、Q3开启,输入电流突然上升,随后按指数 关系下降,下降程度由充电回路的电阻和泵电容乘积决定。当Q2、Q3关断到Q1、14第二章电荷泵电路

46、工作原理分析Q4开启这段时间为死区时间(Dead Time,目的是防止四个开关同时导通而对地产 生很大的电流。因此在死区时间四个开关均关闭,输入电流突降到零。死区时间¨1广寸厂 啦广1r图2.11工作在跳周期模式时输入电流纹波I_十。j二型二盟. 1丁1rr p 1厂一 图2-12工作在线性模式时输入电流纹波结束后,Ql、Q4开启,输入电流和上一变化相同。图2-8中r0船的时间段为输 出电压高于了上迟滞电压,四个开关均关闭,因此输入电流为O。从输入电流纹波产生原理看出,输入电流纹波蜂值和充放电回路的电阻成反 比。所以,线性模式的电流纹波峰值要小于跳周期模式的电流纹波峰值。输入电 流的

47、抖动会造成电源电压的抖动,从而形成不希望的低频噪声。在一些对噪声很 敏感的应用中,例如在移动电话应用中,输入电流纹波应尽量减小。因此在这类 应用中,线性模式要优于跳周期模式。而在低功耗设计中,跳周期模式成为首选。 2.3低功耗电荷泵电路的工作原理本论文所设计的低功耗电荷泵电路原理图如图2.13所示,是基于电荷泵跳周 期控制模式而设计。四个开关是由工作在线性区的MOS管组成。其中Q3为NM0s 管,其他均为PMOs管。电荷泵有两种工作模式:升压模式(2x和降压模式(1x。 当工作在升压模式时,在一个周期的上半个周期,Q2、Q3开启,电源对泵电容充飘子稃技大学硕士学位论文阔2.13自动升降压型电荷

48、泵工作原理图电。稀下半个溺麓,聚电容淘负载毫箨放电,毅提供受载繇鬟豹输爨电滚。澎输 出电压过高时,输出的分压信号玩删高于比较器的上迟滞电压时,比较器输出 痿号关颧叛蔟器,酉个努关鹭笑淹,系统撮撵受载电流夫,j、雾§遂一定豹黉鬻。忿 时仅有负载电容对负载放电。巍输出电压逐步减小到小于比较器的下迟滞电压时, 振荡嚣叉开疟,电源爻遥过蒙瞧容霹受载毫容避孬充电。懿瘸鬟控麓方式毙有效降低系统功耗,提高系统转换效率。特别是在轻负载(负载电流小的情况下,改善 熬效果筻嘉瑟骧黢。霉2一14是产l鞠昆,岛口一5姒噻,工终在雾§援期模式电薅袈簸 出电压的典型波形。霎耋 l。lj镑蚋矗 净-韵搿

49、叫 l l .h.一一ILK.一一J、 i 卜 &. 一1一。、 罚3. J 、=二: 0叫卜套me 5uo,diV鞠2.14辩l羼翅模式电楚裘瓣辕瑾l电暴波形图中z.D表示振荡器开启时间,%即表示振荡器关断时间,即跳过的周期。根 据公式(2-30,褥16卜第二章电荷泵电路工作原理分析耽呦(%=意淼式中如为系统静态电流,包括了子电路偏置电流和对四个开关管栅充放电的电流。 在重负载下,计算效率时此电流可以忽略。但在轻负载下,比如输出电流只有几 毫安,此电流对效率就会有极大影响。因为对四个开关栅电容充放电的静态电流 可达1mA也mA。从图214看到,殇盯这段时间振荡器及四个开关均断开,四个

50、 开关的栅电容无充放电电流。特别是在轻负载下,时间%盯更长,大大降低了开 关损耗,提高了系统的效率。此外,低功耗设计中,也要尽量减小子电路的静态 偏置电流,最大可能的提高效率。从效率公式还可以看出,随输入电压升高,系统的效率会降低。为了在较高 的输入电压下提高系统的效率,当图2.13中的Mode selector模块检测到输入电压 高于设定的输出电压时,系统转换为降压模式(1x。在降压模式中,Q1、Q3始终 关闭,Q4长开,系统仅通过控制Q2的开启和关闭来稳定输出电压,电源直接对 负载电容进行充电。反馈控制机理和升压模式相同。输出电压可高于输入电压,也可低于输入电压。因此,电荷泵最好能选择输

51、入和输出电压的最大值作为子电路的最高电源。图2.13中的Powcrselector通过比 较%w和P知大小,输出%恻=max砀隅。并且,开关Q2、Q4为PMOs,为 了防止PMOs的源端或漏端与衬底间的PN结正向导通,Q2和Q4的衬底也应该 连接最高电源%删。系统还具有一些保护电路,如热保护电路(mm试Protect、限流电路(cllrrent Linlitl等。前面已经分析了低功耗自动升降压电荷泵的转换效率、输出电压、输出电压 纹波、输出电流驱动能力。基于上述对电荷泵电路基本原理的理解,我们设计了 一款低功耗电荷泵电路,具体电路在第三章中详述。17电子科技大学硕士学位论文第三章子电路模块设计

