[發明專利]一種基于電容陣列變換的預調制電容型直流轉換器

有效

• 申請號: 201611261656.4
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106787712B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 汪輝;田野;汪寧;田犁;章琦;封松林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海高等研究院
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156;H02M3/07;H02M1/14
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發明提供一種基于電容陣列變換的預調制電容型直流轉換器，包括：提供輸入電壓及參考電壓的帶隙基準單元；用于調整導通電流的調整管；用于將輸出電壓調整為輸入電壓的1.5倍的電荷泵單元；用于比較所述參考電壓及所述輸出電壓，進而產生控制所述調整管的控制信號的誤差放大單元。本發明的基于電容陣列變換的預調制電容型直流轉換器通過電荷泵單元將輸入電壓升壓1.5倍后進行調整得到輸出電壓，可有效減小輸出電壓的紋波，提高直流轉換器的工作性能。

技術領域

本發明涉及電源管理領域，特別是涉及一種基于電容陣列變換的預調制電容型直流轉換 器。

背景技術

開關電容轉換器又常稱為電荷泵(Charge Pump)。它是通過電容上電荷周期性的搬運實現 能量的轉移。早在1976年，Dickson首先提出了片上電荷泵的概念，隨后應用于存儲器電路 實現升壓功能以讀寫數據。在隨后的幾十年中，開關電容DC-DC轉換器有了很大的發展，其 實現的功能不僅僅局限于實現升壓功能，利用拓撲結構的變換可以實現降壓，甚至反相功能。 開關電容轉換器也由負載驅動能力小于10mA片上電荷泵發展至驅動能力超過300mA片外電 容實現的電荷泵。近年來，穿戴式設備，物聯網，VR的興起，帶動了集成電路的飛速發展， 人們追求小型化，低功耗的要求也迫使集成電路朝SOC(片上系統)方向不斷的邁進。對于電 源管理而言，開關電容型的DC-DC轉換器恰恰非常有利于實現全集成,尤其是在低功耗的應 用場合，開關電容DC-DC轉換器已經占據了明顯優勢。

可是很多時候，我們想要得到的輸出電壓并不正好是輸入電壓的整數或者分數倍。即使 輸出輸入轉換比是整數或者分數，由于負載的變化也會導致輸出電壓不穩定。在這個時候就 需要電壓的整流(Regulation)。所謂的整流就是，從輸出端引一條負反饋回路到輸入控制端， 根據輸出電壓或者負載電流的大小及時地控制輸入量的改變，從而達到穩定輸出電壓或者輸 出電流的目的。

現有的幾種調制方式如下所述：

1、脈沖寬度調制(PWM)

PWM調制方式是在時鐘周期不變的情況下，通過調節開關時鐘的占空比，也是就是通過 調節時鐘的脈沖寬度的方式來穩定輸出電壓的。這種調制方法常見于電感型DC-DC轉換器 中。其優點由于時鐘周期比較固定，也就是有固定的開關頻率，可以得到較低開關噪聲輸出 電壓。其缺點是，由于受到開關功率管最小導通時間的限制，輸出電壓很難做到寬范圍的調 節。

2、脈沖頻率調制(PFM)

PFM調制方式是通過改變時鐘的頻率來整流輸出電壓。當輸出電壓過高時，時鐘關斷， 負載電容放電，輸出電壓降低。當輸出電壓過低時，時鐘開啟，電源對負載電容充電，輸出 電壓升高。這樣就可以將輸出電壓控制在一個接受的范圍之內。輸出電壓等比例縮小后與參 考電壓通過比較器做比較，得到數字碼，這個數字碼控制時鐘脈沖，然后再經過兩相非交疊 時鐘產生電路，驅動電路控制功率開關管導通與關斷，從而達到整流輸出電壓的目的。PFM 調制方式的優點是，可以在很寬的輸入電壓范圍內調制電壓，還可以在很寬的負載電流范圍 內維持較高的轉換效率。另外它的反饋環路幾乎都是數字電路，所以響應速度很快。還有這 種非線性控制的數字反饋環路，不會有穩定性問題，因而不需要進行環路補償。但是PFM控 制也有很大的缺點，最主要的是，它是通過改變時鐘的頻率來整流輸出電壓的，輸出電壓的 頻譜很寬，并且不可以預測，這樣就限制了這種調制方式在噪聲敏感場合中的應用。

AMOLED驅動芯片中的灰階產生電路需要供電5V，對于常規的具有256個灰階的電路 而言，每一階的電壓約為20mV，因此，當輸入電壓的紋波大于20mV或者有較大噪聲時，AMOLED顯示面板很容易出現顯示偏差或噪點。我們知道，相對于線性整流器(LDO)和電感型的開關電源DC-DC轉換器而言，開關電容DC-DC轉換器的輸出電壓紋波較大，如果采用 常用的PFM調制方法，輸出電壓紋波一般在30mV以上，并且開關噪聲不可預測和消除。因 而傳統開關電容DC-DC轉換器很難在噪聲敏感的場合有所應用。