專利名稱：一種開關(guān)電容式直流-直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)電容式直流-直流變換器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在各式各樣便攜式電子設(shè)備正走向千家萬(wàn)戶和各個(gè)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。不論這些設(shè)備中用到怎樣的電子器件和芯片，電源管理模塊都必不可少，而且這些設(shè)備對(duì)其電源管理模塊的要求也越來(lái)越高。通常，這些便攜式設(shè)
備，如手機(jī)、MP3/4和數(shù)碼相機(jī)等，要求電源管理模塊的體積小、電能轉(zhuǎn)換效率高、輸出紋波小、成本低，而且應(yīng)用電路也要盡量簡(jiǎn)單。同時(shí)，便攜式電子設(shè)備工作時(shí)所消耗的電流也非常不固定，其取決于設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境和狀態(tài)(如MP4播放視頻時(shí)功耗大，處于待機(jī)模式時(shí)功耗小)，因此一個(gè)好的電源管理模塊需要能夠適應(yīng)變化范圍比較大的負(fù)載電流。
電荷泵(即開關(guān)電容式直流-直流變換器)的輸出電壓大小與很多因素有關(guān)，為了使設(shè)備能夠穩(wěn)定的工作，通常要求電源管理模塊對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)制。目前常見的電荷泵調(diào)制技術(shù)有后調(diào)制技術(shù)、預(yù)調(diào)制技術(shù)、脈沖寬度調(diào)制技術(shù)以及脈沖跳躍頻率調(diào)制技術(shù)。后調(diào)制技術(shù)又稱為線性調(diào)制，是在電荷泵后面再串聯(lián)一個(gè)LDO,通過(guò)LDO對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)制。該技術(shù)可以有效控制輸出電壓紋波，降低輸出噪聲，但效率很低且需要額外的穩(wěn)壓模塊;預(yù)調(diào)制技術(shù)通過(guò)調(diào)整開關(guān)的導(dǎo)通電阻t,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)制，又被稱為偽線性調(diào)制技術(shù)，其可以有效控制輸出電壓紋波，減小輸出噪聲，但由于環(huán)路的頻率響應(yīng)與iL相關(guān)，因此當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，對(duì)環(huán)路的分析與補(bǔ)償是個(gè)難題，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且效率較低，尤其在輕載時(shí)，^較大，而開關(guān)頻率不變；脈沖寬度調(diào)制4支術(shù)，即P麗(Pulse Width Modulation)
于電感型開關(guān)電源。但由于電容上充放電的電流在開關(guān)導(dǎo)通瞬間可以很大，且當(dāng)電荷泵中RC時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，電容將在很短的時(shí)間完成充放電。因此P麗技術(shù)對(duì)電容型開關(guān)電源的調(diào)制作用受到一定的限制，且由于開關(guān)頻率的固定，其效率與線性調(diào)制技術(shù)相似。
采用脈沖跳躍頻率調(diào)制技術(shù)的電荷泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示，在電荷
泵的電壓輸出端16連接有兩個(gè)分壓電阻組成的采樣支路。 一比較器17接收采樣電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)15,向連接其輸出端的邏輯電路18發(fā)送反饋信號(hào)。該邏輯電路18接收一時(shí)鐘信號(hào)，并根據(jù)反饋信號(hào)向死區(qū)控制模塊3發(fā)送控制信號(hào)。死區(qū)控制模塊3接收控制信號(hào)，并產(chǎn)生多組不交迭的時(shí)鐘信號(hào)，并將多組不交迭的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送給開關(guān)電容陣列模塊4。
