[發(fā)明專利]一種開關電容式直流-直流變換器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910095621.1
• 申請日: 2009-01-13
• 公開（公告）號: CN101478234A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發(fā)明（設計）人: 吳曉波;嚴冬勤;趙夢戀;陳明陽
• 申請（專利權）人: 浙江大學;亞德諾半導體技術(上海)有限公司
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07;H02M1/14
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權代理有限公司
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發(fā)明涉及一種開關電容式直流-直流變換器。

背景技術

現(xiàn)在各式各樣便攜式電子設備正走向千家萬戶和各個工業(yè)應用領域。不論這些設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，而且這些設備對其電源管理模塊的要求也越來越高。通常，這些便攜式設備，如手機、MP3/4和數(shù)碼相機等，要求電源管理模塊的體積小、電能轉換效率高、輸出紋波小、成本低，而且應用電路也要盡量簡單。同時，便攜式電子設備工作時所消耗的電流也非常不固定，其取決于設備的運行環(huán)境和狀態(tài)(如MP4播放視頻時功耗大，處于待機模式時功耗小)，因此一個好的電源管理模塊需要能夠適應變化范圍比較大的負載電流。

電荷泵(即開關電容式直流-直流變換器)的輸出電壓大小與很多因素有關，為了使設備能夠穩(wěn)定的工作，通常要求電源管理模塊對輸出電壓進行調(diào)制。目前常見的電荷泵調(diào)制技術有后調(diào)制技術、預調(diào)制技術、脈沖寬度調(diào)制技術以及脈沖跳躍頻率調(diào)制技術。后調(diào)制技術又稱為線性調(diào)制，是在電荷泵后面再串聯(lián)一個LD0，通過LD0對輸出電壓進行調(diào)制。該技術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；預調(diào)制技術通過調(diào)整開關的導通電阻R_on，實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)制，又被稱為偽線性調(diào)制技術，其可以有效控制輸出電壓紋波，減小輸出噪聲，但由于環(huán)路的頻率響應與R_on相關，因此當負載變化時，對環(huán)路的分析與補償是個難題，設計比較復雜，且效率較低，尤其在輕載時，R_on較大，而開關頻率不變；脈沖寬度調(diào)制技術，即PWM(Pulse?Width?Modulation)是通過控制每個周期給電容充電的時間比來實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)制，類似于電感型開關電源。但由于電容上充放電的電流在開關導通瞬間可以很大，且當電荷泵中RC時間常數(shù)較小時，電容將在很短的時間完成充放電。因此PWM技術對電容型開關電源的調(diào)制作用受到一定的限制，且由于開關頻率的固定，其效率與線性調(diào)制技術相似。

采用脈沖跳躍頻率調(diào)制技術的電荷泵結構示意圖如圖1所示，在電荷泵的電壓輸出端16連接有兩個分壓電阻組成的采樣支路。一比較器17接收采樣電壓信號與基準電壓信號15，向連接其輸出端的邏輯電路18發(fā)送反饋信號。該邏輯電路18接收一時鐘信號，并根據(jù)反饋信號向死區(qū)控制模塊3發(fā)送控制信號。死區(qū)控制模塊3接收控制信號，并產(chǎn)生多組不交迭的時鐘信號，并將多組不交迭的時鐘信號發(fā)送給開關電容陣列模塊4。

比較器將17采樣電壓信號與基準電壓信號15相比較，當采樣電壓信號大于基準電壓時15，比較器放大器17給出一個截止的反饋信號，邏輯電路18根據(jù)該截止信號停止輸出控制信號；當比較器17檢測出采樣電壓信號低于基準電壓15時，邏輯電路18繼續(xù)發(fā)送控制信號。

采用脈沖跳躍頻率調(diào)制技術是在需要向負載傳遞電荷時才啟動電荷泵，其余時刻關閉電荷泵，僅由負載電容向負載供電。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調(diào)節(jié)工作頻率的開關電容式直流-直流變換器，克服了因工作頻率不連續(xù)導致產(chǎn)生較大輸出紋波的技術問題。

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鐘相同頻率時鐘信號的死區(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鐘信號的開關電容陣列模塊，一接收輸出采樣支路電壓信號與基準電壓信號的誤差放大器以及一接收誤差放大器的輸出電壓信號并輸出相應頻率時鐘信號的壓控振蕩器，壓控振蕩器向死區(qū)控制模塊發(fā)送時鐘信號，所述時鐘信號的頻率變化與誤差放大器的輸出電壓的變化成正比關系。

所述的壓控振蕩器包括一功率放大器，一比較器，一鎖存器，第一場效應管、第二場效應管和第三場效應管；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效應管，第一場效應管的漏極連接一電阻，電阻的另一端接地，同時第一場效應管的漏極連接到功率放大管的負相端形成一負反饋，使第一場效應管中的電流與誤差放大器的輸出電壓成正比；第二場效應管的源極與柵極分別連接到第一場效應管的源極與柵極，使得其中的電流始終與第一場效應管中的電流成一定比例，第二場效應管的漏極連接一電容的正端，電容的負端接地；比較器的正相端連接電容的正端，比較器的負相端連接基準電壓，比較器的輸出端連接第三場效應管的柵極和鎖存器；第三場效應管的源漏極跨接在電容的兩端，比較器的輸出信號控制其導通或關斷；鎖存器根據(jù)比較器的的輸出信號產(chǎn)生50％占空比的方波時鐘信號。