52、与仿真在第二章已经介绍了2倍和l倍电荷泵电路的工作原理和参数描述等,这些 基础理论对实际电路的设计具有重要指导意义。一个完整的电荷泵包含了:带隙 基准源、振荡器、控制时序电路、电源选择电路、2x1x模式选择电路、迟滞比较 器、电荷泵开关、开关驱动电路、过温保护电路、软启动及限流电路。整个系统 是同组成员共同完成。其中,作者主要对基准、振荡控制电路、模式选择及驱动 电路进行了分析与设计,本章将予以重点介绍。3.1带隙基准源带隙基准源原理如31所示【16】【。利用BE结负温度特性和蹄的正温度特性 =隐c+撕图31带隙基准源的基本结构得到与温度无关的基准电压。输出电压公式为陆=+册f3.11的温度系

53、数约为-2mv,聆的温度系数为o+085rnv/。对上式求导 的温度系数约为-2mv,n的温度系数为o.085mv,。对上式求导 等:筹+M等 (3_2 赶 dT 讽 。篁三童王皇堕堡堡堡盐兰堕塞令d陈夕石=o,并带入和阼的温度系数,可得M为235。如果BE结的 导通压降为O.6v,则输出基准电压为=2+(1+%1所ln8其中=(1+胄%1ln8,调整R2、Rl比值使胪23.5,可得带隙基准电压。图32传统带隙基准源 图3-3电流模式基准源传统带隙基准源1.2v的固定输出对低电源电压是个较大的限制,此外运放的 共模输入范围更是限制了电源电压的降低。例如,如果采用PMos输入的差分对, 电源电压

54、最低为pk2+I所mI+2I胁I。标准cMos工艺制成里,在较低温度下,玩s 约为o.8V,I所mI约为o.9V,I%rI取o.1V,三者相加为1.9V。可见,当输入电压 小于1.9v,传统带隙源就已不再适用。1999年,H.Banba等人提出了一种电流模 式基准源18】,其基准输出可根据电阻比值进行调节,消除了传统带隙基准输出对 电源电压的限制,其电路实现方式如图3.3所示。假设运放环路增益很大,运放两 输入端相等。则如=胁%l (3-4 厶2=9鼍珞2(3-5 则流过MPl的电流为如z=%l+珏%2(3-6 19露予群技大学硕士学位论文如果三个PM0s的宽长比均棚同,则输出基准可表示为;翰

55、一震3(阮%2+珩h%1 (37 逶耋溪苇%2帮(%p氇s翁太枣褥嚣与漩度无美翡基准电匿。麸式o-7看出,输出基准电压可较自由的调节, 不会嗣定在1.2V左右。为了减小遮放对电源电压的限制,霹菠掰低藏氇瞧压嚣佟、BiC氧重os工 艺、和D咖OST,但这都将增加芯片懿裁逡残本。程檬难eM0s王艺中,种较佳的方法是降低遴放的欺模输入 范强嘲,麴强34疑承。假设遮藏夔舔 路增益很大,则两输入端电压相等。并VIN图3.4一种低压应用的藏准源且,取溅PMOS竟长戮鞠月,粥寿F舞裹达式成囊:酝=怼+2一y%2斓 (38 (弗崛+(比廿%2;%毒 (3-9 (%3+(聪%2=%4(3-lo 上三式可算出琢即

56、的袭达式为融=面%嘞蛔+薏鬻鲁 (3-11 霹冕,透当调熬邀阻大,l、,霹褥与湿魔无关豹蒸准鬯簇。热莱运敖爱P凇S 输入的藏分结构,则电源电压燎低为矿2+i许”j十i2聆小小于翻3-2和图3-3中的最低电源电压。在标准cM0s工艺中,电潦电压瑟低至1.5v。不过霆3-4中的基准也有较大的缺点。两个偏置电流需要由专门的电流产生电路提供偏 援,增加了功耗。且这秽基准中电阻太多,占用芯片露积,增擞了成本。本文 所设计电荷泵系统最低输入电滕为2V,对输出基准值也无特殊要求,所以作 者采用传统基准结构进行设计,下节将介绍基礁的具体结构。第三章子电路模块设计与仿真带隙基准电路的具体结构如图3.5所示,由4部分组成:启动电路、运放偏置 电路、RC滤波电路和基准核。启动电路由MP4、MN4、MN5和Q3组成。在电 路开启时,MN4导通,把MPl佃3栅电位拉低,直到基准电压上升到1.2V时关 断MN4。MP4、MN5组成的支路在电路启动后虽不能完全关断,但电流保持在1uA 以下,对基准电路影响可以忽略。偏置电路