比較器將17采樣電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)15相比較，當(dāng)采樣電壓信號(hào)大于基準(zhǔn)電壓時(shí)15，比較器放大器17給出一個(gè)截止的反饋信號(hào)，邏輯電路18根據(jù)該截止信號(hào)停止輸出控制信號(hào)；當(dāng)比較器17檢測(cè)出采樣電壓信號(hào)低于基準(zhǔn)電壓15時(shí)，邏輯電路18繼續(xù)發(fā)送控制信號(hào)。
釆用脈沖跳躍頻率調(diào)制技術(shù)是在需要向負(fù)載傳遞電荷時(shí)才啟動(dòng)電荷泵，其余時(shí)刻關(guān)閉電荷泵，僅由負(fù)載電容向負(fù)載供電。此方法提高了效率，但由于其工作頻率不是連續(xù)的，有較大的輸出紋波。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有高效率且能自動(dòng)調(diào)節(jié)工作頻率的開關(guān)電容式直流-直流變換器，克服了因工作頻率不連續(xù)導(dǎo)致產(chǎn)生較大輸出紋波的技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明的變換器，包括一輸出采樣支路， 一產(chǎn)生死區(qū)且輸出多組與輸入時(shí)鐘相同頻率時(shí)鐘信號(hào)的死區(qū)控制模塊， 一接收死區(qū)控制模塊發(fā)送的多組不交迭的時(shí)鐘信號(hào)的開關(guān)電容陣列模塊， 一接收輸出采樣支路電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)的誤差放大器以及一接收誤差放大器的輸出電壓信號(hào)并
輸出相應(yīng)頻率時(shí)鐘信號(hào)的壓控振蕩器，壓控振蕩器向死區(qū)控制模塊發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，所述時(shí)鐘信號(hào)的頻率變化與誤差放大器的輸出電壓的變化成正比關(guān)系。
所述的壓控振蕩器包括一功率放大器， 一比較器， 一鎖存器，第一場(chǎng)效應(yīng)管、第二場(chǎng)效應(yīng)管和第三場(chǎng)效應(yīng)管；所述的誤差放大器的輸出端連接功率放大器的正相端，功率放大器的輸出端連接第一場(chǎng)效應(yīng)管，第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接一電阻，電阻的另一端接地，同時(shí)第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接到功率放大管的負(fù)相端形成一 負(fù)反饋，使第一場(chǎng)效應(yīng)管中的電流與誤差放大器的輸出電壓成正比；第二場(chǎng)效應(yīng)管的源極與柵極分別連接到第一場(chǎng) 效應(yīng)管的源極與柵極，使得其中的電流始終與第一場(chǎng)效應(yīng)管中的電流成一 定比例，第二場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接一電容的正端，電容的負(fù)端接地；比較 器的正相端連接電容的正端，比較器的負(fù)相端連接基準(zhǔn)電壓，比較器的輸 出端連接第三場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和鎖存器；第三場(chǎng)效應(yīng)管的源漏極跨接在電 容的兩端，比較器的輸出信號(hào)控制其導(dǎo)通或關(guān)斷；鎖存器根據(jù)比較器的的 輸出信號(hào)產(chǎn)生50%占空比的方波時(shí)鐘信號(hào)。
所述誤差放大器的輸出電壓增大方向與兩輸入端電壓差值增大方向 相反。
在誤差放大器的采樣電壓信號(hào)輸入端與輸出端跨接有由電阻和電容 串聯(lián)組成的反饋支路。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
