[發明專利]一種用梯形波驅動電荷泵DC-DC轉換器的紋波抑制技術

在審

• 申請號: 201410442697.8
• 申請日: 2014-08-29
• 公開（公告）號: CN104242632A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 卜剛;鄒志鵬
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07;H02M1/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明專利涵蓋開關電容DC-DC轉換器原理、紋波噪聲抑制技術。

背景技術：

隨著集成電路技術的不斷發展，便攜式移動終端的大量出現，尤其是近幾年，智能手機、平板電腦、GPS等產品的普及，電子系統對供電電源也提出了更多的要求，例如：便攜性、低功耗、輸出穩定、高效率等，推動了便攜式電子設備電源技術的發展。電子系統通常不能由電池或電源適配器為其直接供電，而需要一個電壓調制器將不穩定的直流電壓轉換為穩定的系統供電電源。目前，DC-DC轉換器主要分為兩類：線性穩壓器和開關電源調制器。線性穩壓器具有低紋波、低噪聲、設計簡單等優點，廣泛應用于對噪聲敏感的場合，但其也有效率較低和只能實現降壓等缺點。開關電源又分為電感型和電容型。其中，電感型開關電源儲能元件為電感，優點是轉換效率高，缺點是在輸出端具有紋波干擾，并且有電磁干擾(EMI)問題；電容型(又稱電荷泵型)開關電源使用電容作為儲能元件，大大降低了EMI，轉換效率也較高，缺點是輸出端紋波噪聲較大。

模擬和射頻電路對噪聲敏感，通常采用線性穩壓源供電，這雖然避免了電源的噪聲干擾，但系統效率較低。傳統電荷泵型DC-DC轉換器效率較高、又沒有EMI干擾，如果能解決其紋波噪聲較大的問題，則可將電荷泵型DC-DC轉換器應用于噪聲敏感的模擬和射頻電路，從而提高系統效率，這對便攜系統尤其重要。本發明提出了一種紋波抑制技術，在保證電源效率的同時，減小了輸出的紋波噪聲，使開關電容型DC-DC轉換器為模擬和射頻電路供電成為可能。

發明內容：

模擬和射頻電路通常采用噪聲較低的線性穩壓源，為了能夠讓電荷泵型DC-DC轉換器能夠應用于噪聲敏感的場合，解決傳統電荷泵型紋波噪聲較大的問題，本專利提出了一種紋波抑制調制技術，在保證電源效率的同時，減小了輸出端的紋波噪聲。

發明內容：

本發明針對電荷泵型開關電源在輸出端紋波較大的不足，提出了一種減小輸出紋波的技術，原理圖見附圖1。傳統電荷泵型開關電源中，作為開關的功率管的柵極受時鐘信號高低電平控制，進入導通或者關斷狀態，從而控制電容的充放電。在電容充放電轉換的瞬間，由于開關兩端的壓差較大，開關功率管中會產生較大脈沖電流，此脈沖電流與負載電流的差值將會注入到負載電容上，從而引起較大的輸出電壓紋波。為了解決這個問題，本發明采用梯形波電壓信號驅動開關功率管(見附圖2)，使其緩慢導通，在開關兩端電壓差較大時其導通電阻也較大，而壓差小時導通電阻也減小，從而減小其上流過電流的尖峰，使泵電流和負載電流相匹配，進而減小輸出電壓紋波。

附圖說明：

附圖1包含梯形波開關驅動的開關電容DC-DC轉換器系統框圖

附圖2梯形波驅動開關功率管原理圖

附圖3一種CMOS實現的梯形波發生器原理圖

附圖4梯形波和方波信號波驅動DC-DC輸出電壓對比

具體實施方式：

在與輸出端相連的功率管處由梯形波產生電路(原理圖見附圖3)生成一個梯形波電壓信號而不是陡峭的時鐘信號加在功率管柵極上，使得功率管在電容放電過程中可以緩慢開啟，，即調制功率管的導通電阻，從而可以控制流過功率開關管的電流，使其不再產生較大毛刺或者電流脈沖，使得開關電流近似趨向于負載電流，從而減小了在負載電容上多余的電荷堆積，達到減小了輸出電壓紋波的目的，效果見附圖4。

一種用CMOS實現的下降沿梯形波產生器的原理圖如附圖3所示。其中，MP1和MN1形成一個非門，門控制輸出電壓CLK’輸出端由低變到高時的充電電流的大小由MP1的大小決定。MN2和MN3組成一個電流鏡，參考電流Ibias經過此電流鏡拷貝到輸出端，決定了輸出端由高變低時的放電電流的大小。通過調整Ibias的大小可以調整輸出端放電的快慢，從而調整梯形波的斜率。上升沿梯形產生器也可同理獲得。