[發明專利]一種用三個飛跨電容實現的五轉換比電荷泵多相交織方法

有效

• 申請號: 201410796040.1
• 申請日: 2014-12-17
• 公開（公告）號: CN104410271B
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 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
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明專利涵蓋電荷泵DC-DC轉換器原理、紋波抑制技術、充放電多相交織方法。

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。

為了降低紋波，一種方法是在電荷泵后串接一個線性穩壓源，在輸出穩壓的同時，減小了紋波。由于這種方案中應用了效率較低的線性穩壓源作為抑制紋波的濾波器，使整體效率較低。另一種常用的減小電荷泵輸出紋波的方法是輸出電壓的多相交織，即將基本電荷泵拓撲復制多份并將它們的充放電時序錯開一定相位，從而抵消紋波。然而，這種方法會導致飛跨電容的數量成倍增加。有些原本只需1個飛跨電容的轉換比，如×1、×2、×1/2等，只需要增加1個飛跨電容就可實現兩相；而對于本來需要2個飛跨電容的增益，如×3/2、×2/3、×1/3，則需要增加2個飛跨電容；以此類推，如果用3相交織，則需要增加4個(共6個)飛跨電容，這將造成系統成本的增加，尤其是對集成化的實現還會額外增加的芯片引腳數量。本發明提出了一種使用了三個飛跨電容的多相交織方法，可以用于×2、×1、×2/3、×1/2和×1/3等多種電壓轉換比，在保證電荷泵開關電源效率的同時，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：

本發明針對傳統電荷泵型開關電源多相交織方法導致飛跨電容數量成倍增加的不足，提出了一種利用三個飛跨電容實現的電荷泵充放電多相交織方法，該方法可應用于×2、×1、×2/3、×1/2和×1/3等多個電壓轉換比，實現多相位交織，抑制輸出紋波。

一個包含了新型多相交織方法的電荷泵系統原理圖如附圖1，其由開關電容陣列(2)、誤差放大器、多相時鐘產生、以及模式控制等模塊組成。雖然附圖1中的系統對輸出的調制采用了脈沖頻率調制(PFM)，但本發明也可應用于其它類型的輸出電壓調制方式。

附圖2中所示的開關電容陣列(2)中包含了三個飛跨電容(6-1、6-2和6-3)和十五個開關(5-1至5-15)。附圖3至附圖7分別顯示了×2、×1、×2/3、×1/2和×1/3等五種轉換比下開關陣列的拓撲狀態圖，其中×2和×1轉換比具有3個狀態，而×2/3、×1/2和×1/3具有6個狀態。為簡化起見，狀態圖中沒有畫出開關，只畫出了三個飛跨電容(6-1、6-2和6-3)與電源(1)、輸出(3)及地線(4)之間的連接關系。

系統啟動后，模式控制模塊根據電源(1)電壓和輸出(3)電壓動態地選擇電壓轉換比，多相時鐘產生模塊和時鐘驅動模塊根據特定電壓轉換比產生所需要的驅動開關的時鐘信號。如果選定的電壓轉換比為×2或×1，開關電容陣列順序經過拓撲狀態1(7-1或8-1)、拓撲狀態2(7-2或8-2)和拓撲狀態3(7-3或8-3)，然后回到拓撲狀態1(7-1或8-1)，循環往復；如果選定的電壓轉換比為×2/3、×1/2或×1/3，開關電容陣列順序經過拓撲狀態1(9-1、10-1或11-1)、拓撲狀態2(9-2、10-2或11-2)、拓撲狀態3(9-3、10-3或11-3)、拓撲狀態4(9-4、10-4或11-4)、拓撲狀態5(9-5、10-5或11-5)、拓撲狀態6(9-6、10-6或11-6)，然后回到拓撲狀態1(9-1、10-1或11-1)，循環往復。