首先，本發(fā)明的開關(guān)電容式直流-直流變換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)均具 有高效率，電荷泵的功率損耗主要為兩方面， 一是開關(guān)的導(dǎo)通阻抗引起的 損耗，等于開關(guān)導(dǎo)通時(shí)兩端電壓與流過(guò)電流的乘積，其中流過(guò)電流與負(fù)載 電流成正比，二是給場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管柵極與源漏極電容充放電的損耗，與開 關(guān)頻率成正比，本發(fā)明的開關(guān)電容式直流-直流變換器當(dāng)負(fù)載變化k倍時(shí)， 開關(guān)頻率也變化k倍，但開關(guān)導(dǎo)通時(shí)兩端電壓差不改變，因此輸出功率變 化k倍，同時(shí)總的損耗(近似為開關(guān)導(dǎo)通損耗與充放電損耗之和)幾乎也 變化k倍，所以由轉(zhuǎn)換效率=輸出功率/ (輸出功率+功率損耗)可以得 到當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電荷泵的效率幾乎不變，因此，尤其在輕載條件下，本 發(fā)明使電荷泵的效率比采用固定頻率的線性調(diào)制模式電荷泵的效率要高 很多；
其次，采用脈沖頻率跳躍調(diào)制模式的電荷泵因?yàn)椴蓸与妷盒盘?hào)輸入比 較器，其工作頻率是不連續(xù)的，產(chǎn)生較大的紋波，而本發(fā)明的電荷泵工作 頻率是連續(xù)的，因此具有更低的輸出紋波，相當(dāng)于將脈沖跳躍頻率調(diào)制模 式的電荷泵的開通與關(guān)斷進(jìn)行了時(shí)間上的平均分配，而這種平均化的效果 使得本發(fā)明的輸出電壓紋波大幅度的降低；
最后，采用本發(fā)明的電路中只有一個(gè)反饋環(huán)路，設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較低。


圖l是本發(fā)明變換器的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明變換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)的波特圖4是本發(fā)明的壓控振蕩器的電路結(jié)構(gòu)示意圖5a是采用脈沖跳躍頻率調(diào)制技術(shù)的電荷泵重載時(shí)的工作波形圖;
圖5b是采用脈沖跳躍頻率調(diào)制技術(shù)的電荷泵輕載時(shí)的工作波形圖;
圖6a是本發(fā)明的變換器重載時(shí)的工作波形圖6b是本發(fā)明的變換器輕載時(shí)的工作波形圖7是在平均開關(guān)頻率相同時(shí)的輸出電壓波形比較圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示的變換器，包括連接電壓輸出端16的由分壓電阻13和分 壓電阻14組成的輸出采樣支路， 一接收采樣電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)15 的誤差放大器1， 一接收誤差放大器1的輸出電壓信號(hào)并輸出相應(yīng)頻率時(shí) 鐘信號(hào)的壓控振蕩器2， 一產(chǎn)生多組不交迭的時(shí)鐘信號(hào)的死區(qū)控制模塊3， 一接收死區(qū)控制模塊3發(fā)送的多組不交迭的時(shí)鐘信號(hào)的開關(guān)電容陣列模塊 4。
在誤差放大器1的采樣電壓信號(hào)輸入端與輸出端跨接有由電阻5和電 容6串聯(lián)組成的反饋支路。誤差放大器1的輸出電壓增大方向與兩輸入端 電壓差值增大方向相反。誤差放大器l、電阻5、電容6、分壓電阻13和 分壓電阻14構(gòu)成了一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
圖3為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)的波特圖，其中3a為幅值-頻率圖，3b為相 角-頻率圖。誤差放大器主極點(diǎn)fp近似為0，直流增益為誤差放大器的直 流增益與反饋電阻分壓比的乘積。較低頻處存在一零點(diǎn)fz。另外，高頻處 存在一極點(diǎn)fpa，是由誤差放大器1的主極點(diǎn)fp引入的，位于系統(tǒng)環(huán)路增 益的帶寬外較遠(yuǎn)處，避免其降低系統(tǒng)環(huán)路的相位裕度，同時(shí)利用其降低高 頻噪聲。
