[發明專利]一種寬輸入范圍低紋波電荷泵降壓電路

無效

• 申請號: 201210163381.6
• 申請日: 2012-05-24
• 公開（公告）號: CN102684481A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 施金偉
• 申請（專利權）人: 蘇州脈科庫博環保科技有限公司
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

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技術領域

本發明涉及一種電荷泵電源系統，尤其涉及一種由遲滯比較器和中心頻率可配置壓控振蕩器組成的雙環控制電荷泵結構。

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背景技術

電源是一切電子系統的能量之源，電源轉換芯片主要有線性電壓調節器LDO、開關電源DC-DC和電荷泵三類。隨著SOC、生物芯片以及無線傳感芯片的發展，電子系統的發展朝著數字化、微型化、集成化的方向發展，對電源轉換芯片提出了新的要求。

線性電壓調節器LDO只能實現降壓，且壓差越大LDO的效率越低，這兩個缺點限制了LDO的應用。開關電源DC-DC效率較高，紋波較小，驅動能力較強，可以實現升降壓，但使用電感作為能量傳輸元件。高品質電感工藝復雜，體積較大，且需要復雜的補償網絡。電感還會引起較為嚴重的電磁干擾，使得在SOC等全集成領域的應用受限。與前兩者相比，電荷泵使用電容作為能量傳輸元件，具有升降壓功能，同時消除電感引起的電磁干擾，利于實現系統的全集成，符合當前技術的發展趨勢。

電荷泵因增益模式數量受限制，因此各模式增益值相互離散，容易造成在特定的輸入電壓與輸出電壓無法找到最佳的增益模式，當輸入電壓大范圍變化或負載電流大范圍變化時，電荷泵有限的增益模式帶來的輸入與輸出電壓不匹配的問題更加凸顯。一種傳統解決方法是增加電荷泵功率級增益模式的數量，如圖1。當輸出電壓恒定時，首先根據輸入電壓的大小由增益模式選擇電路確定電荷泵功率級增益，然后壓控振蕩器依據輸出電壓的變化進行相應的頻率變化，以控制輸出電壓穩定在所需電壓。這種控制方法的缺點在于，若通過增加增益模式的數量解決輸入輸出匹配問題，將使開關管的數量倍增，直接影響系統的高效率，同時使開關時序控制與死區控制更加復雜；其次，若通過增大壓控振蕩器的變頻范圍解決以上問題，壓控振蕩器變頻范圍的增加將使非線性效應更加明顯，難以實現對系統調節精度的提高。此外，數字脈寬調制也是一種解決電荷泵模式不匹配問題的方法，如圖2，通過調節時鐘信號的占空比控制不完全充電或或不完全放電，等效改變輸入輸出電壓的關系。由于占空比調節方法需要數模轉換器、可編程補償器、數字脈寬電路等模塊，控制環路非常復雜，同時因不能實現占空比的連續調節，調節精度較低。

輸入輸出模式不匹配對電荷泵電路的靈活應用帶來不利影響，針對存在的不匹配問題以及上述傳統解決方案的不足和缺陷，本發明在電荷泵增益模式不變的情況下，通過自適應配置壓控振蕩器的中心頻率并調節其受控范圍，解決單一寬變頻范圍下壓控振蕩器線性度降低而導致的系統性能下降問題。通過中心頻率切換解決以上問題的代價，僅僅需要增加一個遲滯比較器、以及若干開關管與小的并聯調節電容。

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發明內容

本發明的目的是解決由于電荷泵增益模式有限導致的輸入電壓與輸出電壓不匹配的問題，獲得一種寬輸入范圍低紋波的電荷泵降壓電路。

本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：

本發明一種寬輸入范圍低紋波電荷泵降壓電路，包括用于檢測輸入電壓以確定增益模式的增益模式選擇電路、對開關工作狀態進行控制的開關邏輯控制及死區控制電路、用于功率傳輸的電容陣列功率級電路、用于處理輸出電壓的誤差放大器和遲滯比較器和用于系統時鐘的壓控振蕩器，增益模式選擇電路和壓控振蕩器的輸出端分別接開關邏輯控制及死區控制電路的輸入端，開關邏輯控制及死區控制電路的輸出端串接電容陣列功率級電路后分別接誤差放大器的負輸入端和遲滯比較器的正輸入端，誤差放大器和遲滯比較器的輸出端分別接壓控振蕩器的輸入端。

所述壓控振蕩器采用限流環形振蕩器，包括N個輸出級別，每一級的輸出節點并聯C₁、C₂兩個電容，其中C₂串聯一個NMOS開關管，NMOS開關管的柵極分別接遲滯比較器的輸出端。