該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使得系統(tǒng)環(huán)路在輕載時(shí)，增益迅速下降，同時(shí)零點(diǎn)的存在 提供足夠的相位裕度；重載時(shí)在保證環(huán)路穩(wěn)定的同時(shí)很大的直流增益使靜 態(tài)誤差近似為零。如圖4所示的壓控振蕩器2，包括一功率放大器7， 一比較器8， 一鎖 存器9，第一場(chǎng)效應(yīng)管10、第二場(chǎng)效應(yīng)管11和第三場(chǎng)效應(yīng)管12。所述的 誤差放大器1的輸出端連接功率放大器7的正相端，功率放大器7的輸出 端連接第一場(chǎng)效應(yīng)管IO，第一場(chǎng)效應(yīng)管10的漏極連接一電阻，電阻的另 一端接地，同時(shí)第一場(chǎng)效應(yīng)管10的漏極連接到功率放大管7的負(fù)相端形 成一負(fù)反饋，使電阻兩端的電壓等于誤差放大器的輸出電壓，從而使電阻 中流過(guò)的電流，也即第一場(chǎng)效應(yīng)管10中流過(guò)的電流與誤差放大器的輸出 電壓成正比，第二場(chǎng)效應(yīng)管11的源極與柵極分別連接到第一場(chǎng)效應(yīng)管10 的源極與柵極，《吏得流過(guò)其管中的電流始終與第一場(chǎng)效應(yīng)管10中流過(guò)的 電流成一定比例，即同樣與誤差放大器的輸出電壓成正比。第二場(chǎng)效應(yīng)管 11的漏極連接一電容的正端，電容的負(fù)端接地，比較器8的正相端連接電 容的正端，比較器8的負(fù)相端連接基準(zhǔn)電壓，比較器8的輸出端連接第三 場(chǎng)效應(yīng)管12的柵極和鎖存器9，第三場(chǎng)效應(yīng)管12的源漏極跨接在電容的 兩端。
壓控振蕩器2接收誤差放大器1的輸出電壓信號(hào)，根據(jù)該輸出信號(hào)的 強(qiáng)弱產(chǎn)生相應(yīng)頻率的具有5 0 %占空比的時(shí)鐘信號(hào)。
死區(qū)控制模塊3接收壓控振蕩器2發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生多組與該信 號(hào)同頻率的不交迭的時(shí)鐘信號(hào)，防止開關(guān)電容陣列模塊4中開關(guān)切換時(shí)出 現(xiàn)短路。
本發(fā)明的死區(qū)控制模塊3向開關(guān)電容陣列模塊4發(fā)送的是連續(xù)的多組 不交迭的時(shí)鐘信號(hào)。 一艮據(jù)壓控振蕩器2產(chǎn)生的可變頻率的時(shí)鐘信號(hào)，調(diào)制 死區(qū)控制模塊3產(chǎn)生與其同頻率的多組時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)而控制開關(guān)電容陣列 模塊4中開關(guān)電容的開關(guān)頻率。而采用脈沖跳躍頻率調(diào)制技術(shù)的電荷泵， 其邏輯電路利用固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生時(shí)鐘控制信號(hào)，通過(guò)反饋信號(hào)控 制邏輯電路發(fā)送時(shí)鐘控制信號(hào)或停止發(fā)送時(shí)鐘控制信號(hào)，因而時(shí)鐘控制信 號(hào)不是連續(xù)的，使電荷泵在工作過(guò)程中有較大地紋波。
圖5所示的為采用脈沖跳躍頻率調(diào)制技術(shù)的電荷泵的工作波形圖，其 中，5a為重載時(shí)的工作波形，5b為輕載時(shí)的工作波形。圖6所示的為本 發(fā)明的開關(guān)電容式直流-直流變換器的工作波形圖，其中6a為重載時(shí)的工 作波形，6b為輕載時(shí)的工作波形。
圖7所示的本發(fā)明的變換器輸出波形與采用脈沖跳躍頻率調(diào)制技術(shù)的
7電荷泵輸出波形的比較?？梢院苊黠@的看出
(1) 脈沖跳躍頻率調(diào)制模式的工作時(shí)鐘是不連續(xù)的，負(fù)載的大小決 定每段連續(xù)工作的時(shí)間與停止工作時(shí)間的比值(類似于脈沖寬度調(diào)制
(Pulse Width Modulation, P麗)模式下的占空比)，而本發(fā)明的工作時(shí) 鐘信號(hào)是連續(xù)的所以每個(gè)時(shí)鐘周期輸出電壓波形是相同的，負(fù)載的大小決 定時(shí)鐘頻率的大??；
(2) 從圖7中可以看出脈沖跳躍頻率調(diào)制模式下不同負(fù)載時(shí)輸出電 壓的平均值(近似為峰峰值的中間值)差別較大，重載時(shí)比所設(shè)定的值要 小一些，而輕載時(shí)比設(shè)定值大一些，所以其負(fù)載調(diào)整率比較差。而本發(fā)明 的變換器，由于時(shí)鐘的連續(xù)性以及閉環(huán)反饋?zhàn)饔?，使得最終輸出電壓的平 均值穩(wěn)定在所設(shè)定的值，負(fù)載的影響可以忽略；
(3) 從圖7中可以明顯看到當(dāng)兩者平均開關(guān)頻率相同，即效率相同 時(shí)，本發(fā)明的輸出電壓紋波要小得多。
權(quán)利要求
1、一種開關(guān)電容式直流-直流變換器，包括一輸出采樣支路，一產(chǎn)生死區(qū)且輸出多組與輸入時(shí)鐘相同頻率時(shí)鐘信號(hào)的死區(qū)控制模塊，一接收死區(qū)控制模塊發(fā)送的多組不交迭的時(shí)鐘信號(hào)的開關(guān)電容陣列模塊，其特征在于還包括一接收輸出采樣支路電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)的誤差放大器以及一接收誤差放大器的輸出電壓信號(hào)并輸出相應(yīng)頻率時(shí)鐘信號(hào)的壓控振蕩器，壓控振蕩器向死區(qū)控制模塊發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，所述時(shí)鐘信號(hào)的頻率變化與誤差放大器的輸出電壓的變化成正比關(guān)系。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電容式直流-直流變換器，其特征在于所述的壓控振蕩器包括一功率放大器， 一比較器， 一鎖存器，第一場(chǎng)效應(yīng)管、第二場(chǎng)效應(yīng)管和第三場(chǎng)效應(yīng)管；所述的誤差放大器的輸出端連接功率放大器的正相端，功率放大器的輸出端連接第一場(chǎng)效應(yīng)管，第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接一電阻，電阻的另一端接地，同時(shí)第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接到功率放大管的負(fù)相端形成一負(fù)反饋，使第一場(chǎng)效應(yīng)管中的電流與誤差放大器的輸出電壓成正比；第二場(chǎng)效應(yīng)管的源極與柵極分別連接到第 一場(chǎng)效應(yīng)管的源極與柵極，使得其中的電流始終與第一場(chǎng)效應(yīng)管中的電流成一定比例，第二場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接一電容的正端，電容的負(fù)端接地；比較器的正相端連接電容的正端，比較器的負(fù)相端連接基準(zhǔn)電壓，比較器的輸出端連接第三場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和鎖存器；第三場(chǎng)效應(yīng)管的源漏極跨接在電容的兩端，比較器的輸出信號(hào)控制其導(dǎo)通或關(guān)斷；鎖存器才艮據(jù)比較器的的輸出信號(hào)產(chǎn)生50%占空比的方波時(shí)鐘信號(hào)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)電容式直流-直流變換器，其特征在于所述誤差放大器的輸出電壓增大方向與兩輸入端電壓差值增大方向相反。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電容式直流-直流變換器，其特征在于在誤差放大器的采樣電壓信號(hào)輸入端與輸出端跨接有由電阻和電容串聯(lián)組成的反饋支路。
全文摘要
本發(fā)明提供一種開關(guān)電容式直流-直流變換器，包括一輸出采樣支路，一產(chǎn)生死區(qū)且輸出多組與輸入時(shí)鐘相同頻率時(shí)鐘信號(hào)的死區(qū)控制模塊，一接收死區(qū)控制模塊發(fā)送的多組不交迭的時(shí)鐘信號(hào)的開關(guān)電容陣列模塊，一接收輸出采樣支路電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)的誤差放大器以及一接收誤差放大器的輸出電壓信號(hào)并輸出相應(yīng)頻率時(shí)鐘信號(hào)的壓控振蕩器，壓控振蕩器向死區(qū)控制模塊發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，所述時(shí)鐘信號(hào)的頻率變化與誤差放大器的輸出電壓的變化成正比關(guān)系。該變換器輸出電壓紋波低，同時(shí)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)均具有高效率。
文檔編號(hào)H02M3/04GK101478234SQ20091009562
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者嚴(yán)冬勤, 吳曉波, 趙夢(mèng)戀, 陳明陽(yáng) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué);亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)(上海)有限公司